JP5680204B2 - オプトエレクトロニクス半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置、特に変換ＬＥＤに関する。本発明は、オプトエレクトロニクス半導体装置の製造方法にも関する。

ＵＳ５９９８９２５は、典型的な白色ＬＥＤを開示している。まさにこのような変換ＬＥＤにおいては、一次放射が比較的短波であることが重要である。ピークは、典型的には４４０〜４６０ｎｍにある。半値幅は大抵２０〜４０ｎｍの範囲にあるので、このようなＬＥＤは、４２０ｎｍを下回る範囲において、まだかなりの割合の放射を放射する。しかしながらこの放射は、問題を生じさせる。というのは、この放射のエネルギが大きすぎるために、ＬＥＤの構成部材に対して破壊的な影響を及ぼすからである。この影響に折り合いをつけるために従前使用されてきた技術は、より高いＵＶ耐性を有する有機材料を所期のように使用することであるが、しかしながらこれによって、制限された選択肢の材料しか選択できなくなっていた。

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載のオプトエレクトロニクス半導体装置において、材料のＵＶ耐性の欠如という問題に対して改善された解決方法を発見することである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。

特に有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、欠点を利点に変換することによって上記課題を解消している。これにより、ＬＥＤの有機コンポーネント又は構成部材に対するＵＶ保護の改善だけではなく、主放射が４２０ｎｍを上回るチップのためのＬＥＤにおける効率の増加も達成することができる。

典型的には、放射の最大値は、例えば約４４０ｎｍ（例えば図２を参照）にある。この場合、４２０ｎｍを下回る波長を有する短波のＵＶ放射も若干の割合（約１０％）で発生し、このＵＶ放射が、Ｃ−Ｃ；Ｃ−Ｈ；Ｃ−Ｏ−Ｏ−Ｈのような有機結合を分解して、不所望な変色をもたらす。このＵＶ部分を適当な光学フィルタ（例えばコーティング）によって"遮断"する、つまり吸収することによって、プラスチックを保護することが可能である。本発明によれば、光学的に利用できない、不所望な加熱を引き起こすだけの４２０ｎｍを下回る短波のＵＶ放射、特に３８０〜４２０ｎｍの範囲の短波のＵＶ放射を、フィルタによって遮断しないことが提案される。その代わりにこの放射を、上記範囲における吸収率が比較的高い適当な蛍光物質によって可視光に変換することができ、こうすることによって発生する熱が少なくなるだけではなく、効率も改善される。

有利には、特に、量子効率及び吸収率が５０％を上回る、有利には７０％を上回る、理想的には８０％を上回るという特性を備えた、３８０〜４２０ｎｍにおいて効率的に励起される蛍光物質が使用される。この蛍光物質が、可視範囲（＞４２０ｎｍ）において、チップと同様に放射すると理想的である。白色ＬＥＤの場合には、これは、例えば公知のＹＡＧ：Ｃｅ又は別のガーネットのような主たる蛍光物質コンポーネント（光変換に関して）に加えた、追加的な蛍光物質コンポーネントである。追加的な蛍光物質コンポーネントは、チップの色（"チップ色"）で、つまり青色で放射することができる。適当な蛍光物質は、例えばＢＡＭ又はＳＣＡＰである。しかしながら、追加的な蛍光物質は、主たる蛍光物質コンポーネントの色、又は、他の色で放射することも可能である。このことは例えば、黄色又は緑色を放射するケイ酸塩又は酸窒化物を使用した場合に生じる。複数の追加的な蛍光物質コンポーネントの混合も考えられる。追加的な（付加的な）蛍光物質コンポーネントは、層として、反射器及び／又は基板の上に被着させることができる。

追加的な蛍光物質コンポーネントは、チップの色（"チップ色"）、つまり青色で放射することができる。適当な蛍光物質は、例えばＢＡＭ又はＳＣＡＰである。しかしながら、追加的な蛍光物質は、主たる蛍光物質コンポーネントの色、又は、他の色で放射することも可能である。このことは例えば、黄色又は緑色を放射するケイ酸塩又は酸窒化物を使用した場合に生じる。複数の追加的な蛍光物質コンポーネントの混合も考えられる。追加的な（付加的な）蛍光コンポーネントは、層として、反射器及び／又は基板の上に被着させることができる。

４２０ｎｍを上回る主放射、例えば約４４０ｎｍの主放射を有するチップ放射の場合には、特に３８０〜４２０ｎｍの範囲における、回避できずに発生する短波のＵＶ放射の部分を、追加的な蛍光物質コンポーネントによってより大きい波長の利用可能な放射に変換することができる。これにより可視光がより多くなるので効率が上昇し、相応して熱発生はより僅かになる。さらにこの場合には、基本的により数多くのプラスチックが使用可能となる。これに加えて、オプションとして、ＬＥＤの放射特性が改善される。

本発明は、全変換であれ部分変換であれ、変換ＬＥＤのためだけに適しているのではなく、純粋なＬＥＤ、特に青色ＬＥＤのためにも適している。

特に良好に適した追加的な蛍光物質、乃至、効率を改善する単一の蛍光物質の純粋なＬＥＤの場合における追加的な蛍光物質は、Ｍ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ（但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ単独又は組み合わせ）である。特に適当なのは、Ｓｒ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕである。ドーパントのＥｕによって、部分的にこれの格子サイト上にあるＭ、有利にはＳｒが置き換えられる。有利なドーパントは、３〜６ｍｏｌ％のＥｕである。

本発明の本質的な特徴を、番号を付した箇条書きの形態で記載する：

［請求項１］
光源と、ケーシングと、電気接続部とを有するオプトエレクトロニクス半導体装置であって、
前記光源は、一次放射を放射し、
前記一次放射のピーク波長は４２０〜４６０ｎｍの範囲にあり、
前記一次放射は、４２０ｎｍを下回る範囲まで延びている前記一次放射の立ち上がり部分を有している、
オプトエレクトロニクス半導体装置において、
前記立ち上がり部分の範囲における放射、又は、前記立ち上がり部分の範囲の一部における放射を、追加的な蛍光物質によって可視放射に変換する、
ことを特徴とするオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項２］
前記追加的な蛍光物質は、３８０〜４２０ｎｍの範囲における放射を、少なくとも部分的に、有利にはできるだけ効率的に、可視放射に変換する、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項３］
前記追加的な蛍光物質は、特に４３０〜５６５ｎｍにおける青色から黄色のスペクトル範囲において、自身の放射のピークを有する、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項４］
前記光源は、主たる蛍光物質を有する変換ＬＥＤである、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項５］
前記追加的な蛍光物質は、チップの上、及び／又は、前記ケーシングの側壁の上に被着されている、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項６］
前記追加的な蛍光物質は、主たる蛍光物質の前にチップの上に被着されているか、又は、主たる蛍光物質と混合されている、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

［請求項７］
前記追加的な蛍光物質は、Ｍ１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２：Ｅｕ（但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ単独又は組み合わせ）、（Ｂａ_ｘＥｕ_１−ｘ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７（但し、ｘ＝０．３〜０．５）、（Ｓｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＬｉ_ｙ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８、からなるグループから選択されている、
ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

以下本発明を、複数の実施例に基づいてより詳細に説明する。

動作電流に依存したＬＥＤの一次放射の典型的なスペクトルを示す図である。 適当な蛍光物質の放射及び吸収を示す図である。 追加的な蛍光物質を使用したＬＥＤを示す図である。 追加的な蛍光物質を使用したＬＥＤの別の実施例を示す図である。 追加的な蛍光物質を使用したＬＥＤの別の実施例を示す図である。 追加的な蛍光物質を使用したＬＥＤの別の実施例を示す図である。 追加的な蛍光物質を使用したＬＥＤの別の実施例を示す図である。

図１は、変換ＬＥＤ（Konversions-LED）において一次放射源として使用可能なＬＥＤの、典型的な放射スペクトルを示す。多くの場合、ＩｎＧａＮ型のＬＥＤである。動作電流は、典型的には１０〜４０ｍＡ（曲線１：１０ｍＡ、曲線２：２０ｍＡ、曲線３：３０ｍＡ、曲線４：４０ｍＡ）であり、動作電流が増加するにつれて、一次放射のピークはより短い波長の方向へとシフトする。それと同時に、４２０ｎｍより下の放射の短波の立ち上がり部分における一次放射の割合が増加する。本発明の意義は、４２０ｎｍを下回る範囲、特に３８０〜４２０ｎｍの範囲を利用可能にすることである。種類及び動作電流に応じて、上記範囲における割合が約１０％となることがある。この割合が少なくとも１％である場合には、本発明の使用が意義深い。ＬＥＤのケーシングに衝突するこの放射の割合は、チップの種類、及び、場合によっては使用されている変換技術に強く依存している。薄膜チップとして構成されていない青色を放射するチップの場合、つまり特に、発光層がサファイア基板上に被着された、体積から放射するチップの場合には、この割合が非常に高くなっている。

図２は、ＵＶを青色に変換する適当な蛍光物質の実施例を示す。これは（Ｓｒ０．９６Ｅｕ０．０４）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２である。このハロりん酸塩は、まさに３８０〜４２０ｎｍの範囲において強力に吸収し、青色で、実質的には４３０〜４９０ｎｍの範囲において放射する。

図３は、ＬＥＤ１の概略原理図を示す。ＬＥＤは、ケーシング２を有し、ケーシング２の中には、青色を放射する（ピークは約４４０〜４５０ｎｍ）ＩｎＧａＮ型のチップ３が収容されている。ＬＥＤのケーシング２は、基板４と、反射性の側壁５とを有する。チップの上には、主たる蛍光物質、特にＹＡＧ：Ｃｅか、又は、他のガーネット、オルトケイ酸塩、又は、シオン、窒化シリケート、サイアロン等が直接被着されている。側壁５の内側には、上述したハロりん酸のような追加的な蛍光物質が被着されている。さらなる別の蛍光物質として、特に、（ＥＡ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＬｉ_ｙ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８（但し、ＥＡ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）、（Ｂａ_ｘＥｕ_１−ｘ）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７（高いＥｕ濃度ｘ＝０．３〜０．５を有する）、又は、（Ｓｒ_１−ｘＥｕ_ｘ）Ａｌ_１２Ｏ_１９のような、近紫外線で励起可能なアルミン酸塩が可能である。

図４によれば、追加的な蛍光物質が、チップ３の上にも被着されている。この追加的な蛍光物質は、有利には、別個の層８として主コンポーネント６の下に位置している。

しかしながら、この追加的な蛍光物質を、単一の層１０において、主コンポーネント６と混合させることも可能である。図５を参照のこと。

追加的な蛍光物質は、パウダー層として存在することができるか、又は、マトリクス内に固定させることができる。このマトリクスは、有機又は無機とすることができ、有利にはＵＶ安定的である。適当なのは、例えばシリコーン又はガラスである。若干の加熱によってプラスチック反射器の表面に固定させることも可能である。被着は、例えばスプレー、シルクスクリーン、ディスペンス等、又は、場合によっては適当な熱処理のような、当業者にも公知の従来通りの方法のうちの１つによって実施される。

白色ＬＥＤにおいて、追加的なコンポーネントとして青色を放射する蛍光物質が選択された場合には、しばしば発生する"イエロー"リングを、反射器からの青色の放射と混合することによって少なくとも部分的に白色光に変換し、これによって緩和させることができる。追加的な蛍光物質コンポーネントが、反射器材料に類似した反射特性を有する場合には、この反射器材料を、追加的な蛍光物質コンポーネントによって完全に又は部分的に置き換えることが可能である。

追加的な蛍光物質の中に、光を反射する及び／又は散乱させる粒子を混合させることも可能である。

理想的には、８０％を上回る、有利には９０％を上回る高い量子効率を有する、３８０〜４２０ｎｍの範囲の放射を変換する追加的な蛍光物質（"ＵＶコンバータ"）が使用される。さらに、高い変換効率を達成するために、３８０〜４２０ｎｍの波長範囲におけるコーティングの吸収率をできるだけ高くするべきである。

変換ＬＥＤの場合には、関連するＵＶコンバータによる、ＬＥＤの有効放射の範囲（４２０ｎｍから場合によって７８０ｎｍまで）における吸収ができるだけ少ないと、ＬＥＤの効率にとって有利である。

ＵＶ部分を青色光に変換するための追加的なコンバータの実施例は、例えば、（Ｂａ_０．４Ｅｕ_０．６）ＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７，（Ｓｒ_０．９６Ｅｕ_０．０４）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２型の高効率蛍光物質である。ＵＶ部分を黄色光に変換するための追加的なコンバータの実施例は、例えば、（Ｓｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＬｉ_ｙ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８である。特にここでのｘ及びｙは、それぞれ０．１〜０．０１の範囲にある。ｘ＝ｙである蛍光物質（Ｓｒ_{１−ｘ−ｙ}Ｃｅ_ｘＬｉ_ｙ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８が、特に適当である。

図６は、いわゆるイエローリングを回避するＬＥＤ１の実施例を図示している。ここでも、チップ３の上又は前にも、層６の中に、特に黄色を放射する主たる蛍光物質が設けられている。正面に向かって、青色の一次放射と黄色の二次放射との混合によって、白色光が放出される（矢印ａ）。変換層から側方には、白色光ではなく、黄色に近い光が放出される（矢印ｂ）。なぜなら蛍光物質、乃至、蛍光物質を含むマトリクスの散乱特性及び放射特性が異なるからである。この黄色に近い光は、主として側壁５へと放出され、側壁５に被着された層７から放出された追加的な蛍光物質の青色光と混合され、これによって外側のリング範囲（矢印ｃ）においても、不所望なイエローリングは発生せず、白色光が放射されることとなる。

図７は、光源として主たる蛍光物質を有さない純粋なＩｎＧａＮチップ２が使用されるＬＥＤ１の実施例（この構成要素は基本的にレーザとすることもできる）を図示している。このチップは、図１に図示したのと同様に青色を放射する。チップに前置して、追加的な蛍光物質７が、ここではＢＡＭが、より詳細にはいかなる主たる蛍光物質も有さずに直接接続されており、この追加的な蛍光物質７が、一次放射の立ち上がり部分の範囲を青色の放射に変換するので、特に効率的な青色ＬＥＤが実現されている。ここでは側壁には、公知のように簡単に反射性のコーティング１５が設けられている。

本発明の重要な点は、オプトエレクトロニクス半導体装置が、一次放射源の放射の４２０ｎｍを下回る立ち上がり部分の範囲を可視放射に変換する追加的な蛍光物質を使用するということである。特に以下のことが当てはまる。

・チップ放射は、４２０ｎｍを上回る、特に４２５〜４５０ｎｍ、例えば約４４０ｎｍの主放射を有する。

・発生した、４２０ｎｍを下回る短波のＵＶ、有利には３８０〜４２０ｎｍの短波のＵＶを、フィルタによって遮断するのではなく、光に変換する。これにより可視光がより多くなるので効率が上昇し、これによって熱発生はより僅かになる。

・３８０〜４２０ｎｍにおいてできる限り効率的に励起され、かつ、チップと同様に放射する、青色を放射する追加的な蛍光物質、特に（Ｓｒ０．９６Ｅｕ０．０４）１０（ＰＯ４）６Ｃｌ２が有利である。

・３８０〜４２０ｎｍにおいて効率的に励起される、他の追加的な蛍光物質色、特に黄色を放射する蛍光物質も適当である。これらは単独の形態として、又は、青色の追加的な蛍光物質と組み合わせて適当である。

・４２０ｎｍを下回る、特に３８０〜４２０ｎｍの範囲における一次放射を回避又は低減することを目標とする。なぜなら上記のような一次放射は、有機結合（Ｃ−Ｃ；Ｃ−Ｈ；Ｃ−Ｏ−Ｏ−Ｈ）を最も効果的に分解してしまうので、これを回避すべきだからである。これによって、使用可能なプラスチックのケーシングに対する選択肢が非常に多岐にわたるようになり、場合によってコスト的に有利なプラスチックを使用することができるようになる。このようなプラスチックは、特に基板として使用可能とすることができる。択一的に、これによりＬＥＤの寿命がより長くなる。

・青色及び／又は黄色を放射する追加的な蛍光物質は、特に基板の反射器領域にて、単独で、又は、図３のように反射器材料（例えばＴｉＯ２）と組み合わせて施与される。

・６番目の点に補足して、青色及び／又は黄色を放射する追加的な蛍光物質は、チップの上に、又は、図４のように主たる蛍光物質（例えばＹＡＧ）の下側に、又は、図５のように主たる蛍光物質の中に、施与することができる。

・さらには図６のように、反射器からの青色の放射によって"イエローリング"を低減又は回避することができる。

・青色及び／又は黄色を放射する追加的な蛍光物質が、反射器材料に類似した反射特性を有する場合には、この反射器材料を、追加的な蛍光物質によって完全又は部分的に置き換えることができる。

Claims (6)

1. 光源と、ケーシングと、電気接続部とを有するオプトエレクトロニクス半導体装置であって、
   前記光源は、一次放射を放射し、
   前記一次放射のピーク波長は４２０〜４６０ｎｍの範囲にあり、
   前記一次放射は、４２０ｎｍを下回る範囲まで延びている前記一次放射の立ち上がり部分を有している、
   オプトエレクトロニクス半導体装置において、
   前記一次放射の主たる放射方向には、主たる蛍光物質を含む層（６）が配置されており、
   前記主たる放射方向に対する側方には、前記ケーシングの反射性の側壁（５）が配置され、ただし、前記反射性の側壁（５）の上に、追加の蛍光物質を含む層（７）が被着されており、
   ここで、前記追加の蛍光物質は、ピーク波長が４２０ｎｍ以下の一次放射を、可視放射に変換する
   ことを特徴とするオプトエレクトロニクス半導体装置。
2. 前記可視放射は、４３０〜５６５ｎｍにおける青色から黄色のスペクトル範囲にピークを有する放射である、
   ことを特徴とする請求項１記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
3. 前記可視放射が青色光である場合、前記主たる蛍光物質を含む層（６）から放射された黄色光と前記可視光とが混合されて白色光を形成する、請求項２記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
4. 前記可視光が黄色光である場合、前記ピーク波長が４２０〜４６０ｎｍである一次放射と前記可視光とが混合されて白色光を形成する、請求項２記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
5. 前記追加的な蛍光物質は、Ｍ _１０ （ＰＯ４） _６ Ｃｌ _２ ：Ｅｕ、（Ｂａ _ｘ Ｅｕ _１−ｘ ）ＭｇＡｌ _１０ Ｏ _１７、 （Ｓｒ _{１−ｘ−ｙ} Ｃｅ _ｘ Ｌｉ _ｙ ） _２ Ｓｉ _５ Ｎ _８ 、からなるグループから選択されている、但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ単独、又は、Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａの組み合わせ、および、但し、ｘ＝０．３〜０．５、である、
   ことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。
6. 前記主たる蛍光物質は、ＹＡＧ：Ｃｅ、又は、他のガーネット、オルトケイ酸塩、又は、シオン、窒化シリケート、サイアロンである、請求項１から５いずれか１項記載のオプトエレクトロニクス半導体装置。

Images