JP2001203383A - 燐光変換を行う発光基板を有する発光ダイオードデバイス - Google Patents

燐光変換を行う発光基板を有する発光ダイオードデバイス

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JP2001203383A
JP2001203383A JP2000335223A JP2000335223A JP2001203383A JP 2001203383 A JP2001203383 A JP 2001203383A JP 2000335223 A JP2000335223 A JP 2000335223A JP 2000335223 A JP2000335223 A JP 2000335223A JP 2001203383 A JP2001203383 A JP 2001203383A
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Regina B Mueller-Mach
ベー ミューラー マッハ レギーナ
Gerd O Mueller
オー ミューラー ゲルト
David A Vanderwater
エイ ヴァンダーウォーター ディヴィッド
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Lumileds LLC
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、LEDによって発せられた青色の
一次光を一又は二以上の別の波長の光に変換し、これを
変換されなかった一次光と混ぜ合わせて白色光を生成す
る燐光変換基板を有するLEDデバイスを提供する。 【解決手段】 この基板は、望ましい発光特性を有する
単結晶の燐光体である。この単結晶の燐光体は、LED
デバイスの発光構造の単結晶成長を促進するための必要
な格子構造を有している。さらに、基板の熱的、力学的
性質は、LEDデバイスのエピタキシャル膜における過
剰なひずみやクラックが防止されるものである。基板の
性質、すなわちドーパントの濃度及び基板の厚さは、L
EDデバイスを製造する前に正確に制御すること及びテ
ストすることができ、これにより変換されずに基板を通
過する一次光の割合を予測し、制御することが可能とな
る。同様に、基板によって一又は二以上の別の波長に変
換される一次光の割合も予測可能、かつ制御可能とな
る。これらの割合を正確に制御することによって、均一
で高品質の白色光を生成する燐光変換LEDデバイスが
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【説明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
(LED)デバイスに関連する。より詳しくは、LED
の発光構造体によって発せられる一次光の一部を一又は
二以上の別の波長からなる光に変換する燐光変換基板
(phosphor-converting substrate)を有するLEDデ
バイスであって、当該変換された光を変換されなかった
一次光と混ぜ合わせて白色光を生成するLEDデバイス
に関連する。
【0002】
【従来の技術】青色光あるいは紫外(UV)光を放射す
る効率的なLEDが開発されたことに伴って、LEDの
一次放射光の一部をより長い波長へ燐光変換(phosphor
conversion)することによって白色光を発生させるL
EDの製造が実現可能となってきた。LEDの一次放射
光の一部をより長い波長に変換することは、一般に一次
放射光の下方変換(down-conversion)と呼ばれる。一
次放射光のうち変換されなかった部分は、より長い波長
の光と混ざり合って白色光を生成する。白色光を発する
LEDは、信号用及び照明用として有用である。
【0003】現在、LEDの一次放射光の一部を燐光変
換する最新のものは、LEDをLEDランプ内に収容す
るための手段となる反射器のカップにLEDを取り付け
るのに用いるエポキシ樹脂の中に燐光体を含ませること
によって実現されている。燐光体は、パウダー状態で、
硬化前のエポキシ樹脂に混入される。この燐光体のパウ
ダーを含ませた硬化前のエポキシ樹脂のスラリーは、L
ED上に堆積され、その後硬化される。
【0004】硬化後のエポキシ樹脂に含まれる燐光体の
樹脂は、通常ランダムな方向を向いてエポキシ樹脂全体
に散在している。LEDから放射された一次光の一部は
燐光体の粒子に当たることなくエポキシ樹脂を通過する
が、LEDから放射された一次光の一部は燐光体の粒子
に当たり、これにより燐光体の粒子は黄色光を発する。
一次青色光と燐光体が発する黄色光は、混ざり合って白
色光を生成する。
【0005】燐光体の粒子を含んだエポキシ樹脂を用い
る場合の欠点の一つは、LEDから発せられる白色光の
均一性を得ることが、不可能ではないとしても、困難で
あるという点である。この不均一性は、エポキシ樹脂の
スラリーに混入された燐光体粒子のサイズのばらつきに
起因する。現在のところ、燐光体粒子の寸法が均一な燐
光体パウダーを入手することは一般に不可能である。エ
ポキシ樹脂のスラリーに燐光体のパウダーを混ぜると、
燐光体の大きな粒子は小さな粒子よりも早く沈み、エポ
キシ樹脂を硬化させると、この中には燐光体粒子の不均
一な空間的分布が存在することになる。
【0006】したがって、エポキシ樹脂内の燐光体粒子
の一様な分布を得ることは、不可能ではないとしても非
常に困難である。この困難さは燐光体の粒子の寸法が不
均一であることに起因している。このように燐光体粒子
の寸法のコントロール及びエポキシ樹脂内における位置
のコントロールが不可能であることは、均一な白色光を
発するLEDランプを製造することの困難さにつながっ
ている。このため、LEDランプによって生成される白
色光の品質は、特定のメーカーによって製造された同じ
型のランプであっても、ランプごとに変動する。
【0007】エポキシ樹脂と混合した燐光体パウダーを
用いる場合の欠点を、発光有機染料(luminescent orga
nic dye)の薄膜をLEDを包むレンズの上に配置する
ことによって克服しようとする試みがなされてきた。こ
の染料は、これに当たるすべての一次光を完全に吸収し
てこれをより長い波長の光に変換するように、レンズ上
の特別な位置に注意深く配置される。放射された一次光
のうちの僅かな部分は、染料に当たらずにレンズを通過
する。染料に当たらなかった一次光は波長の長い光と混
ざり合って、白色光を生成する。染料は、ここに当たっ
た一次光を完全に吸収するので、波長の長い光と足し合
わされる一次光の割合の変動は排除されることになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この後
者の方法にも、いくつかの欠点がある。レンズ上に染料
を配置するというのは製造上の不確定さを伴い、生成さ
れる白色光の変動につながる。また、長期間にわたって
安定な染料も得られていない。このため、燐光変換する
染料は広く用いられる状況には至っていない。
【0009】したがって、燐光変換するもので、上記の
問題や欠点を克服できるLEDデバイスが求められてい
る。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、LEDによっ
て発せられた青色光或いは紫外光からなる一次光を一又
は二以上の別の波長の光に燐光変換する基板を備え、そ
して燐光変換された光が変換されなかった一次光と混ざ
り合って白色光を生成するLEDデバイスを提供する。
この基板は、望ましい発光特性を有する単結晶の燐光体
である。単結晶の燐光体は、LEDデバイスの発光構造
体の単結晶成長を促進するための必要な格子構造を有し
ている。さらに、基板の熱的、力学的性質は、LEDデ
バイスのエピタキシャル膜における過剰なひずみやクラ
ックが防止されるものである。ドーパントの濃度及び基
板の厚さはLEDデバイスを製造する前に正確に制御す
ること及びテストすることができ、これにより変換され
ずに基板を通過する一次光の割合を予測し、制御するこ
とが可能となる。同様に、基板によって一又は二以上の
別の波長に変換される一次光の割合も予測可能、かつ制
御可能となる。これらの割合を正確に制御することによ
って、均一で高品質の白色光を生成する燐光変換LED
デバイスが得られる。
【0011】本発明の好適な実施例では、基板は単結晶
の燐光体からなる。このような基板として望ましいもの
は、セリウムをドープした単結晶のイットリウム−アル
ミニウム−ガーネット(Y3Al512:Ce3+)化合物
であり、これはYAG:Ceとも表される。この基板
は、LEDの発光構造体によって発せられる一次光を受
けたことに反応して黄色光を発光する。LEDの発光構
造体によって発せられた一次光の一部は、変換されない
まま基板を通過する。変換されなかった青色の一次光
は、黄色光と混ざり合って白色光を生成する。
【0012】本発明の一実施例では、基板は、LEDの
発光構造体によって発せられた青色一次光の一部だけを
黄色光に変換する。この黄色光は、変換されなかった青
色一次光と混ざり合って白色光を生成する。本発明の別
の実施例では、基板は発光構造体と反射面との間にサン
ドイッチ状に挟まれている。この基板は基板内を伝搬す
る一次光のすべてを吸収し、これを黄色光に変換する。
この黄色光は反射面によって発光構造体に向かう方向に
反射される。この黄色光は、発光構造体を通過し、発光
構造体によって基板から遠ざかる方向に発せられた一次
光と混ざり合う。この混ざり合った光は白色光となる。
【0013】本発明及びその変形例の他の特徴及び利点
は、以下の説明、図面、および特許請求の範囲の記載か
ら明らかとなろう。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は、燐光変換基板を組み込む
のに適した本発明の発光ダイオード(LED)1の斜視
図である。しかしながら、本発明のLEDが特定のLE
Dに限定されるものではない点には留意すべきである。
本発明とともに使用するのに適した種々のLEDを商業
的に入手できることは、当業者に理解されるだろう。
【0015】LED1は、たとえば発光構造体2を有し
ており、これは二つのn−GaN層3,4、SQW或い
はMQWのGaInN層5、p−AlGaN6、p−G
aN層7を含んで構成されている。発光構造体2は、ま
た、電極接合パッド8、n−電極3、p−電極接合パッ
ド11、p−電極12を含んでいる。後に詳しく述べる
ように、n−電極3はGaNからなり、p−電極12は
光を透過するか或いは光を反射するかのいずれかであ
る。望ましくは、p−電極は光を反射するものであり、
発光構造体から発せられる光は下方に向かって伝搬し基
板10へ入射するようにする。電極接合パッド8及び1
1は、これらが電源(不図示)に接続されると、バイア
ス電流を供給してLED1を発光させる。
【0016】発光構造体2は、単結晶の燐光体である基
板10上に配置される。発光ダイオード1を形成するた
めに用いる材料が、図1を参照して上で述べたものに限
定されない点には留意すべきである。発光ダイオード1
を種々の材料から形成できることは、当業者に理解され
るだろう。上述のように、本発明で用いる発光ダイオー
ドデバイスは後に詳述するような青色又はUVの一次光
を発するものでなければならないという点を除くと、発
光ダイオード1は、特定の種類の発光ダイオードには限
定されない。このような目的に適合する種々の発光ダイ
オードが知られていることは、当業者に理解されるだろ
う。例えば単一量子井戸(single-quantum-well)及び
多重量子井戸(multiple-quantum-well)の発光ダイオ
ードは、この目的に適合する。
【0017】青色の一次放射光を生成する発光構造体2
は、単結晶の燐光体基板10の上でエピタキシャル成長
させるのが望ましい。基板10は、望ましくは、セリウ
ムをドープした単結晶のイットリウム−アルミニウム−
ガーネット(Y3Al512:Ce3+)化合物とする。イ
ットリウム−アルミニウム−ガーネット燐光体化合物
は、通常「YAG」と呼ばれる。LEDデバイスには、
典型的にはシリコンカーバイド(SiC)及びサファイ
アとして知られる酸化アルミニウム(Al23)の形態
の基板が使用されるが、これはこれらが熱的、力学的、
結晶構造的に望ましい特性を有しているからである。酸
化アルミニウムは、適合する基板に必要とされる熱的、
力学的、結晶構造的に望ましい特性を有してはいるが、
この化合物の格子構造が密なために、希土類イオンが燐
光変換を行うのに十分な密度でこの中に入っていくこと
ができない。
【0018】当該分野において知られているように、L
EDデバイスに用いられる基板は、n−電極の結晶構造
と緊密に調和しなければならない。上で述べたように、
本発明のLEDデバイス1のn−電極3は、望ましくは
GaNからなるものが望ましい。本発明では、単結晶の
YAG化合物が、LEDデバイス1の基板として使用す
るのに適合するようなGaNの結晶構造と十分に調和す
る結晶構造を有するということは、研究及び実験を通し
て決定された。
【0019】本発明では、単結晶のYAG化合物が、L
EDデバイスの基板としての使用に適合する熱的、力学
的、結晶構造的特定を有するということも研究及び実験
を通して決定された。YAGがセリウムをドープするこ
とによって黄色光を発する燐光体にできることは周知な
ので、本発明のセリウムをドープした単結晶のYAG化
合物は、LEDデバイスに必要な機能の全てを与えるこ
と、および燐光変換放射光を発生することという二重の
目的に合致する。
【0020】基板の材料として別のものを用いることも
できる。例えば、「YAG」と書いた場合の「G」に対
応するところのガーネット構造を有しない(Y,Al)
酸化物、具体的には単斜晶系YAlO及びYAlOペロ
ブスカイトなどを基板材料とすることもできる。一部を
Yで置換したいくつかのランタン系元素(Ln)、具体
的には(Y,Ln)AlO、(Y,Ln)(Al,G
a)Oなどもまた、この目的に合致する。なお、Lnは
任意の希土類イオンを示している。ランタン系元素とし
ては、例えば、良好な発光特性を促進するルテチウムL
uを用いることができる。基板材料にドープするドーパ
ントとしては、例えばCe、Pr、Ho、Yb、Eu2
+などの単独ドーパント、および(Ce,Pr)、(C
e,Ho)、(Eu,Pr)などの二重ドーパントなど
種々のものを用いることができる。
【0021】上記の目的に合致する単結晶基板の他の例
は、ホルミウムをドープした単結晶のイットリウム−ア
ルミニウム−ガーネット(Y3Al512:Ho3+)化合
物である。上記の目的に合致する単結晶基板の更に別の
例は、プラセオジムをドープした単結晶のイットリウム
−アルミニウム−ガーネット(Y3Al512:Pr3+
化合物である。しかしながら、本発明が上記の目的とし
て特定種類の燐光体を用いる場合に限定されないこと
は、当業者に理解されるだろう。上記の目的に合致する
種々の異なるタイプの燐光体が存在することも、当業者
に理解されるだろう。
【0022】基板10は、LEDの発光構造体2によっ
て発せられる青色の一次放射光に反応して、黄色光を発
光する。LEDの発光構造体2によって発せられる一次
光の一部は変換されないまま基板10を通過する。この
一次光は、図2に矢印22で示した。黄色光は図2に矢
印23で示した。変換されなかった一次光は黄色光と混
ざり合って白色光に非常に近い光となる。もちろん、混
ざり合った光は赤色成分及び緑色成分を含んでいないの
で、本当の白色光ではない。しかしながら、生成される
光は非常に白色に近いので、この光が本当の白色でない
ことを人間の目で視覚的に認識することはできない。し
たがって以下では、生成される光が本当に純粋な白色で
ない場合もあるが、本発明のLEDデバイス1によって
発せられる光を、白色光と呼ぶ。
【0023】変換されないで基板10を通過する一次光
の割合が予測可能かつ制御可能となるよう、基板10の
特性を正確に制御することができる。基板10の特性
は、YAGに対する希土類イオン、例えばセリウムイオ
ンのドーピングを正確に制御することによって、正確に
制御することができる。YAGを成長させ、希土類イオ
ンをドープして上記の予測可能性及び制御可能性という
目標を達成する方法は、当業者に理解されるだろう。基
板10の特性を正確に制御することによって、基板10
によって黄色光に変換される一次光の割合を予測し、制
御することができる。この割合を正確に制御することに
よって、生成される白色光の品質の変動は最小限に抑え
られ、あるいは排除される。
【0024】図2は、本発明の一実施例のLEDデバイ
スの側面図である。上記で図1を参照して述べたよう
に、LEDデバイス20は、基板10と発光構造体2を
含んでいる。本発明のこの実施例では、反射電極21
は、発光構造体2の基板10と接する側の面とは反対側
の面に配置されている。反射電極21は図1に示した電
極12に対応する。例示を容易にするために、図2には
発光構造体2の他の構成要素は示していない。
【0025】発光構造体2によって発せられる一次光の
いくらかは反射電極21に当たり、これは発光構造体2
及び基板10を通過する方向へ一次光を反射する。基板
内を伝搬する一次光の一部は、基板10によって黄色光
に変換される。基板10によって発せられた黄色光は、
変換されなかった一次光と混ざり合って白色光を生成す
る。反射電極を利用すると、基板10内を伝搬する一次
光の量が最大になるのが確実とされることによって、L
EDデバイス20の効率が改善される。
【0026】一次光が二以上の波長を有していてもよい
ことには留意すべきである。同様に、一次光による励起
に反応して発せられる光も、二以上の波長からなるもの
であってもよい。例えば、基板10によって発せられる
黄色光は、スペクトルバンドを形成する多数の波長に対
応する。このスペクトルバンドの波長が、変換されなか
った一次光と混ざり合って白色光を生成する。したがっ
て、ここでは本発明の概念を説明する目的で個々の波長
を論ずるが、ここで議論している励起によれば、多数の
波長或いはスペクトルバンドが発せられることとなる。
これらのスペクトルバンドの波長は混ざり合って白色光
を生成する。したがって、「スペクトルバンド」という
用語は、少なくとも一つの波長及び潜在的な多くの波長
のバンドを表すことを意図しており、「波長」という用
語は、スペクトルバンドのピーク強度の波長を表すこと
を意図している。
【0027】図3は、本発明の他の実施例に係るLED
デバイス30の側面図である。本発明のこの実施例で
は、反射面32は、発光構造体2とは反対の側の基板1
0の面上に配置されている。発光構造体2によって発せ
られる一次光は基板10内を伝搬する。矢印33は、青
色光であるこの一次光を表し、これは基板10内を伝搬
する。すべての一次光は、基板10によって黄色光に変
換される。黄色光は、矢印34によって表されている。
この黄色光は、反射面32によって反射面32から遠ざ
かり発光構造体2へ向かう方向に反射される。反射され
た黄色光は矢印35で示してある。反射された黄色光は
発光構造体2を通過し、発光構造体2によって基板10
から遠ざかる方向へと発せられた青色光と混ざり合って
白色光を生成する。
【0028】本発明がここで議論した実施例に限定され
ないことは、当業者に理解されるだろう。ここで述べた
実施例に対して本発明の思想及び範囲から逸脱すること
なく変形を施すことが可能であることは、当業者に理解
されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】燐光変換基板を有する本発明の発光ダイオード
デバイスの斜視図である。
【図2】発光ダイオードデバイスの発光構造体によって
発せられる一次放射光の一部のみを吸収する単結晶の燐
光体からなる基板を有する、本発明の一つの実施例の発
光ダイオードデバイスの側面図である。
【図3】発光ダイオードデバイスの発光構造体によって
発せられる一次放射光のほぼ全てを吸収する単結晶の燐
光体からなる基板を有する、本発明の他の実施例の発光
ダイオードデバイスの側面図である。
【符号の説明】
2 発光構造体 10 基板 20 発光ダイオード(LED)デバイス 21 反射電極 30 発光ダイオード(LED)デバイス 32 反射面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルト オー ミューラー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95132 サン ホセ スウェイガート ロ ード 3491 (72)発明者 ディヴィッド エイ ヴァンダーウォータ ー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95125 サン ホセ レッシャー コート 1460

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 白色光を生成するための発光ダイオード
    デバイスであって、 駆動されたときに特定の波長の一次放射光を放射する発
    光構造体と、 光を透過する基板とを有し、 発光構造体から発せられた一次放射光の少なくとも一部
    が基板内を伝搬し、基板は、基板内を伝搬する一次放射
    光の少なくとも一部が一又は二以上の別の波長の放射光
    へと変換されるようドープされ、さらに、発光構造体に
    よって発せられた一次放射光の一部は前記一又は二以上
    の別の波長の放射光には変換されず、変換されなかった
    部分の一次放射光は前記一又は二以上の波長の放射光と
    混ざり合って白色光を生成することを特徴とする発光ダ
    イオードデバイス。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の発光ダイオードデバイス
    において、さらに反射面が設けられ、前記光を透過する
    基板は、前記発光構造体と前記反射面との間にサンドイ
    ッチ状に挟まれ、基板内を伝搬する一次放射光のほぼす
    べてが一又は二以上の別の波長の放射光に変換され、一
    次放射光のうちの変換されたかった部分は発光構造体に
    よって基板から遠ざかる方向へ発せられた一次放射光に
    対応し、反射面は一又は二以上の別の波長の放射光を基
    板及び発光構造体を通るように反射し、反射された放射
    光及び変換されなかった一次放射光は混ざり合って白色
    光を生成することを特徴とする請求項1記載の発光ダイ
    オードデバイス。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の発光ダイオードデバイス
    において、さらに発光構造体の第一の面に配置された反
    射電極が設けられ、発光構造体によって発せられ反射電
    極に当たるすべての一次放射光は、反射電極によって反
    射された放射光が基板の方向へ導かれるよう発光構造体
    に向かう方向に反射されることを特徴とする請求項1記
    載の発光ダイオードデバイス。
  4. 【請求項4】 前記基板は単結晶のイットリウム−アル
    ミニウム−ガーネット(Y3Al512)化合物からな
    り、前記一又は二以上の別の波長の放射光は黄色光であ
    り、黄色光は変換されなかった一次放射光と混ざり合っ
    て白色光を生成することを特徴とする請求項1記載の発
    光ダイオードデバイス。
  5. 【請求項5】 前記一次放射光は青色光であることを特
    徴とする請求項4記載の発光ダイオードデバイス。
  6. 【請求項6】 前記単結晶のイットリウム−アルミニウ
    ム−ガーネット化合物は、これにセリウムがドープさ
    れ、化学的にY3Al512:Ce3+と定式化される化合
    物が生成されたものであることを特徴とする請求項4記
    載の発光ダイオードデバイス。
  7. 【請求項7】 前記単結晶のイットリウム−アルミニウ
    ム−ガーネット化合物は、これにホルミウムがドープさ
    れ、化学的にY3Al512:Ho3+と定式化される化合
    物が生成されたものであることを特徴とする請求項4記
    載の発光ダイオードデバイス。
  8. 【請求項8】 前記単結晶のイットリウム−アルミニウ
    ム−ガーネット(Y 3Al512)化合物は、これにプラ
    セオジムがドープされ、化学的にY3Al5 12:Pr3+
    と定式化される化合物が生成されたものであることを特
    徴とする請求項4記載の発光ダイオードデバイス。
  9. 【請求項9】 基板はシリコンカーバイドからなり、基
    板内を伝搬する一次放射光の一部が赤色光に変換され、
    かつ基板内を伝搬する一次放射光の一部が緑色光に変換
    されるようシリコンカーバイド基板がドープされ、赤色
    光及び緑色光は変換されなかった一次放射光と混ざり合
    って白色光を生成することを特徴とする請求項1記載の
    発光ダイオードデバイス。
  10. 【請求項10】 前記一次放射光は青色光であることを
    特徴する請求項9記載の発光ダイオードデバイス。
  11. 【請求項11】 請求項10記載の発光ダイオードデバ
    イスにおいて、さらに発光構造体の第二の面に配置され
    た反射電極が設けられ、発光構造体によって発せられ反
    射電極に当たった一次放射光は、反射電極によって、反
    射された放射光が基板方向に導かれるよう発光構造体に
    向かう方向に反射されることを特徴とする請求項10記
    載の発光ダイオードデバイス。
  12. 【請求項12】 請求項1記載の発光ダイオードデバイ
    スにおいて、前記基板は酸化アルミニウム(Al23
    からなり、当該酸化アルミニウムの基板は、基板内を伝
    搬する一次放射光の一部が赤色光に変換され、基板内を
    伝搬する一次放射光の一部が緑色光に変換されるように
    ドープされ、赤色光及び緑色光は変換されなかった一次
    放射光と混ざり合って白色光を生成することを特徴する
    発光ダイオードデバイス。
  13. 【請求項13】 前記一次放射光は青色光であることを
    特徴とする請求項12記載の発光ダイオードデバイス。
  14. 【請求項14】 請求項12記載の発光ダイオードデバ
    イスにおいて、さらに発光構造体の第二の面に配置され
    た反射電極が設けられ、発光構造体によって発せられ反
    射電極に当たった一次放射光は、反射された放射光が基
    板の方向へ導かれるように反射電極によって発光構造体
    に向かう方向に反射されることを特徴する発光ダイオー
    ドデバイス。
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