JP2008513992A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

光を発する光源と、前記光の少なくとも一部を受け取るために位置されている第１材料とを有する発光装置が、開示されている。前記第１材料はセラミック材料を有しており、接触層が、前記光源を前記第１材料に接続するために前記光源上に配されている。前記のような装置を製造する方法も、開示されている。

Description

本発明は、光を発する光源と、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている第１材料とを有する発光装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）のような、半導体発光装置は、現在利用可能である最も効率的で堅牢な光源の１つである。

光の抽出は、照明用途のための高出力の無機ＬＥＤにおける主要な問題の１つである。従来の半導体発光装置に関する共通の問題は、光が前記のような装置から抽出されることができる効率が、前記装置と周囲の環境との間の境界面における全内反射と、後続する前記装置内の反射された光の再吸収とによって減少されることである。前記装置の放射波長における前記装置を形成している前記半導体材料の屈折率（ｎ_ｄ）が、内部に前記装置がパッケージングされている又はカプセル化されている材料（典型的には、エポキシ樹脂又はシリコーン）の屈折率よりも大きいで、前記のような全内反射が生じる。従って、これらのカプセル化している材料の不利な点は、限定されているｎ_ｄの適合性、及び高い温度及び光子密度に対する耐久性の制限である。

全内反射による損失は、前記装置の内側の屈折率の前記装置の外側における屈折率に対する比によって急速に増加する。例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）ＬＥＤ材料の高いｎ_ｄは、大気中に伝達される光の量を強く制限している。

蛍光体が、半導体発光装置の発光スペクトルを広げる又はシフトさせるために、前記半導体発光装置において使用されている。この取り組み方は、蛍光体を励起させるための半導体発光装置の放出の使用を含んでいる。

欧州特許出願第１３６９９３５号は、半導体発光装置内の減少された光の抽出の問題に取り組んでおり、減少された大きさを有する蛍光体粒子を利用している半導体発光装置を提案している。これにより、従来の蛍光体変換された発光装置の効率を減少させる蛍光体粒子による散乱は、減少され、前記光の抽出が改善される。

欧州特許出願第１３６９９３５号において、前記蛍光体粒子が埋め込まれている前記媒体の屈折率を前記蛍光体粒子の前記屈折率に更に接近して一致するように増加させることによって、蛍光体粒子による光の散乱が減少されることが提案されている。

欧州特許出願第１３６９９３５号において提案されている解決策の１つの不利な点は、前記蛍光体粒子が埋め込まれている媒体が、前記発光装置のサファイアと接触していなくてはならないことにある。従って、高い処理温度（process temperatures）が、前記ＬＥＤのｎ／ｐ層に損傷を与え得る。

更に、高温（即ち、２００℃よりも高い）において、前記蛍光体を含んでいる媒体の熱膨張が非常に重要である。欧州特許出願第１３６９９３５号において、エポキシ、アクリルポリマ、ポリカーボネート及びシリコンポリマは、１５０℃よりも高い温度に長期間に渡って耐えることはできない。高出力ＬＥＤの場合、動作しているＬＥＤの温度は、２５０℃まで上昇することができ、欧州特許出願第１３６９９３５号において上述されている有機媒体の全ては、これらが高出力ＬＥＤ（チップごとのｍｍ平方当たり平方当たり５ワット）のための用途において燃え尽きるので、欠点を有しているものである。

従って、新しい発光装置を得る必要性が存在し、前記新しい発光装置とは、高い処理温度に対する感度が低く、改善された光の抽出特性を有する。

本発明の目的は、高い処理温度に対する感度が低く、かつ、改善された光抽出を有する発光装置を得ることにある。

この目的は、光を発する光源を有する発光装置と、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている、第１材料とを有する発光装置であって、前記第１材料はセラミック材料を有しており、接触層が前記光源を前記第１材料に接続するように前記光源上に配されている発光装置によって、達成される。

前記接触層は、カルコゲニドガラスから作られることもでき、この厚さは、２ないし３ミクロンの範囲にあることができる。

前記のような接触層の使用により、前記第１材料と前記光源との間の直接的な接触を防止することができる。従って、高い処理温度における前記光源の損傷のリスクは最小化される。

前記第１材料は、例えば、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、イットリウム‐アルミニウム‐ガーネット（ＹＡＧ，Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＡｌＯＮ、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）（ＡｌＯＮ）、及びチタニア（ＴｉＯ_２）ドープされたジルコニア（ＺｒＯ_２）、又はこれらの混合物を有することができ、前記光源の少なくとも一部に配される。前記第１材料は、１．７５よりも大きい屈折率を有するのが好ましい。

前記光源は、１．７５よりも大きい屈折率を有する無機の第２材料を有する、発光ダイオード（ＬＥＤ）であっても良い。例えば、前記第２材料は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）であることができる。

本発明によれば、前記光源と、前記光を受け取るように配されている前記セラミック材料との間の屈折率の一致が、得られる。更に、前記セラミック材料は、おおよそ前記光源（即ちサファイア）と同じ膨張係数を有し、非常に長い期間に渡る２５０℃までの動作温度における結果として得られる。このことは、従来技術の発光装置と比較して、大幅に改善された光の抽出特性を提供すると共に、有機材料を受光材料として使用する際に観測される劣化問題は、回避される。

本発明による発光装置は、ルミネセンス材料を更に有することができる。前記ルミネセンス材料は、粒子の形態、即ち蛍光体であることもでき、該蛍光体は、前記第１材料内に均一に分散される。

セラミックの使用は、前記蛍光体粒子の非常に均一な分散を可能にする。

前記ルミネセンス材料は、前記第１材料内に、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている層として配されることもできる。前記ルミネセンス材料は、例えば、青色光を白色光に変換するＹＡＧ：Ｃｅであっても良い。

本発明による発光装置は、更に、反射コーティングを有することができ、前記反射コーティングは、前記第１材料を少なくとも部分的に囲んでいる。

本発明は、光を発する光源を設けるステップと、前記光源上に接触層を配するステップと、前記光の少なくとも一部を受け取るように、セラミック材料を含んでいる前記第1材料を、焼結処理によって設けるステップとを有する発光装置を製造する方法にも関する。

当該方法は、更に、前記第１材料との共焼結により、均一に分散されている粒子の形態で、ルミネセンス材料を設けることを含んでいる。代替的には、前記方法は、更に、前記第１材料内に、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている層として、ルミネセンス材料を設けることを含んでいる。

本発明に至った研究活動において、本発明者らは、驚いたことに、（高いｎ_ｄを有する）セラミック材料を有する抽出体と、前記抽出体の材料及び前記光源の材料を接続する接触層とを持つ発光装置は、高い処理温度に対する感度が低いことを発見した。前記のような装置は、改善された光抽出特性も有する。

発光装置（１）は、本体を形成している第１材料(２)を有する。前記第１材料は、セラミック材料を有する。セラミックとは、結晶構造が、単結晶の形態又は多結晶の形態において材料内に存在する材料である。単結晶は、混合物（meld）から成長し、必要とされる形状内に研磨される。多結晶セラミックは、粉末法（powder route）によって整形され、緻密化のために焼結される。

前記第１材料は、適切には透明であって、１．７５よりも大きい屈折率を有する。代替的には、前記第１材料は、２．２よりも大きい屈折率を有する。

前記のような本体に使用されるべきセラミック材料の例は、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、イットリウム‐アルミナ‐ガーネット（ＹＡＧ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ＭｇＡｌＯＮ、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、ＡｌＯＮ及びチタニア（ＴｉＯ_２）ドープされたジルコニア（ＺｒＯ_２）である。しかしながら、高いｎ_ｄを保証する如何なるセラミック材料も、本発明によって使用されることができる。更に、上述のセラミック材料の混合物が使用されることもできる。

前記本体は、前記装置の光源（３）によって生成される光の少なくとも一部を受け取る。前記本体は、前記光を効率的に抽出し、該光を外側に通過させることが重要である。合計の光出力は、最適化されなければならない。

前記本体の上部は、必要とされる光放出のパターンが生成されるような仕方で整形されている。本発明による発光装置のために使用されるべき形状の例は、図１及び２に示されている。

接触層（７）は、ＬＥＤと前記本体とを接続するように、前記ＬＥＤ上に配されている。これにより、前記ＬＥＤの材料と前記本体との間の直接的な接触は存在しない。前記接触層は、好ましくは、ガラス状の層であり、例えば、カルコゲニドガラスから作られることもできる。前記接触層は、例えば、約２ないし３ミクロンの厚さを有していても良い。この色の種類のガラスのフィルタ係数（黄、橙又は赤）は、非常に薄い層が使用される場合、非常に低い。

前記本体は、光を変換するためのルミネセンス材料（即ち蛍光体）を備えている。本明細書で使用されているように、「ルミネセンス材料」とは、ある波長の光を吸収し、異なる波長の光を発する材料を称している。本発明と関連して使用されるベき蛍光体の一例は、ＹＡＧ：Ｃｅである。ＹＡＧ：Ｃｅ、は、蛍光体作用のためにセリウム３＋をドープされた、イットリウムアルミン酸塩（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、又はイットリウムアルミニウムガーネットに関連している。

ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体は、自身の蛍光体（ルミネセント）活性度を損なうことなく、ＹＡＧ及びアルミナと共に焼結されることができる。従って、ＹＡＧ又はアルミナは光抽出体であって、前記アルミナ内に埋め込まれているＹＡＧ：Ｃｅの混合物は、共焼結されている（共焼成されている）。ＹＡＧ：Ｃｅの耐熱指数は、アルミナ及びＹＡＧの耐熱指数にほぼ等しい。

蛍光体は、前記本体内に均一に分散されている粒子（４）の形状におけるものであっても良い。しかしながら、他の構成は、例えば、前記本体内に蛍光体層（５）を設けるようなものであることもできる。光抽出のための前記本体内への蛍光体の組み込みは、光の拡散を生じさせ、透明材料の適格を得ている。

前記本体及び前記光源は、基板（８）上に取り付けられている。

前記本体の外側は、コリメートするために反射性（正反射又は拡散）のものである。図１及び図２において、反射層（６）が組み込まれているが、外部の反射器も可能性を有している。

反射層（６）は、前記光を材料（２）内に反射し、このように、前記材料は、前記光を収集する。拡散コーティング（例えば、緻密化されておらず、この結果、９９％の全反射率を有する白色拡散性になるアルミナ粉末層）の場合、前記光は収集される。正反射コーティング（Ａｌ又は銀）の場合、前記光は、反射される。

前記光が、媒体（透明である）内に正反射されている場合、前記光は、再びコリメートされる。図２において、前記媒体が透明である場合、前記正反射層は、実際の反射器として機能する。

反射コーティング（６）又は外部の反射器は、少なくとも部分的に、前記本体を囲んでいる。この文脈において「少なくとも部分的に」とは、光ビームを規定するために、上側にコーティングが設けられておらず、薄いガラス層（７）は、発光装置（３）のサファイアに前記光抽出体を接触させる場所にコーティングが設けられていないことを意味している。

本発明による発光装置の光源は、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。しかしながら、レーザダイオード（ＬＤ）も使用されることができる。

前記ＬＥＤは、１．７５よりも大きい屈折率を有する無機性の第２材料を有する。代替的には、前記ＬＥＤは、２．２よりも大きい屈折率を有する無機材料を有する。前記ＬＥＤ内で使用されるべき無機性の第２材料の一例は、サファイアである。

青色ＬＥＤは、サファイア（単結晶アルミナ）基板上でｎ／ｐ発光層（ＩｎＧａＮベース）を成長させることによって構成される（「フリップチップ修正」、電極の接続が前記ＬＥＤの低い側にあり、この結果、ワイヤ結合が上側に設けられることを意味する）。

ＬＥＤの屈折率と、前記本体の屈折率とは、ほぼ同じであっても良い。例えば、前記ＬＥＤの屈折率と前記本体の屈折率との間の差がゼロに近くても良い又はゼロであっても良い。しかしながら、一部の材料の組み合わせの場合、前記屈折率間に差があることもある。前記本体の高い屈折率は、コリメートを改善する。

本明細書において使用されている、屈折率（ｎ_ｄ）とは、
ｎ_ｄ＝ｃ／（ｖ_phase）
を称している。ここで、ｃは光速、ｖ_{ｐｈａｓｅ}は位相速度である。これは、一方の媒体から他方の媒体に通過する光に対して生じる屈折の量を与えている。

前記本体は、当該装置の前記光源（即ち前記ＬＥＤ）の少なくとも一部に直接的に配されることができる。例えば、前記本体は、前記光源の全体の外面上に配されている。前記本体は、結合分離（de-bind）及び焼結よりも、射出成形によって製造されることもできる。射出成形に加えて、前記本体は、ゲルキャスティング、又はスリップキャスティングによって、作られることもできる。

本発明は、ＬＥＤが使用される全ての光アプリケーションに利用されることができる。これは、特に、動作しているＬＥＤの温度が２５０℃まで上昇し得る適切な高出力ＬＥＤである。

本発明による発光装置は、光を発する光源を設け、前記光源上に接触層を配し、前記光の少なくとも一部を受け取るために、焼結処理によって、第１材料（セラミック材料を含む）を設けることによって製造されることができる。

前記方法は、更に、ルミネセント材料を、前記第１材料との共焼結によって、均一に分散された粒子の形態で、設けることを含んでいる。代替的には、前記方法は、更に、前記第１材料内に、前記光の少なくとも一部を受け取るために位置されている層としてルミネセント材料を設けることを有している。

当該装置は、当業者に良く知られている従来の方法によって製造されることができる。

光変換のための蛍光体粒子を有する、本発明による発光装置を示している。 光を変換するために組み込まれている蛍光体層を有する、本発明による発光装置を示している。

Claims (16)

1. − 光を発する、光源と、
   − 前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている、第１材料と、
   を有する発光装置であって、前記第１材料は、セラミック材料を有しており、接触層が、前記光源を前記第１材料に接触させるために前記光源上に配されていることを特徴とする発光装置。
2. 前記接触層が２ないし３ミクロンの範囲の厚さを有している、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記接触層がカルコゲニドガラスから作られている、請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記第１材料は、多結晶アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、イットリウム‐アルミニウム‐ガーネット（ＹＡＧ，Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、ＭｇＡｌＯＮ、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）ＡｌＯＮ、及びチタニア（ＴｉＯ_２）ドープされたジルコニア（ＺｒＯ_２）、又はこれらの混合物から成るグループから選択された材料を有している、請求項１ないし３の何れか一項に記載の発光装置。
5. 前記光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）である、請求項１ないし４の何れか一項に記載の発光装置。
6. 前記ＬＥＤは１．７５よりも大きい屈折率を有する無機性の第２材料を有している、請求項５に記載の発光装置。
7. 前記第２材料はサファイアである、請求項６に記載の発光装置。
8. ルミネセント材料を更に有している、請求項１ないし７の何れか一項に記載の発光装置。
9. 前記ルミネセント材料が粒子の形態である、請求項８に記載の発光装置。
10. 前記粒子が前記第１材料内に均一に分散されている、請求項９に記載の発光装置。
11. 前記ルミネセント材料は、前記第１材料内に、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている層として配されている、請求項８に記載の発光装置。
12. 前記ルミネセント材料はＹＡＧ：Ｃｅである、請求項８ないし１１の何れか一項に記載の発光装置。
13. 前記第１材料を少なくとも部分的に囲んでいる反射コーティングを更に有する、請求項１ないし１２の何れか一項に記載の発光装置。
14. − 光を発する光源を設けるステップと、
    − 前記光源上に接触層を配するステップと、
    − 焼結処理によって、セラミック材料を含む、第１材料を、前記光の少なくとも一部を受け取るように設けるステップと、
    を有する発光装置を製造する方法。
15. − ルミネセント材料を、前記第１材料との共焼結により、均一に分散された粒子の形態で、設けるステップ、
    を更に有する請求項１４に記載の方法。
16. − ルミネセント材料を前記第１材料内に、前記光の少なくとも一部を受け取るように位置されている層として設けるステップ、
    を更に有する請求項１４に記載の方法。

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