JP2020127038A - ナノ構造蛍光体を有する発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率的な波長変換式発光デバイスを提供する。【解決手段】 本発明の実施形態は、発光デバイス（ＬＥＤ）１０と、第１波長変換材料１２（層１２を形成するためのマトリックス１４を含む）と、第２波長変換材料（層１６を形成している）とを含む。第１波長変換材料１２は、ナノ構造波長変換材料１３を含む。ナノ構造波長変換材料１３は、長さ１００ｎｍ以下の少なくとも１つの次元の大きさを持つ粒子を含む。第１波長変換材料１２は、発光デバイス１０から離間される。【選択図】 図２

Description

本発明は、ナノ構造蛍光体と組み合わされた、発光ダイオード等の半導体発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振器型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、及びエッジ放射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の中に含まれる。可視スペクトルに亘って動作可能な高輝度発光装置の製造において、現在関心が持たれている材料系は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を含み、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２元、３元、及び４元合金である。一般的に、ＩＩＩ族窒化物発光装置は、有機金属化学気相成長法（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り、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、サファイア、炭化シリコン、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ことによって作製される。スタックは多くの場合、例えばＳｉでドープされ、基板の上を覆って形成される１以上のｎ型層と、当該１層又は複数層のｎ型層の上を覆って形成される活性領域内の１以上の発光層と、例えばＭｇでドープされ、当該活性領域の上を覆って形成される１以上のｐ型層とを含む。電気的コンタクトは、ｎ型領域及びｐ型領域上に形成される。

ＩＩＩ族窒化物装置は、従来技術で知られているように、白色光又は他の色の光を形成するため、蛍光体等の波長変換材料と組み合わされることができる。波長変換材料は、ＩＩＩ族窒化物装置の発光領域からの発光を吸収し、より長い異なる波長の光を放射する。波長変換されるＩＩＩ族窒化物装置は、一般照明、ディスプレイのバックライト、自動車照明、及びカメラ又は他のフラッシュ等、多くのアプリケーションのために用いられることができる。

本発明の目的は、効率的な波長変換される発光装置（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、発光装置と、第１波長変換材料と、第２波長変換材料とを含む。第１波長変換材料は、ナノ構造波長変換材料を含む。ナノ構造波長変換材料は、長さ１００ｎｍ以下の少なくとも１つの次元の大きさを持つ粒子を含む。第１波長変換材料は、発光装置から離間される。

赤色放射蛍光体及び赤色放射ナノ構造蛍光体に対する、波長の関数としての強度を示す。 ＬＥＤと、波長変換層と、ＬＥＤから離間されるナノ構造波長変換材料とを含む構造体を示す。 ナノ構造波長変換材料内で放熱するために用いられるワイヤのパターンを示す。 ナノ構造波長変換材料内で放熱するために用いられるワイヤのパターンを示す。 ＬＥＤと、ＬＥＤの側面を覆って広がる波長変換層と、ＬＥＤから離間されるナノ構造波長変換材料とを含む構造体を示す。 ともにＬＥＤから離間される、波長変換層とナノ構造波長変換層とを含む構造体を示す。 ＬＥＤと単一の波長変換領域とを含む構造体を示す。 封止されたナノ構造波長変換層を含む構造体を示す。 ナノ構造波長変換層及びリフレクタの一部を示す。

本明細書で使用される場合、「ポンプ光」とは、ＬＥＤ等の半導体発光装置によって放射される光を指す。「変換光」とは、波長変換材料によって吸収され、異なる波長で再放射されたポンプ光を指す。

１以上の波長変換材料と組み合わされたＬＥＤ等の光源の効率は、少なくとも２つの理由で最適に満たない恐れがある。

第１に、白色光を放射する装置は多くの場合、赤色光を放射する蛍光体等の波長変換材料を含む。一部の赤色放射蛍光体は、人間の目の応答曲線の外側にある波長の光を少なくとも一部放射する。ほとんどのアプリケーションにとって、この光は事実上損失である。加えて、人間の目の応答曲線の領域は、５５５ｎｍでの最大のピークを有する約３８０ｎｍから約７８０ｎｍまでの範囲である。人間の目は異なる波長で異なる感度を有する。例えば、人間の目は５５５ｎｍの波長では毎秒１０光子束だけでさえ検出し得るが、４５０ｎｍでは毎秒２１４光子束、６５０ｎｍでは毎秒１２６光子束を必要とする。人間の目は赤色光（６５０ｎｍ）に対してあまり感度がないので、赤色放射波長変換材料は、非常に狭い波長帯域の光を放射することが望ましい。この望ましい赤色放射波長変換材料の挙動は、赤色放射蛍光体に対する、波長の関数としての発光強度のプロットである図１上のピーク１によって示される。ピーク１は、図１の破線３によって示される人間の目の応答曲線内に完全にある、急峻で狭いピークである。多くの一般的な赤色放射波長変換材料は、図１のピーク２によって示される、より効率の低い挙動を示す。これら一般的な赤色放射波長変換材料は、より広い波長範囲に亘って光を放出する。

第２に、過多の散乱を招く波長変換材料は、装置の効率を低下させる恐れがある。

本発明の実施形態では、波長変換されるＬＥＤ等の半導体装置は、ポンプ光を吸収し、変換光を放射するナノ構造発光材料を含む。ナノ構造材料は、少なくとも１つの次元においてナノメートルの長さスケールである、例えばロッド、円錐、球体、チューブ、又は任意の他の適切な形状等のさまざまな形状の、ナノメートルサイズの半導体粒子である。量子井戸は１次元においてナノメートルの長さスケールの粒子であり、量子ワイヤは２次元においてナノメートルの長さスケールの粒子であり、量子ドットは３次元全てにおいてナノメートルの長さスケールの粒子である。ナノ構造材料は、いくつかの実施形態では少なくとも６×１０^５ｃｍ^−１、いくつかの実施形態では１．５×１０^７ｃｍ^−１以下の表面積対体積比を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造材料の少なくとも１次元は、ナノ構造材料の電子波動関数又はボーア原子半径より短い。これは半導体バンドギャップ等のバルク特性を、今度はナノ構造材料の関連する次元における長さに伴って変化するメゾスコピック特性又は量子特性へと変更する。ナノ構造材料は、いくつかの実施形態では、赤色放射ナノ構造蛍光体又は別の色の光を放射するナノ構造蛍光体である。本明細書において、ナノ構造蛍光体を「量子ドット」又は「Ｑドット」と呼ぶ。適切な材料の例は、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｕＩｎＳ_２、ＣｕＩｎＳｅ_２、Ｓｉ、Ｇｅ、及び可視光のバンドギャップを有する、すなわちいくつかの実施形態では２．０ｅＶ以下のバンドギャップに近いバンドギャップを有する、任意の半導体材料を含む。いくつかの実施形態では、ナノ構造材料は、遷移金属イオン及び／又は希土類金属イオンでドープされた発光ナノ構造材料であり、同様に狭い波長範囲内で適切な赤色光を放射することができる。本明細書において、これらの材料を「ドープされたドット」又は「Ｄドット」と呼ぶ。適切な材料の例は、ドーパントを含む任意の上記に掲げる量子ドット材料、ＣｕでドープされたＺｎＳｅ、ＭｎでドープされたＺｎＳｅ、ＣｕでドープされたＣｄＳ、及びＭｎでドープされたＣｄＳを含む。

ナノ構造材料粒子は、いくつかの実施形態では少なくとも２ｎｍ、いくつかの実施形態では２０ｎｍ以下、いくつかの実施形態では５０ｎｍ以下、いくつかの実施形態では１００ｎｍ以下の平均直径を有する。ナノ構造材料の粒子は、いくつかの実施形態では少なくとも５％、いくつかの実施形態では３０％を超える粒度分布を有する。例えば、粒子の直径は、いくつかの実施形態では平均直径の＋／−５％の間で、いくつかの実施形態では平均直径の＋／−３０％の間で異なる。対照的に、従来の粉末蛍光体は、多くの場合１μｍ以上の粒子サイズを有する。大多数の蛍光体粒子、例えば９９％を超える蛍光体粒子は、２０ｎｍを超える直径を有する。加えて、ナノ構造材料では、吸収波長及び発光波長等の光学特性は粒子のサイズによって異なる。粉末蛍光体では、同じ材料の異なるサイズを有する２つの粒子は、通常、同じ吸収波長及び発光波長を有する。

量子ドット等のナノ構造粒子は、通常、処理を容易にするリガンド（例えば、リガンドなしでは、粒子は大きな塊を形成するために互いに融着する恐れがある）に付着される。リガンドは任意の適切な材料である。適切なリガンドの例は、カルボン酸、及びオレイン酸又はトリオクチルホスフィン等のホスフィンで官能化されたアルカン系分子を含む。

いくつかの実施形態では、ナノ構造材料は、狭い波長帯域の光を放射する。例えば、ナノ構造材料は、いくつかの実施形態では少なくとも２０ｎｍ、いくつかの実施形態では６０ｎｍ以下の半波高全幅値を有する。赤色放射ナノ構造蛍光体によって放射されるピーク波長は、粒子の組成及び／又はサイズを選択することにより調整されることができる。ナノ構造材料の波長可変性は、粒子内部の励起子の閉じ込めに起因する。ナノ構造材料は、可視光の散乱をほとんど又は全く示さない。

ナノ構造材料の利用は、デザインの課題を提示する。第１に、ナノ構造材料の高い表面積対体積比のために、これらナノ構造材料の構造的及び化学的特性は、酸素及び水分の存在で変化し得る。こうした変化は、ナノ構造材料の光学特性を望ましくなく変える恐れがある。

第２に、吸収特性及び発光特性等の光学特性は、温度の上昇により低下し得る。例えば、ナノ構造波長変換材料によって放射されるピーク波長は、ナノ構造波長変換材料の本来の特性に起因して、温度の上昇に伴って望ましくなくシフトする恐れがある。加えて、ナノ構造波長変換材料によって放射されるピーク強度は、温度に伴って減少し得る。最先端の高輝度ＬＥＤは、電気エネルギの光子エネルギへの変換の間、熱を発生する。例えば、現在の高輝度ＬＥＤのジャンクション温度は、３５０ｍＡの電流で運転されるとき、約８５℃である。こうした温度は、ナノ構造材料が直接ＬＥＤに取り付けられる場合、ナノ構造材料の光学性能に影響を及ぼす恐れがある。

本発明の実施形態では、ＬＥＤ及びナノ構造波長変換材料は、ナノ構造波長変換材料からの熱を効率的に除去し、酸素及び水分からナノ構造材料を保護するためにパッケージされる。以下の図は本発明の実施形態を示す。

予備事項として、１以上のＬＥＤ等の半導体装置が供給される。任意の適切なＩＩＩ族窒化物ＬＥＤを用いることができ、こうしたＬＥＤはよく知られている。以下の例では、半導体発光装置は、青色光又はＵＶ光を放射するＩＩＩ族窒化物ＬＥＤであるが、レーザダイオード等のＬＥＤ以外の半導体発光装置、及び他の材料系、例えば他の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系材料等から形成される半導体発光装置を用いてもよい。

以下の図におけるＬＥＤ１０は、例えば光の大部分をＬＥＤの上面から放射するフリップチップ装置である。こうしたＬＥＤを形成するため、従来技術で知られているように、まず成長基板上でＩＩＩ族窒化物半導体構造体が成長される。成長基板は、例えばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、又は複合基板等の、任意の適切な基板である。半導体構造体は、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。ｎ型領域が最初に成長され、ｎ型領域は様々な組成及びドーパント濃度の多数の層を含み、これらの多数の層は、例えば、ｎ型であっても又は意図的にドープされていなくてもよい、バッファ層や核生成層等の準備層及び／又は成長基板の除去を促進するための層と、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特性、材料特性又は電気特性を有するｎ型又は更にｐ型のデバイス層と、を含む。発光領域すなわち活性領域は、ｎ型領域の上を覆って成長させられる。適切な発光領域の例は、単一の厚い若しくは薄い発光層、又はバリア層によって分離されている多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、発光領域の上を覆ってｐ型領域が成長させられる。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又はｎ型層である複数の層を含む、様々な組成、厚さ及びドーパント濃度の多数の層を含む。装置における半導体材料全ての全体の厚さは、いくつかの実施例では１０μｍ未満であり、いくつかの実施例では６μｍ未満である。

金属ｐ端子は、ｐ型領域上に形成される。フリップチップ装置におけるように、光の大部分が半導体構造体から出てｐ端子と反対面を通って向けられる場合、ｐ端子は反射性である。フリップチップ装置は、標準のフォトリソグラフィ工程によって半導体構造体をパターニングし、金属ｎ端子が形成されるｎ型領域の表面を露わにするメサを形成するよう、ｐ型領域の厚み全体の一部及び発光領域の厚み全体の一部を除去するために、半導体構造体をエッチングすることにより形成される。メサ並びにｐ端子及びｎ端子は、任意の適切な態様で形成される。メサ並びにｐ端子及びｎ端子の形成は、当業者によく知られている。

半導体構造体は、ｐ端子及びｎ端子を通じて、支持体に接続される。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、ＬＥＤ１０が取り付けられる構造体に取り付けるのに適切な、自己支持構造体である。例えば、支持体は、リフロー半田付けが可能である。任意の適切な支持体が利用される。適切な支持体の例は、半導体構造体との電気的接続を形成するための伝導性ビアを有するシリコンウェハ等の絶縁若しくは半絶縁のウェハを含み、厚い金属ボンディングパッドが、例えばメッキ、若しくはセラミック、金属、又は他の適切なマウントにより半導体構造体上に形成される。成長基板は除去されてもよく、又は装置の一部として残存してもよい。成長基板を除去することによって露出した半導体構造体は、光の取出しを増やすために、粗化され、パターン化され、又はテクスチャ加工される。

以下の図におけるナノ構造波長変換層１２は、上述のＱドット又はＤドット等の発光材料と、ナノ構造発光材料が配置されるマトリックス材料とを含む。ナノ構造発光材料は、マトリックス内に不規則的に又は規則的に配置されるＱドット又はＤドットである。ナノ構造波長変換材料粒子は、マトリックスと結合（共有若しくはイオン、又は配位）されても、機械的又は物理的にマトリックス内にトラップされてもよい。いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換材料の粒子は、近接粒子が物理的に相互に接触する最密充填又は規則配列された膜へと形成される。ナノ構造粒子の規則配列された膜は、例えば溶媒中に粒子を懸濁させ、次いで粒子を溶媒が乾燥するとともに規則配列された膜へと沈降させることにより、自己組織化させることができる。あるいは、ナノ構造粒子の規則配列された膜は、ナノ構造粒子を当該粒子と混和しない液面上に浮遊させることによって形成されてもよい。粒子が浮遊するとともに、当該粒子は物理的に押し合われ、次いで基板上に規則配列されたアレイとして転写され、これは次いで以下に説明するアレンジメントの１つにおいて用いられることができる。

いくつかの実施形態では、ある粒子の別の粒子への近接近は、近接する粒子が互いの蛍光特性を消し又はピーク放射波長を変える恐れがあるので、望ましくない。例えば、近接する粒子の間隔が近くなると、放射波長はより赤色にシフトされる。近接する粒子の間隔は、いくつかの実施形態では少なくとも５ｎｍ、いくつかの実施形態では少なくとも１０ｎｍ、いくつかの実施形態では少なくとも２０ｎｍ、いくつかの実施形態では１００ｎｍ以下、いくつかの実施形態では５００ｎｍ以下、いくつかの実施形態では１μｍ以下である。

いくつかの実施形態では、ナノ構造材料粒子は、他のナノ構造材料粒子を反発するシェルで被覆される。いくつかの実施形態では、マトリックスは混和性の態様で、近接する粒子の十分な隔離（すなわち、ナノ構造粒子の凝集又はクラスタリングのない隔離）を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、膜の形成又は装置の動作中にナノ構造粒子の凝集を引き起こすマトリックス材料は、回避される。いくつかの実施形態では、温度に対し光学的及び化学的に安定で、装置の動作中にマトリックス材料の形状を維持するマトリックス材料と、ブルーフラックスと、ナノ構造粒子のイオン化（イオン化とは、ナノ構造材料がナノ構造粒子の表面から電子を放射することを指す）とが用いられる。

適切なマトリックス材料の例は、例えば、空気若しくは誘電材料（ポリマー又はセラミック)、有機材料（ポリエチレン（ＨＤＰＥ、ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン、ポリハロゲン化ビニル、ポリスチレン、ポリハロゲン化ビニリデン、ポリアルキルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロフルオロエチレン、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、セルロースアセテートブチレート、ニトロセルロース、アクリロニトリルブタジエンスチレンポリビニルホルマール、シリコーン、ポリスルホン、サーマノックス、熱可塑性エラストマー、ポリメチルペンテン、パリレン等）、架橋ポリマー、無機材料（ゾルゲル法に基づくシリカ、チタニア、ジルコニア、又はこれらの組合せ及びガラスセラミックス等）、又は複合材料である。複合材料は、特定の特性に対し最適化された材料の混合物を含む。例えば、ガラスビーズは、ポリマー単独と比べて粘度の高まった混合物を形成するために、ポリマーと混合される。別の実施形態では、所望の溶解度を有する混合物を形成するために、シリコーンが有機ポリマーと混合される。いくつかの実施形態では、所望のガラス転移温度、屈折率、及び融点等の特性を有する材料を形成するために、無機材料が有機材料又はシリコーン材料と混合される。

複合材料は、誘電材料及び／又は少なくとも１次元、２次元、又は３次元においてナノメートルスケールである特定の材料を含む金属材料の組合せであってもよい。例えば、クレイナノ粒子／ポリマー、金属ナノ粒子／ポリマー、及びカーボンナノ粒子／ポリマーのナノコンポジットが適切である。適切なナノコンポジットは、市販で入手可能である。例えば、ナイロンナノコンポジット, ポリオレフィンナノコンポジット、Ｍ９（三菱）、デュレタン（Durethan）ＫＵ２−２６０１（バイエル（Bayer））、イージス（Aegis）ＮＣ（ハネウェル（Honeywell））、イージス（Aegis）ＴＭ Ｏｘ（低酸素透過率−ハネウェル（Honeywell）)又はフォルテナノコンポジット（Forte nanocomposites）（ノーブル（Noble）)、及び上記の材料の組合せを用いることができる。ナノマーズ（Nanomers）（ナノコール（Nanocor））、クロサイト（closite）（サザンクレイプロダクツ（Southern Clay products））、ベントン（Bentone）（エレメンティス（Elementis））、ポリマー・ペレット（Polymer-pellet）（ポリワン（PolyOne）、クラリアント（Clariant）、ＲＴＰ）、ナノフィル（Nanofil）（シュド・ケミー（Sud-Chemie））、プラノマーズ（Planomers）（ＴＮＯ）、プラノカラーズ（Planocolors）（ＴＮＯ）、プラノコーティングス（PlanoCoatings）（ＴＮＯ）等のナノクレイナノコンポジットは、単独で又は他の材料との組み合わせにおいて用いられることができる。例えば、優れた透明性及びバリア特性を提供し得るプラノコーティングス（PlanoCoatings）は、熱的安定性を提供し得るプラノマーズ（Planomers）と組み合わされることができる。サンカラーコーポレーション（Suncolor Corporation）（ＨＴＬＴ１０７０又はＨＴＬＴ１０７０ＡＡ）からの１つの又は複数のポリマー及びナノ材料の組合せの複合材料は、可視波長（３８０ｎｍ−７８０ｎｍ）における優れた透明性及び高いガラス転移温度を提供する。

ある実施例では、ナノ構造波長変換材料は、ＣｄＺｎＳのシェル内に配置されるＣｄＳｅの量子ドットを含む。マトリックスは脂肪族アクリレート又はシリコーンである。ナノ構造波長変換層１２は１００μｍの厚さである。最近接のナノ構造粒子は、少なくとも５ｎｍ、かつ２００ｎｍ以下で離間される。ナノ構造波長変換層１２は、ＣｄＳｅ／ＣｄＺｎＳのコアシェル材料を、ブレードコート、ドロップキャスト、又は他のやり方で基板上に分配される粘性のある膜を形成するための、マトリックス材料と混合することにより形成される。

図２、図４、図５、図６、及び図７において示される例では、ナノ構造波長変換層はＬＥＤ１０から離間される。多くの場合ナノ構造波長変換層ではなく、例えば粉末又はセラミック蛍光体層である、第２波長変換層は、ＬＥＤ１０とナノ構造波長変換層１２との間に配置される。

図２は、ナノ構造波長変換層を含む装置の例を示す。波長変換層１６は、ＬＥＤ１０に近接近してＬＥＤ１０の上面を覆って形成される。波長変換層１６は、１以上の従来の蛍光体、有機蛍光体、有機半導体、ＩＩ−ＶＩ族若しくはＩＩＩ−Ｖ族半導体、染料、ポリマー、又は他の発光材料である。ガーネット系蛍光体、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３Ａｌ_５−ｘＧａ_ｘＯ_１２：Ｃｅ、（Ｂａ_１−ｘＳｒ_ｘ）ＳｉＯ_３：Ｅｕ（ＢＯＳＥ）、窒化物系蛍光体、（Ｃａ，Ｓｒ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、及び（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、を含むがこれらに限定されない、任意の適切な蛍光体を用いることができる。波長変換材料１６は、単一の波長変換材料、又は共に混合される若しくはＬＥＤ１０の上部で別個の層に配置される複数の波長変換材料を含んでよい。波長変換層１６は、例えば電気泳動堆積法により形成される粉末蛍光体層、ＬＥＤ１０の上を覆って成型、スクリーン印刷、スプレーコート、若しくは注入される、シリコーン若しくはエポキシ等の透明バインダ材料と混合された染料若しくは粉末蛍光体、又はセラミック蛍光体若しくはガラス、シリコーン、若しくは他の透明材料内に埋め込まれた蛍光体若しくは染料等の前もって作製された波長変換層である。波長変換層１６の厚さは、用いられる材料及び堆積技術に依存する。波長変換層１６はいくつかの実施形態では少なくとも２０μｍの厚さであり、いくつかの実施形態では５００μｍ以下の厚さである。

ＬＥＤ１０及び波長変換層１６は、反射容器２０の底に配置される。反射容器２０は、長方形、円形、円錐形、又は任意の他の適切な形状である。反射容器２０は、例えばポリマー、金属、セラミックス、誘電材料、複数の材料の組合せ、又は任意の他の適切な材料で形成される。いくつかの実施形態では、反射容器２０は、反射容器２０内の構造体から熱を遠ざけて伝導するために、少なくとも１つの熱伝導性材料から形成され又は少なくとも１つの熱伝導性材料を含む。いくつかの実施形態では、反射容器２０は、ヒートシンクとして構成され、又はヒートシンクに熱的に接続される。図２は反射容器２０内に配置される１つのＬＥＤ１０を示すが、いくつかの実施形態では、単一の反射容器内に複数のＬＥＤ１０が配置される。

ナノ構造波長変換層１２は、例えば反射容器２０の上部開口部に亘り、ＬＥＤ１０及び波長変換層１６から離間される。波長変換層１６の上部（又はＬＥＤ１０の上部）とナノ構造波長変換層１２の底部との間隔ｈは、いくつかの実施形態では少なくとも１ｍｍ、いくつかの実施形態では少なくとも２ｍｍ、いくつかの実施形態では５ｍｍ以下、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下である。上述のとおり、ナノ構造波長変換層１２は、マトリックス１４内に配置されるナノ構造波長変換材料１３を含む。ナノ構造層１２の全体の厚さは、いくつかの実施形態では少なくとも１０μｍ、いくつかの実施形態では少なくとも２０μｍ、いくつかの実施形態では２００μｍ以下、いくつかの実施形態では２ｍｍ以下である。

ナノ構造波長変換層１２は、例えば、ディップコーティング、スピンコーティング、ドロップキャスティング、インクジェット印刷、スクリーン印刷、スプレーコーティング、ブラッシング、積層、電着、蒸着、押出し、スピニング、カレンダリング、加熱成形、注型、及び成型のうちの１以上の処理技術によって形成される。例えば、ナノ構造波長変換材料は、液状有機ポリマー又はシリコーン等のマトリックスと混合される。混合物は上記に掲げる方法の１つを用いて誘電材料１８の上を覆って配置される。あるいは、混合物は透明板又は透明膜等の基盤上に配置されてもよく、当該基板は次いで誘電材料１８の上を覆って配置される。膜は、ナノ構造粒子が懸濁される液体マトリックス材料を固体材料に変えるために、熱及び／又はＵＶ及び／又は雰囲気内若しくは不活性環境内又は必要に応じた特別な環境内の圧力を用いて処理され、及び／又は硬化される。膜は成形され、又は余分な材料が切削、トリミング、研磨、機械的締付ボンディング、溶接封止、電気めっき真空メタライジング、印刷、スタンピング、又は彫刻等の１以上の処理によって除去される。いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換層１２は薄い透明基板上に形成され、当該基板は、当該基板上にナノ構造波長変換膜１２を形成する前又は後に、誘電材料１８に取り付けられる。

いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換層からの放熱を強化するために、熱を伝導する金属又はセラミックのワイヤがナノ構造波長変換層１２上又はナノ構造波長変換層１２内に形成される。ワイヤは、例えば、いくつかの実施形態では幅少なくとも１μｍ、いくつかの実施形態では幅１００μｍ以下、いくつかの実施形態では幅１ｍｍ以下であり、いくつかの実施形態では厚さ少なくとも１μｍ、いくつかの実施形態では厚さ少なくとも１０μｍ、いくつかの実施形態では厚さ１００μｍ以下である。ワイヤはいくつかの実施形態では少なくとも１ｍｍで、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下で、いくつかの実施形態では２０ｍｍ以下で離間される。ワイヤは、いくつかの実施形態では＞９０％の反射率である。ワイヤはマトリックス層１４内に形成され、例えば不規則的に、平行に、又は他の態様で任意の適切なアレンジメント内に配置される。図３Ａ及び図３Ｂにおいて、ワイヤ２２に対するパターンの２つの例が示される。いくつかの実施形態では、ワイヤ２２はヒートシンクとしての機能を果たし、又はヒートシンクに熱的に接続される反射容器２０に熱を伝導する。ワイヤは例えばスクリーン印刷、スパッタリングに次ぐリソグラフィによる適切な材料へのパターン形成、又はシャドーマスクを通じた適切な材料の蒸発によって形成される。例えばアルミニウム、銅、銀、及び銀コート銅を含む任意の適切な導電材料が、ワイヤ２２のために用いられる。

いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換層１２と波長変換層１６との間隔は、全体的に又は部分的に誘電材料１８で充填される。誘電材料１８は例えば雰囲気ガス、空気、セラミック、アルミナ、ポリマー、又はナノ構造波長変換層１２のマトリックスのための上述の材料の１つ若しくは組合せである。誘電材料１８の材料は熱を伝導するように選択され、又は誘電材料１８内に熱伝導性材料が配置されてもよい。いくつかの実施形態では、図３Ａ及び図３Ｂについての説明において上述される１以上のワイヤ２２は、ナノ構造波長変換層１２上又はナノ構造波長変換層１２内に配置されるワイヤの代わりに又は加えて、誘電材料１８内に埋め込まれる。

図４において示される装置では、波長変換層１６はＬＥＤ１０の側面を覆って広がる。

図５は、ナノ構造波長変換層を含む装置の別の実施形態を示す。ＬＥＤ１０、ナノ構造波長変換層１２、波長変換層１６、誘電材料１８、及び反射容器２０の詳細は、前記と同様である。ナノ構造波長変換層１２及び波長変換層１６は、共にＬＥＤ１０から離間される。波長変換層１６は、ＬＥＤ１０とナノ構造波長変換層１２との間に配置される。波長変換層１６はＬＥＤ１０から距離ｈ２で離間され、距離ｈ２はいくつかの実施形態では０ｍｍを超え、いくつかの実施形態では少なくとも１ｍｍ、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下、いくつかの実施形態では２０ｍｍ以下である。波長変換層１６とＬＥＤ１０との間隔は誘電体１８で充填される。ナノ構造波長変換層１２は波長変換層１６から距離ｈ１で離間され、距離ｈ１はいくつかの実施形態では０ｍｍを超え、いくつかの実施形態では少なくとも１ｍｍ、いくつかの実施形態では５ｍｍ以下、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下である。ナノ構造波長変換層１２と波長変換層１６との間隔は、任意の上述の適切な誘電材料である誘電体２４で充填される。誘電材料１８及び誘電材料２４は、いくつかの実施形態では異なる材料であり、いくつかの実施形態では同じ材料である。いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換層１２及び波長変換層１６の位置は、ナノ構造波長変換層１２がＬＥＤ１０と波長変換層１６との間に配置されるように入れ替えられる。

図６は、ナノ構造波長変換材料を含む装置の別の実施形態を示す。ＬＥＤ１０、誘電材料１８、及び反射容器２０の詳細は、前記と同様である。図６に示される装置は、単一の波長変換領域２６を有する。この領域は、ナノ構造波長変換材料及び従来の波長変換材料を共に含む。いくつかの実施形態では、波長変換領域２６は、上述のナノ構造波長変換層１２及び波長変換層１６を含み、互いに接触して相互に積層して形成され、どちらの層も波長変換領域２６の上部にある。いくつかの実施形態では、波長変換領域２６は共に混合されたナノ構造波長変換材料及び追加の波長変換材料を含む。こうした混合された波長変換層は、任意の上述の技術によって、任意の上述のマトリックス材料で形成される。波長変換領域２６は、いくつかの実施形態では厚さ少なくとも２０μｍ、いくつかの実施形態では厚さ少なくとも５０μｍ、いくつかの実施形態では厚さ１００μｍ以下、いくつかの実施形態では厚さ２０ｍｍ以下である。波長変換領域２６はＬＥＤ１０から距離ｈ３で離間され、距離ｈ３はいくつかの実施形態では０ｍｍを超え、いくつかの実施形態では少なくとも１ｍｍ、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下、いくつかの実施形態では２０ｍｍ以下である。

上述のとおり、酸素及び水分はナノ構造波長変換材料の性能に不利に影響し得る。上記の装置内のナノ構造波長変換材料は、例えば、適切なマトリックス材料の選択によって、ナノ構造波長変換層の上を覆って保護層を形成することによって、又はナノ構造波長変換層を封止することによって、保護されることができる。

いくつかの実施形態では、ナノ構造波長変換材料１３は、酸素透過性及び透湿性の低いマトリックス材料１４内に埋め込まれる。例えば、酸素透過性及び透湿性の低い適切な材料は、例えばガラス、セラミックス、ゾルゲル法に基づくチタニア、シリカ、アルミナ並びにジルコニア、及び酸化亜鉛等の無機材料を含む。加えて、いくつかのポリマーは適度に低い酸素透過性及び透湿性を示す。次の表１は、適切な材料とこれらの酸素透過性及び透湿性をリストする。適切なポリマー及びナノ構造波長変換材料の混合材料は、ナノ構造波長変換層を通じた酸素及び水分の浸透を抑制し又は減少させることができる。いくつかの実施形態では、透湿度は１０^−６ｇ／ｍ^２／日以下、酸素透過度は１０^−３ｃｍ^３／ｍ^２／日／ａｔｍ以下である。

出典：IEEE Journal of Selected Topics
in Quantum Electronics, Vol. 10, No. 1, Jan 2004, p. 45.

いくつかの実施形態では、酸素及び水分の浸透を減少させるため、無機材料又は有機材料がナノ構造波長変換層上に配置される。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）上のＡｌ／アルミナ若しくはＳｉＯ_ｘのコーティング又は有機−無機ハイブリッドコーティングは、ナノ構造波長変換層を通じた酸素及び水分の浸透を共に減少させることができる。パリレンベースの化合物等の一部の適切なポリマーは、室温で蒸着され架橋されることができる。別の実施形態では、ナノ構造波長変換層を通じた酸素及び水分の透過率を減少させるため、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素／酸窒化物が、ナノ構造波長変換層上に配置される。こうしたコーティングは、例えばプラズマ化学気相成長法を含む任意の適切な方法によって配置される。

いくつかの実施形態では、図７に示されるように、ナノ構造波長変換層１２の周りに封止が形成される。誘電層３２はナノ構造波長変換層１２の底及び側面の周りに筐体を形成する。誘電層３４はナノ構造波長変換層１２の上部を覆って配置され、誘電層３２によって形成された筐体を封止する。誘電層３２は、例えばアルミナ、セラミック、又は任意の他の適切な材料である。誘電層３４は、例えばアルミナ、ガラス、又は任意の他の適切な材料である。誘電層３４の厚さｈ６は、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下である。図７に示される構造体は、上述のようにＬＥＤ１０の上を覆って配置される波長変換層１６を含む。誘電体３０は、ＬＥＤ１０及び波長変換層１６の周りに配置される。誘電体３０は、例えば空気、セラミック、ポリマー、又は任意の他の適切な材料である。波長変換層１６の上を覆う誘電層３０の厚さｈ７は、いくつかの実施形態では１０ｍｍ以下である。

いくつかの実施形態では、図８に示されるように、ナノ構造波長変換層１２の上を覆って反射層２８が配置される。波長変換層の厚さは、波長変換材料によってどれだけ多くのポンプ光が吸収されるかを決定する。蛍光体等の一部の波長変換材料によってもたらされる散乱は、波長変換層の光学的厚さを効率的に増加させる。ナノ構造波長変換材料はほとんど散乱をもたらさない。結果として、ナノ構造波長変換材料は、散乱材料を含む波長変換層よりもより厚くなければならない。厚い層は、薄い層よりも多く放熱しなければならないため、望ましくない。図８におけるリフレクタ２８は、ポンプ光の反射性がより高く、変換光の反射性がより低い。したがって、ポンプ光は反射されてナノ構造波長変換層１２に戻り、この光は、変換光がリフレクタ２８を通過する間に、ナノ構造波長変換層１２で変換されることができる。リフレクタ２８は、ナノ構造波長変換層１２の光学的厚さを効率的に倍増させ、所定の波長変換量に対しより薄い膜が形成されることを可能とする。いくつかの実施形態では、リフレクタ２８はダイクロイックのスタックである。

本発明を詳細に説明したが、本開示により当業者は、本明細書に記載される発明のコンセプトの趣旨から逸脱することなく、本発明に修正を加えることができることを理解するであろう。例えば、上記の実施形態においては、発光装置は半導体装置であるが、いくつかの実施形態では、有機ＬＥＤ、高圧ＵＶアークランプ、又は任意の他の適切な光源等の他の発光装置が用いられる。したがって、本発明の範囲が、例示及び説明された特定の実施形態に限定されることを意図しない。

Claims (27)

1. 半導体発光デバイスと、
   波長変換領域であり、
   ポンプ光を吸収して変換光を放つように構成されたナノ構造波長変換材料であり、長さ１００ｎｍ以下の少なくとも１つの次元を持つ粒子を有するナノ構造波長変換材料、及び
   前記ナノ構造波長変換材料が中に配置された透明マトリックス、
   を有する波長変換領域と、
   を有し、
   前記波長変換領域と前記半導体発光デバイスとの間の間隔が、０ｎｍよりも大きく且つ１０ｍｍ以下である、
   構造体。
2. 前記波長変換領域は更に蛍光体を有する、請求項１に記載の構造体。
3. 前記蛍光体は、前記ナノ構造波長変換材料と前記半導体発光デバイスとの間に配置されている、請求項２に記載の構造体。
4. 前記蛍光体は、前記ナノ構造波長変換材料と直接接触しておらず、前記半導体発光デバイスと直接接触していない、請求項３に記載の構造体。
5. 前記蛍光体は、前記ナノ構造波長変換材料と直接接触している、請求項２に記載の構造体。
6. 前記蛍光体は、前記透明マトリックス内で前記波長変換材料と混ぜ合わされている、請求項５に記載の構造体。
7. 前記蛍光体はガーネット系である、請求項２に記載の構造体。
8. 前記ナノ構造波長変換材料は、第１の層内で前記透明マトリックス内に配置され、前記蛍光体は第２の層内に配置され、前記第１の層は前記第２の層と直接接触している、請求項２に記載の構造体。
9. 前記透明マトリックスは、有機ポリマー及びシリコーンのうちの１つである、請求項１に記載の構造体。
10. 前記半導体発光デバイスは、反射容器の中に配置されている、請求項１に記載の構造体。
11. 前記ナノ構造波長変換材料は、赤色光を放つように構成されている、請求項１に記載の構造体。
12. 前記波長変換領域と前記半導体発光デバイスとの間に配置された誘電材料、を更に有する請求項１に記載の構造体。
13. 前記波長変換領域と直接接触した少なくとも１つのワイヤ、を更に有する請求項１に記載の構造体。
14. 前記少なくとも１つのワイヤは、ヒートシンクに熱的に接続される、請求項１に記載の構造体。
15. 酸素の浸透及び水分の浸透のうち一方を抑制するよう前記波長変換領域上に配置されたコーディング、を更に有する請求項１に記載の構造体。
16. 前記コーディングは、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素からなる群から選択されている、請求項１５に記載の構造体。
17. 前記コーディングは、パリレンベースの化合物である、請求項１５に記載の構造体。
18. 前記ナノ構造波長変換材料は、長さ１００ｎｍ以下の少なくとも１つの次元を持つ粒子を有する、請求項１に記載の構造体。
19. 前記ナノ構造波長変換材料は更に、前記ポンプ光の反射がより多く且つ前記変換光の反射がより少ないように構成されたリフレクタを有する、請求項１に記載の構造体。
20. 半導体発光デバイスと、
    透明マトリックス内に配置されたナノ構造波長変換粒子及び蛍光体材料を有する波長変換領域であり、前記ナノ構造波長変換粒子は、長さ１００ｎｍ以下の少なくとも１つの次元を持つとともに、ポンプ光を吸収して変換光を放つように構成される、波長変換領域と、
    前記ポンプ光の反射がより多く且つ前記変換光の反射がより少ないように構成された、前記波長変換領域上に配置されたリフレクタと、
    前記波長変換領域と前記半導体発光デバイスとの間の、０ｍｍよりも大きく且つ１０ｍｍ以下である間隙と、
    を有する構造体。
21. 前記間隙は誘電材料を有する、請求項２０に記載の構造体。
22. 前記波長変換領域と直接接触し且つヒートシンクに熱的に接続された少なくとも１つのワイヤ、を更に有する請求項２０に記載の構造体。
23. 酸素の浸透及び水分の浸透のうち一方を抑制するよう前記波長変換領域上に配置されたコーディング、を更に有する請求項２０に記載の構造体。
24. 前記コーディングは、アルミナ、シリカ、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素からなる群から選択されている、請求項２３に記載の構造体。
25. 前記コーディングは、パリレンベースの化合物である、請求項２３に記載の構造体。
26. 前記蛍光体材料は、前記透明マトリックス内で前記波長変換材料と混ぜ合わされている、請求項２０に記載の構造体。
27. 前記蛍光体材料はガーネット系蛍光体を有する、請求項２０に記載の構造体。
    

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