JP5284273B2 - フィルタを含む発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、フィルタを含む半導体発光デバイスに関する。

半導体発光デバイス、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）は、現在利用できる最も効率的な光源の１つである。可視スペクトルにわたって作動できる高輝度ＬＥＤの製造に現在関心がよせられている材料システムとして、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特にＩＩＩ族窒化物材料とも称されるガリウム、アルミ、インジウムおよび窒素の二元、三元および四元合金と、ガリウム、アルミ、インジウム、ヒ素およびリンの二元、三元および四元合金を含む。金属有機化学的気相（ＭＯＣＶＤ）分子ビームエピタキシー技術（ＭＢＥ）または他のエピタキシャル技術により、サファイア、シリコンカーバイドまたはＩＩＩ族窒化物基板上にＩＩＩ族窒化物デバイスがエピタキシャル成長され、ヒ化ガリウム上にＩＩＩ族リン化デバイスをエピタキシャル成長することが多い。また、基板にｎタイプの領域をデポジットし、次にこのＮタイプの領域にアクティブ領域をデポジットし、次にこのアクティブ領域にＰタイプの領域をデポジットすることが多い。Ｐタイプ領域が基板に隣接するように、これら層の順序を逆にしてもよい。

半導体発光デバイスチップ、例えば発光ダイオードから放出される光のカラーは、チップから放出される光の光路内に波長変換材料を置くことによって変えることができる。この波長変換材料は、例えば蛍光体とすることができ、これら蛍光体は励起エネルギー（通常放射エネルギー）を吸収し、ある時間の間、このエネルギーを蓄積できるルミネッセンス材料である。次に、蓄積されたエネルギーは、初期の励起エネルギーとは異なるエネルギーの放射として放出される。例えば「ダウン変換」とは、放出される放射が初期冷気放射よりも低い量子エネルギーを有する状況を意味する。光のカラーを赤色にシフトした場合、エネルギー波長は効果的に長くなる。

白色光を放出する発光ダイオードを製造する一般的な方法は、黄色光を放出する蛍光体、例えばＹ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋と、青色光を放出する青色ＬＥＤチップとを組み合わせることである。黄色の蛍光体により変換された光と蛍光層を通ってリークする無変換の青色光との組み合わせ光は、白色のように見える。これら組み合わされた光のカラー特性は、特定の波長の青色光を放出するＬＥＤだけを選択し、青色光のリーク量および蛍光体の変換量を制御するように、蛍光体の層の厚さを変えることによって制御される。このような方法は、所望するレンジ外の波長で青色光を放出する多数のＬＥＤを利用できず、その結果、青色光のリーク量および蛍光体の変換量を精密に制御することは困難であるので、光の相関化された色温度（ＣＣＴ）に大きなバラツキが生じる。今日販売されている蛍光体で変換されるＬＥＤのＣＣＴは、５５００Ｋから８５００Ｋまで変わり得る。認識可能な色の差は組み合わされた光のＣＣＴによって決まる。６５００Ｋでは、見ている者には３００Ｋほどの小さい差でも明らかである。多くの応用例では、部品間のＣＣＴの大きなばらつきは許容できないものとなる。

本発明の実施形態によれば、ｎタイプ領域とｐタイプ領域の間に配置された発光領域を含む半導体構造が、提供される。発光領域は、第１の光、例えば一部の実施形態では、青色光を発生するようになっており、第１の光の光路内には発光領域によって発生された第１の光の一部を吸収し、第２の光、一部の実施形態では黄色光を発生するようになっている波長変換材料が配置されている。第１の光および第２の光の光路内にはフィルタが配置されており、一部の実施形態ではこのフィルタは、所定の強度よりも大きい強度の第１の光の一部を吸収するか、または反射する。一部の実施形態では、フィルタは第２の光の一部を吸収するか、または反射する。一部の実施形態では、第１の光および第２の光の光路内に、ある量のフィルタ材料が配置されており、フィルタを通過する第１の光および第２の光のＣＣＴを検出する。検出されたＣＣＴを所定のＣＣＴに補正するのに、更にフィルタ材料を多く添加するか、またはフィルタ材料を除去してもよい。

青色を発生する半導体発光デバイスと黄色を発光する蛍光体とを組み合わせることによって、形成される白色光のＣＣＴを補正するのに、本発明の実施形態にかかわるフィルタを使用できる。

青色発光ＬＥＤと黄色発光蛍光体とを組み合わせたデバイス内で発生される、青色光および黄色光に対する蛍光体の厚さを関数とする強度およびＣＣＴおよび強度のグラフである。 本発明の実施形態に係わるフィルタ材料に対する入力フルエンスを関数とする出力フルエンスのグラフである。 フリップチップ実装された薄膜半導体発光デバイスの上に配置されたコンフォーマルな波長変換層と、コンフォーマルなフィルタ層とを示す。 フリップチップ実装された薄膜半導体発光デバイスの上に配置されたセラミック波長変換層と、フィルタ層とを示す。 蛍光体により変換された光を発生する半導体発光デバイスの上に配置されたレンズの上に配置されるフィルタ層を示す。 蛍光体で変換された光を発生する半導体発光デバイスの上に配置された封入物に配置されたフィルタ材料を示す。

本発明の実施形態によれば、発光デバイスはデバイスが発生したスペクトルから所望しない光を除去するためのフィルタを含む。このフィルタの使用により、蛍光体によって変換された、半導体発光デバイスから放出される組み合わされた光のＣＣＴの制御を改善できる。

黄色発光蛍光体と組み合わされた青色発光デバイスによって発生される組み合わされた光のＣＣＴは、デバイスが発生する青色光の波長、組み合わされた光のうちの青色光の量、および組み合わされた光のうちの黄色光の量を変えることによって変更できる。

一部の実施形態では、フィルタ材料は組み合わされた光内の青色光の量をキャッピングすることにより、組み合わされた光のＣＣＴを変える。本発明者たちは、蛍光体によって発生される光の強度は、蛍光体の厚さとリニアに変化するが、一方、蛍光体を通ってリークする無変換の光の強度は、蛍光体の厚さに対して指数関数的に変化することを発見した。図１は、蛍光体によって変換される発光デバイス内の青色光（図１内の菱形）および黄色光（図１では四角形）の双方に対する蛍光体の層の厚さを関数とする強度およびＣＣＴのグラフである。三角形は、組み合わされた光のＣＣＴを示す。図１に示されるように、蛍光体の厚さが厚くなるにつれ、組み合わされた光内の黄色光の強度は、リニアに低下する。蛍光体の厚さが厚くなるにつれ、組み合わされた光のうちの青色光の強度は指数関数的に低下する。蛍光体の厚さと青色光の強度との関係がリニアとなっていることにより、青色光の所望する強度を得ることが特に困難となっている。

図２は、青色光の強度をキャッピングできるフィルタ材料の挙動を示す。図２は、フィルタ材料に対する入力フルエンスを関数とする出力フルエンスのグラフである。図２に示されたフィルタ材料は、所定の入力強度スレッショルドよりも低い透明材料である。一旦入力強度スレッショルドに達すると、フィルタ材料は強度スレッショルドを越える光に対して不透明となる。したがって、このフィルタ材料は、しばしばリバース飽和吸収と称されるプロセスによって、スレッショルドレベルにてデバイスから発せられる青色光の強度をキャッピングする。

所定のスレッショルドレベルにて青色光の強度をキャッピングできる適当なフィルタ材料は、有機物でも無機物でもよく、フレレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓ）、ハイドロサーマル酸化亜鉛結晶およびデンドロンデコレーティッドポルフィリンを含む。

所定のスレッショルドレベルで青色光の強度をキャッピングできるフィルタ材料を使用するデバイスの波長変換層は、この波長変換層を通過する青色光のリーク量にかかわらず、ピーク効率で波長変換層が作動するように設計できる。一般に、蛍光体で変換された光を発生するデバイスの効率は、蛍光体の層を通ってリークする青色光の量が増加するにつれ、供給される電力の単位当たりに、抽出される光のルーメンに関して増加する。その理由は、蛍光体は、より低い吸収率で光をより効率的に発生するということ、および蛍光体の層がより薄くなると、半導体デバイスによる後方散乱および後の吸収のために、より少ない量の光しか失われないということの双方にある。青色光の大きなリークを可能にする薄い蛍光体の層を有するかかるデバイスでは、所定のスレッショルドレベルで青色光の強度をキャッピングできるフィルタ材料を使って、スペクトルから過剰で不要な青色光を除去できるので、フィルタ材料によって透過される組み合わされた光は、所望するＣＣＴを有する。

所定のスレッショルドレベルで青色光の強度をキャッピングできるフィルタ材料を使って、蛍光体の層の厚さと図１に示される蛍光体を通ってリークする青色光の強度との間の関係をリニアにすることもできる。かかるフィルタ材料を使用すると、蛍光体の層の厚さにより、組み合わされた光のＣＣＴをより容易に制御できる。その理由は、青色光の強度、したがってＣＣＴは、蛍光体の層の厚さと青色光の強度との関係が指数関数的ではなく、リニアであるとき、蛍光体の層の厚さの小さい変化にあまり影響を受けないことにある。

一部の実施形態では、フィルタ材料は青色光の波長を変えるか、または組み合わされた光のうちの青色光と黄色光との相対量を変えることにより、組み合わされた光のＣＣＴを変化させる。かかる実施形態では、フィルタ材料は透明材料内に混入された１つ以上の染料または顔料とすることができる。一部の例では、フィルタ材料は１つ以上の無機顔料を含み、これら無機顔料は発光デバイスからの高熱および高い光束で一般に安定している。適当な顔料として、Ｂａｙｆｅｒｒｏｘ（登録商標）またはＬａｎｘｅｓｓ社から入手できる酸化クロム顔料、またはＨｅｕｂａｃｈから入手できるＨｅｕｃｏｄｕｒ（登録商標）顔料を挙げることができる。フィルタ材料層の厚さおよび層内の染料または顔料の濃度は、どれだけ多くの光が吸収されるかを決定する。一部の実施形態では、フィルタ層はフィルタによる吸収を制限する。例えばフィルタに入射した光の少なくとも５０％、より好ましくはフィルタに入射した光の少なくとも７０％を透過するようにフィルタを構成できる。これと対照的に、ＲＧＢディスプレイ内で赤色光、緑色光または青色光をアイソレートするようになっている代表的なフィルタは、一般にフィルタに入射する光の３０％しか透過しない。

一例では、デバイスの上に波長変換材料を一旦配置すると、波長が変換された光とデバイスからの無変換の光との組み合わせのＣＣＴを測定し、次に顔料の必要なタイプおよび量を計算する。必要な量およびタイプの顔料を有するフィルタ量を、例えばインクジェットプリントによって形成する。かかるプロセスは、個々のデバイスで実行できるが、バッチでプロセスを実行することにより、スループットを高めることができる。例えばＣＣＴを測定し、ウェーハ内の個々の半導体デバイスを単一にする前、または個々の半導体デバイスが配置されているマウントのウェーハを単一にする前に、フィルタを形成できる。

別の例では、所望するＣＣＴを発生するように、フィルタ材料を当初過度に厚く形成する。フィルタ層を形成した後に、まず最初にデバイスのＣＣＴを測定し、所望するＣＣＴを発生するように、フィルタ材料を制御しながらで除去する。この方法とは異なり、所望するＣＣＴを生じるように、まず最初にフィルタ層を過度に薄く形成し、次にＣＣＴを測定し、所望するＣＣＴを発生するように追加フィルタ材料を制御しながら添加してもよい。

上記実施例のいずれにおいても、ＣＣＴを多数回測定し、所望するＣＣＴに達するまで、各測定の後でフィルタ材料を追加したり除いたりしてもよい。

所望するＣＣＴを発生するよう、フィルタ材料をアブレートするために、コンピュータ制御されたレーザートリミングプロセスを使用できる。デバイスをバッチで検査する場合、コンピュータ制御されたレーザーは、そのデバイスに対する個々のＣＣＴに応じて、そのデバイス用に特別に仕様を合わせた量だけ、各デバイスでフィルタ層をアブレートできる。

繰り返しプロセスで各デバイスを検査し、フィルタ材料を除去するか、またはシステムを１回構成し、すなわちＣＣＴの特定の変化を生じさせるのに除去しなければならないフィルタ材料の量が一旦既知となると、各デバイスを１回測定し、適当な量のフィルタ材料を除去することができる。除去すべき材料の量に応じて多数回のパスを使用することにより、フィルタ材料をアブレートしなければならない場合がある。この場合、各パスでは、少量の材料しか除去しない。多数回のパスを使用すると、レーザーでフィルタ材料を除去した場合のフィルタ材料内に樹脂が黒焦げになる危険性を低減できる。

レーザーアブレーションは、フィルタ材料の全範囲にわたって材料を均一に除去するのではなく、一部の領域ではアブレート後のフィルタ材料の層の厚さがより薄くなったり、別の領域ではより厚くなったりするように、一連のラインまたはスポットのフィルタ材料を除去しなければならない。一実施形態では、単一デバイスに対応し、ある場所では厚さが薄くなり、別の場所では厚くなり得る。変わらないままとなっている一部の領域におけるフィルタ材料の厚さにもかかわらず、フィルタ材料の平均厚さが薄くなるように、局部的な領域におけるフィルタ材料を部分的または完全に除去してもよい。波長変換部材の厚さを変えるのに、ラインまたはスポット以外のパターンも使用できる。

各デバイスのＣＣＴを測定するときに、ＣＣＴの空間マップを発生できる。このＣＣＴの空間マップをコンピュータ制御装置に提供することができ、フィルタ材料上の高いスポットをアブレートし、所望するＣＣＴを得るだけでなく、ＣＣＴを空間的により均一にする。

フィルタ材料を除去するのにレーザーアブレーション以外のプロセスも使用できる。例えば機械式および／または化学的エッチング、イオンビームまたは電子ビームアブレーションのような技術を使ってフィルタ材料を除いてもよい。

上記フィルタは任意の適当なコンフィギュレーションの発光デバイスおよび任意の適当なコンフィギュレーションの波長変換層と共に使用できる。本発明は、次の例に説明する材料、デバイスの配向または他の細部のみに限定されるものではないと理解すべきである。本発明の実施形態は、例えばＩＩＩ−Ｖ族材料、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族リン化物材料、およびＩＩ−ＶＩ族材料を含む任意の適当な発光デバイス材料系に適用できる。本発明の実施形態は、成長基板を取り除いた薄膜デバイス、半導体層の両面にコンタクトを有するデバイス、および半導体層の同一面にコンタクトを有するデバイス、例えば基板を通して光を抽出するフリップフロップおよびコンタクトを通して光を抽出するエピタキシアップ構造体を含む任意のデバイスの幾何学的形状に適用できる。本発明の実施形態は、米国特許第6,351,069号に記載されているような、樹脂内に配置された波長変換材料、米国特許第6,630,691号に記載されているように、上部に発光デバイスの層が成長されている単結晶のルミネッセンス基板、米国特許第6,969,703号に記載されているような薄膜の蛍光体の層、および米国特許第6,576,488号に記載されているような電気泳動デポジションによってデポジットされたコンフォーマル層、および米国公開特許出願第2005-0269582号に記載されているようなルミネッセンスセラミック層を含む任意のタイプの波長変換層に適用できる。米国特許第6,630,691号、同第6,696,703号、同第6,576,488号および同第6,650,044号だけでなく、米国公開特許出願第2005-0269582号も本明細書で参考例として援用する。

更に、フィルタ材料の特定のコンフィギュレーションは、波長変換材料または半導体発光デバイスの特定のコンフィギュレーションに限定される。以下説明する実施形態には、半導体発光デバイスと共に波長変換材料が示されている。本発明の実施形態によれば、任意の適当なフィルタのコンフィギュレーションと、波長変換層のコンフィギュレーションと、デバイスのコンフィギュレーションとを組み合わせることができる。

図３〜６は、半導体発光デバイス、波長変換層およびフィルタ層の適当なコンフィギュレーションの例を示す。図３は、フリップチップ実装されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスを示す。この発光デバイスは、コンフォーマルな波長変換層とコンフォーマルなフィルタ層とを含むが、このデバイスからは基板が除かれている。ＩＩＩ族窒化物半導体構造１０は、発光領域１２を含み、この発光領域はｎタイプ領域とｐタイプ領域の間に配置されている。ｎタイプ領域、発光領域およびｐタイプ領域の各々は、異なる組成およびドーパント濃度の多数の層を含むことができる。例えばｎタイプ領域およびｐタイプ領域は、反対の導電タイプ層または意図的にドープされていない層、プリパレーション層、例えばバッファ層または成核層、成長基板の後のレリース層または基板を除去した後に半導体構造を薄くすることを容易にするようになっているレリース層、および発光領域が効率的に発光するのに好ましい特定の光学的または電気的性質を有するように設計されたデバイス層を含むことができる。発光領域は単一の厚いか、または薄い発光層でもよいし、または異なる組成のバリア層によって分離された多数の薄い量子井戸層でもよい。

成長基板の上で半導体構造１０が成長した後に、最後に成長される導電タイプの領域（ｐタイプ領域であることが多い）および発光領域の一部をエッチングして除去し、最初に成長された導電タイプの領域（ｎタイプ領域であることが多い）を露出させる。ｎタイプ領域およびｐタイプ領域の露出した部分に金属コンタクト１３および１４を形成する。ｎ−インターコネクト１５およびｐ−インターコネクト１６により、マウント１８に半導体構造を電気的かつ物理的に接続する。マウント１８の実装後、成長基板材料に適したプロセス、例えばサファイア基板に対しては、レーザー溶融または研磨により、ＳｉＣまたは複合基板に対してはエッチングもしくは研磨により成長基板（図３には示されず）を除去することができる。成長基板の除去中の割れを防止または低減するために、半導体構造１０を支持するアンダーフィルを、マウント１８への半導体構造１０の接続中または接続後に半導体構造１０とマウント１８の間のオープンスペース内に配置することができる。成長基板除去により露出した、図３に示されている配向の半導体構造１０の頂部表面を、例えば光電気化学的エッチングによって薄くしてもよいし、または半導体構造１０からの光の抽出を強化するよう、フォトニック結晶のような特徴を有するように、凹凸形状またはテクスチャー形状としてもよい。

半導体構造１０の頂部および側面を覆うように、コンフォーマルな波長変換層２０を形成する。この波長変換層２０は、例えば電気泳動デポジションまたはステンシル法により形成された蛍光体の層とすることができる。上記フィルタ材料の１つ以上を含むことができるコンフォーマルなフィルタ層２２を、波長変換層２０の上に形成する。このフィルタ層２２は、例えば透明キャリア、例えばエポキシもしくはシリコーン内に配置されたフィルタ材料をインクジェットプリントまたはステンシルプリントすることにより形成してもよい。

図４は、フリップチップ実装されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスを示し、この発光デバイスからは成長基板が除かれているが、このデバイスはセラミック波長変換層とフィルタ層とを含む。半導体基板１０は、図３を参照してこれまで説明したようなマウント１８にフリップチップ実装された薄膜デバイスである。波長変換層２４は、半導体構造１０の露出した頂部表面の上に配置されたセラミック蛍光体である。このセラミック蛍光体の層２４は、例えば有機接着剤、例えばエポキシまたはシリコーン、１つ以上の高屈折率の無機接着剤、またはゾル−ゲルガラスにより、半導体構造１０に取り付けることができる。波長変換層２４の上には、上記フィルタ材料のうちの１つ以上を含むことができるフィルタ層２６が形成されている。フィルタ層２６は、例えばィンクジェットプリントによって形成してもよいし、または別個に製造した部材、例えばガラス、シリコーンまたは他の透明な固体内に配置されたフィルタ材料としてもよく、このフィルタ材料は、例えばエポキシまたはシリコーンのような有機接着剤、１つ以上の高屈折率の無機接着剤、もしくはゾル−ゲルガラスにより、セラミック蛍光体層２４に取り付けられる。

図５は、波長変換された光放出半導体構造の上に配置されたレンズに形成されたフィルタを示す。レンズ３０を含むパッケージ内に任意の適当な半導体構造１０および波長変換層２７を実装する。レンズ３０と半導体構造１０と波長変換層２０の間のスペース内に、シリコーンのような透明材料２８を配置できる。上記フィルタ材料のうちの１つ以上を含むことができるフィルタ層３２を、図５に示されるようにレンズ１０の外側表面にコーティングでき、このレンズ３０はガラス、プラスチックまたは他の任意の適当な透明材料とすることができる。これとは異なり、レンズ３０の内側表面にフィルタ層３２を形成してもよく、レンズ３０を形成するのに使用される材料内にフィルタ材料の粒子を混合してもよい。

図６は、波長変換された光を発生する半導体構造をコーティングする透明材料内に混合されたフィルタを示す。反射カップまたはリードフレームのようなパッケージ構造３６内に任意の適当な半導体構造１０および波長変換層２７が置かれている。フィルタ層３４は、上記フィルタ材料の１つ以上を含み、このフィルタ材料は透明材料と混合され、半導体構造１０および波長変換層２７の上にコーティングされている。

図３〜６の例として示されているフィルタ層は、上記のように添加材料を添加するか、またはアブレーションにより材料を除去することによって調節できる。一部の実施形態では、異なるコンフィギュレーションで形成された異なる波長変換材料および異なるコンフィギュレーションで形成された異なるフィルタ材料を単一のデバイス内で組み合わせることができる。

以上で本発明について詳細に説明したので、当業者であれば本明細書で説明した発明の要旨から逸脱する事なく、本発明に対して変形を行うことができると理解できよう。したがって、本発明の範囲はこれまで説明し、図示した特定の実施形態だけに限定すべきではない。

１０ 発光構造
１２ 発光領域
２０、２４、２７ 波長変換材料
２２、２６、３２、３４ フィルタ

Claims (9)

1. ｎタイプ領域とｐタイプ領域の間に配置されており、第１の光を発生する発光領域を含む半導体構造と、
   前記第１の光の光路内に配置されており、前記第１の光の一部を吸収し、第２の光を発生する波長変換材料と、
   前記第１の光の光路内に配置されており、ゼロでない所定の入力フルエンスよりも小さいとき透明な材料のフィルタであって、前記ゼロでない所定の入力フルエンスより大きい入力フルエンスで前記第１の光の一部を吸収または反射するフィルタとを備える、デバイス。
2. 前記半導体構造は、複数のＩＩＩ族窒化物層を含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１の光は、青色光を含み、前記第２の光は、黄色光を含む、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記波長変換材料は、蛍光体を含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記半導体構造の上に配置されたレンズを更に備え、前記フィルタはこのレンズの表面にコーティングされている、請求項１に記載のデバイス。
6. ｎタイプ領域とｐタイプ領域の間に配置されており、第１の光を発生する発光領域と、 前記第１の光の光路内に配置されており、前記第１の光の一部を吸収し、第２の光を発生する波長変換材料と、
   前記第１の光および前記第２の光の光路内に配置されており、ゼロでない所定の入力フルエンスよりも小さいとき透明な材料のフィルタであって、前記ゼロでない所定の入力フルエンスより大きい入力フルエンスで前記第１の光の一部を吸収または反射するフィルタとを含み、前記フィルタは、前記第２の光の一部を吸収または反射し、前記フィルタはこのフィルタに入射する光の少なくとも５０％を透過するようになっており、
   前記半導体変換材料は、前記半導体構造と前記フィルタとの間に配置されている、デバイス。
7. 前記フィルタは、第１フィルタであり、本デバイスは、更に前記第１の光および前記第２の光の光路内に配置された第１のフィルタを更に備え、前記第２のフィルタは、前記第１の光の一部を吸収または反射する、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記第１の光は、青色光を含み、前記第２の光は、黄色光を含む、請求項６に記載のデバイス。
9. 前記第１の光と前記第２の光とを含む複合光は、前記フィルタを通過した後に白色のように見える、請求項６に記載のデバイス。

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