JP5951180B2 - 飽和変換材料を有するエミッタパッケージ - Google Patents
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Description
本発明は、飽和変換材料を有するエミッタパッケージに関し、より詳細には、固体エミッタ、その発光波長が変換材料によって変換される発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオードに関する。
本出願は、２００２年６月１３日に出願したケラー（Ｋｅｌｌｅｒ）らの米国仮出願第６０／３８８，３２７号の利益を主張するものである。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する固体デバイスであり、一般に、２つの互いに反対にドープされた半導体層に挟まれた半導体材料の活性層を備えている。これらのドープ層を横切ってバイアスが印加されると、正孔及び電子が活性層内に弾き出され、そこでそれらの正孔及び電子は再結合して光を発生する。この光は、活性層及びＬＥＤの全表面から全方向に放出される。最近のＬＥＤ（例えば、ＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤなど）の進歩の結果、フィラメントベースの光源の効率を凌ぐ高効率の光源がもたらされ、それによって、入力電力に応じた同等以上の明るさの光が提供されるようになった。
固体半導体レーザダイオードは、ＬＥＤとほぼ同じ方法で電気エネルギーを光に変換する。これらはＬＥＤと構造的に類似しているが、２つの対向面上にミラーを備え、その一方は部分透過型である。端面発光レーザの場合、２つのミラーは側面上にあり、光フィードバックをもたらして誘導放出が生じ得るようになる。この誘導放出は、高度な平行／コヒーレント光源をもたらす。縦型キャビティーレーザは、端面発光レーザとほぼ同じ働きをするが、ミラーが上下にある。縦型キャビティーレーザは、その上表面から同様な平行出力をもたらす。あるタイプの固体レーザは、電流を光に変換する点でＬＥＤより効果的にすることができる。
緑色発光ＬＥＤは、ＩＩＩ族窒化物ベースの材料系を含む様々な材料系から製作することができる。しかし、従来の緑色発光ＬＥＤは、一般的には、歩留まりが低くなる傾向があり、バッチ間の均一な発光特性を備えさせて製作することは困難だと考えられていた。このＬＥＤは、単一バッチ内のウェハ全体にわたる大きな波長変動も示し、駆動電流や駆動温度などの動作条件で、強い波長変動及び発光変動を示すことがある。
燐光体、ポリマー及び染料を使用してＬＥＤを囲んでＬＥＤ光を異なる波長にダウンコンバートし、それによって、ＬＥＤによって発光される光を修正する。例えば、単一の青色発光ＬＥＤを黄燐、ポリマー又は染料で囲む。典型的な燐光体は、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｃｅ：ＹＡＧ）である（日亜化学工業株式会社、白色ＬＥＤ、部品番号、ＮＳＰＷ３００ＢＳ、ＮＳＰＷ３１２ＢＳ他、参照、また、ロウェリー（Ｌｏｗｅｒｙ）の米国特許「燐光体ＬＥＤデバイスの多重カプセル化（Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices）」（特許文献１）参照）。周囲の燐光体材料は、いくつかのＬＥＤ光の波長を「ダウンコンバート」し、それを異なる波長で再放出し、その結果、全体の「ＬＥＤパッケージ」が２つの波長の光を放出するようになる。黄色燐光体によって囲まれた青色発光ＬＥＤの場合、いくらかの青色光が変換されずに燐光体を通過し、残りの光は黄色にダウンコンバートされる。燐光体を通過する青色光は、ＬＥＤパッケージによって放出される全ての色の光の中で主要な働きをする。ＬＥＤパッケージは青色光と黄色光のどちらも放出し、それらの光は結合して白色光をもたらす。
これらのタイプのＬＥＤパッケージでは、ダウンコンバート材料を用いて光源（ＬＥＤ）が均質な光を放出するようにするのが難しいことがある。再現性及び量産性も問題である。というのは、変換材料の層厚の僅かなばらつきでさえ放出された光の色を変えることがあるからである。ホーン（Ｈｏｈｎ）らの米国特許には、ＬＥＤを取り囲み、変換材料を安定な分散状態で含有し、それによってＬＥＤからの光がより均質に現れるようにする鋳込み組成（ｃａｓｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を開示している（特許文献２参照）。一つの実施形態では、変換材料（発光物質）は、一般式Ａ3Ｂ5Ｘ12：Ｍの燐光体グループであり、粒子寸法＜２０μｍで、かつ結晶粒径ｄ50＜５μｍである。青色ＬＥＤを囲む黄色変換材料を含むＬＥＤパッケージと同様に、ＬＥＤ光のかなりの部分を通過させ、残りのＬＥＤ光をダウンコンバートするように鋳込み組成を構成する。
黄色ダウンコンバート材料に囲まれた典型的な青色ＬＥＤの他の欠点としては、得られる白色光が受け入れ難い色温度となり演色性（ｃｏｌｏｒ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ）が乏しくなることがあり、そのため、このＬＥＤが標準の室内照明に適さなくなることである。ソールス（Ｓｏｕｌｅｓ）らの米国特許には、緑色及び赤色のダウンコンバート燐光体で覆われた青色ＬＥＤ（またはレーザダイオード）が開示されている（特許文献３参照）。黄色ダウンコンバート材料によって囲まれた青色ＬＥＤと同様に、この緑色／赤色燐光体は、青色ＬＥＤ光のいくらかを吸収し、赤色光及び緑色光を再放出し、その結果、ＬＥＤと燐光体の両方が、結合して白色光になる光を放出する。ソールス（Ｓｏｕｌｅｓ）らは、得られる白色光が改善された色温度及び演色性を備えていることを開示している。
黄色ダウンコンバート材料を含む典型的な青色ＬＥＤの他の欠点としては、この材料が劣化し、その結果、色調ずれが生じこの蛍光材料がだんだん暗くなることがある。シミズ（Ｓｈｉｍｕｚｕ）らの米国特許には、発光部品（例えば、ＬＥＤやレーザダイオード）とこの発光部品によって放出された光の一部分を吸収し吸収光の波長と異なる波長の光を放出可能な燐光体とを設けることにより、この問題を解決するＬＥＤが開示されている（特許文献４参照）。この発光部品は、窒化物ベースの半導体と特別なガーネット蛍光材料を含有する燐光体とを備える。シミズ（Ｓｈｉｍｕｚｕ）らは、この燐光体が優れた耐光性を備え、その結果、長期間にわたって使用されるとき、蛍光特性がほとんど劣化しないことを開示している。
光取り出し（ｌｉｇｈｔ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）は、活性層と屈折率ｎが約３．５のドープ層とを備えた従来のＬＥＤにおいて認識された別の問題である。次いで、ＬＥＤを屈折率ｎが約１．５のエポキシ中に封入する。スネルの法則を適用すると、約０．４４３ラジアンの角度θ内の活性領域からエポキシとの界面に垂直に放出された光だけがＬＥＤの上面から出ることができることが判る。これより大きい角度の場合、光は全内反射によってＬＥＤ内に補足され、その結果、光のほんの一部分（いくつかの場合では約９．６％）のみが発光に寄与する。ブリエンス（Ｖｒｉｅｎｓ）らの米国特許には、優れた光変換性及び光取り出し性を備えるＵＶ／青色ＬＥＤ燐光体デバイスが開示されている（特許文献５参照）。このデバイスは、反射器及び燐光体を適切に位置決めすることによってＬＥＤの端面が放出する光のほとんどを使用する。このデバイスは、デバイス上の１つ又は複数の誘電体フィルタを使用することにより、傾斜発光とＵＶ／青色ＬＥＤ燐光体デバイスによって放出される可視光の色とに影響を及ぼすこともできる。一つの実施形態では、発光デバイスを反射器付きのカップ状ヘッダ中に載置し、次いで、このヘッダを均質に混合した燐光体を含む透明材料で充填する。このデバイスでは、燐光体によって全ての光は吸収されないことが予想され、このデバイスにその上に載置されたガラス板を備えて、燐光体結晶粒子によって吸収されないＵＶ／青色光が空気中に出て行かないようにする。他の実施形態では長波域フィルタ（ＬＰＷ）をガラス板に隣接して追加して、ＵＶ／青色光を燐光体に反射し、燐光体から放出された可視光を透過させる。
上述した全てのＬＥＤパッケージは共通の特性を備えている。それぞれＬＥＤ（またはレーザダイオード）からの光の一部分が吸収されずに変換材料を通過し、ほとんどの場合、通過する光がＬＥＤパッケージによって発光される全ての色において重要な役割をもっている。
したがって、本発明は、製作し易く高歩留まりの固体エミッタパッケージを提供し、同時にパッケージのバッチ間の限られた波長変動と経時的に動作に適合する波長及び発光特性とを示す飽和変換材料を有するエミッタパッケージを提供することを目的とする。
本発明による飽和変換材料を有するエミッタパッケージの一実施形態は、半導体エミッタと変換材料を備えている。この変換材料は、半導体エミッタから放出されるほぼ全ての光を吸収し、１つ又は複数の異なる光の波長スペクトルで再発光するように構成されている。この変換材料は、再放出される光がエミッタパッケージから放出されるときにそれを遮断するような、変換材料の余分が無いようにも構成されている。このエミッタパッケージは、１つ又は複数の波長のスペクトルで変換材料から光を放出する。
また、本発明による飽和変換材料エミッタパッケージの他の実施形態は、１つ又は複数の半導体エミッタを備え、そのそれぞれがバイアスに応答して発光する。半導体エミッタがその底部に配置された金属カップを備えている。半導体エミッタにバイアスを印加してそれらを発光させるために、複数の導体を半導体エミッタに結合させている。半導体エミッタからの光が変換材料を通過し、変換材料が半導体エミッタからの光をほぼすべて吸収し、１つ又は複数の異なる光の波長で光を再放出するように、変換材料を構成する。また、再放出される光がエミッタパッケージから放出されるときにそれをほとんど遮断しないように、この変換材料を構成する。このエミッタパッケージは、１つ又は複数の波長スペクトルで変換材料から光を放出する。
本発明によるエミッタパッケージの一実施形態では、半導体エミッタがＵＶ青色で発光するＬＥＤを備え、このＬＥＤ光が緑色燐光体を通過する。この燐光体は光によって飽和し、その結果パッケージがスペクトルの緑の部分で発光するようになる。この構成によって、従来の窒化物ベースの緑色ＬＥＤより優れるいくつかの利点がもたらされる。緑色ＬＥＤとは違って、緑色燐光体の発光スペクトルは固有の材料によって本質的に固定され、したがって、波長変動を受け難くなる。また、一般的に、燐光体は、スペクトル的により広い発光スペクトルを有し、それは用途によっては望ましいことがある。
本発明による飽和変換材料を通過するＬＥＤからの光は、燐光体の変換効率が単一ではないこと及びストークスシフト（ｓｔｏｋｅｓ ｓｈｉｆｔ）の故に損失を受けることがある。しかし、この損失は許容可能である。というのは、本発明によるＬＥＤパッケージの好ましい実施形態は、ＵＶ及び青色で発光するＩＩＩ族窒化物ベースＬＥＤなどの高効率、高歩留りＬＥＤを含み、それによって損失を補償し、その結果、典型的なＬＥＤに比べてより高い発光効率のＬＥＤパッケージがもたらされるからである。
この技術は、固体照明用の多岐にわたる順応性のある製品の製作及び開発によく適している。本発明によるＬＥＤパッケージの可能な用途には、それだけには限らないが、交通信号灯、表示装置、専用照明、信号等が含まれる。本発明では青色及び赤色エミッタを組み合わせて使用して白色光を放出するＬＥＤパッケージを製作することもでき、このＬＥＤパッケージは、高効率、光演色性の固体照明を必要とするほとんどどんな用途にも適しているはずである。この用途には屋内外の商用及び居住建築用照明、自動車テールライト、表示装置、フラッシュバルブ、ならびに一般照明が含まれる。これによって、累積的なエネルギー節約及び環境影響の低減がもたらされる。
本発明のこれら及び他のさらなる特徴及び利点は、添付の図面と共になされた以下の詳細な説明から、当業者には明らかになるであろう。
本発明のこれら及び他のさらなる特徴及び利点は、添付の図面と共になされた以下の詳細な説明から、当業者には明らかになるであろう。
図１は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの一実施形態を説明するための断面図である。このＬＥＤパッケージ１０は、互いに反対にドープされた２層に挟まれた活性層を一般的に備えるＬＥＤ１２（１つ以上のＬＥＤを使用することもできる）を備えている。これらの活性層は標準的な厚さであり、互いに反対にドープされた層間にバイアスを印加すると、活性層が全方向に光を放出する。このＬＥＤ１２の層は、相異なる多くの半導体材料系で作製することができ、このＬＥＤ１２は相異なる多くの色の光を放出することができる。また、ＬＥＤ１２は、青色光を放出することが好ましく、青色光の高効率放射を提供するＩＩＩ族窒化物ベースの材料系からの半導体材料で形成することができる。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と周期律表のＩＩＩ族元素、通常、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）との間で形成された半導体化合物のことを示している。この用語はＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなどの三元化合物（ｔｅｒｎａｒｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）及び三級化合物（ｔｅｒｔｉａｒｙ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）のことも示している。
ＬＥＤ１２は、基板上に積層形成されたＬＥＤの活性層と互いに反対にドープされた複数の層とを含む基板を備えることもできる。この基板は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、シリコン（Ｓｉ）、又は炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの相異なる多くの材料で形成することができ、ＳｉＣの４Ｈポリタイプが基板として好ましい。３Ｃ、６Ｈ及び１５Ｒポリタイプを含む他のＳｉＣポリタイプを使用することもできる。適切な結晶構造転位をもたらすために基板と他のＬＥＤ層の間にバッファ層を含むこともできる。炭化ケイ素は、サファイアに比べてＩＩＩ族窒化物と結晶格子がはるかに近くマッチし、その結果、より高品質のＩＩＩ族窒化膜が得られる。炭化ケイ素は、極めて高い熱伝導性も備え、そのため、（サファイア上に形成された、いくつかのデバイスにおけるように）炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの出力電力が基板の熱放散によって制限されない。炭化ケイ素基板の使用可能性は、また、デバイスの分離機能及び寄生容量の減少をもたらし、商用デバイスを可能にする。ＳｉＣ基板は、ノースカロナイナ州ダラムのクリーリサーチ有限会社から入手でき、その製造方法は、科学文献並びに米国再発行特許（特許文献６参照）及び米国特許に公表されている（特許文献７及び８参照）。
このＬＥＤの活性層及び互いに反対にドープされた層は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）などの知られた半導体製造法を使用して基板上に形成する。同様にＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長の技法も、科学文献、ならびに米国特許に報告されている（特許文献９、１０、１１、１２参照）。
ＬＥＤ１２は、第１及び第２コンタクトを備え、各コンタクトをそれぞれの互いに反対にドープされた層とオーミック接触になるように構成することもできる。コンタクトに印加されたバイアスが互いに反対にドープされた層に伝わり、その結果、電子及び正孔がＬＥＤの活性層内に注入され、そこでそれらの電子及び正孔は再結合して活性層を発光させる。
機械的に安定させるために、ＬＥＤ１２をサブマウント１４上に搭載することもできる。このサブマウント１４は、ＬＥＤ１２に付与される電流量又は電力量を制御するため、あるいはＬＥＤ１２に印加される電気信号を修正するための電気回路を含むことができる。サブマウント１４は、ＬＥＤパッケージ１０を静電気ショックに強くするための構成部品及び回路も備えることができる。サブマウント１４を「金属カップ」１８の水平な底面１６に搭載するが、この底面１６は、一般的に、ＬＥＤ１２のコンタクト間にバイアスを印加してＬＥＤ１２を発光させるための第１導通路（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐａｔｈ；導体）２０及び第２導通路２２を有している。あるいは、サブマウント１６及びその電気回路を通して、バイアスを全部又は部分的にＬＥＤ（またはそのコンタクト）に印加することもできる。この金属カップ１８は、ＬＥＤ１２から放出された光を反射する反射面２１を備えることができ、そのため、ＬＥＤパッケージ１０から放出される全ての光に寄与する。
ＬＥＤ１２、サブマウント１４、ならびに第１導通路２０及び第２導通路２２は、シリコン、樹脂、又はエポキシなどの放射線に対する耐久性があり透明な材料、好ましくはエポキシ材料で作製される保護層２４中に包み込まれている。ＬＥＤパッケージ１０の製作の際にエポキシを金属カップ１８内に注入して底部を充填し、それによって、ＬＥＤ１２と、サブマウント１６と、第１導通路２０及び第２導通路２２をエポキシで覆うようにし、次いでエポキシを硬化させる。
さらに、ＬＥＤ１２は、透明材料層（保護層）２４の上面に変換材料層（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｌａｙｅｒ）２６を備え、この変換材料層２６も、透明材料層２４と同様に放射線に対する耐久性があり透明な材料で作製され、その層全体にわたって分布する変換材料２８（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）も備えている。この変換材料２８は、燐光体（ｐｈｏｓｐｈｏｒ）、蛍光染料（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｄｙｅ）又はフォトルミネセンス半導体などの１つ又は複数の蛍光材料、又は燐光材料でよい。以下に、変換材料２８として使用でき、励起の後で再放出される色でグループ分けした燐光体をリストアップする。
＜赤色＞
Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｂｉ3+
ＹＶＯ4：Ｅｕ３+，Ｂｉ3+
ＳｒＳ：Ｅｕ2+
ＳｒＹ2Ｓ4：Ｅｕ2+
ＣａＬａ2Ｓ4：Ｃｅ３+
（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ2+
Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ3+，Ｂｉ3+
Ｌｕ2Ｏ3：Ｅｕ3+
（Ｓｒ2-xＬａx）（Ｃｅl-xＥｕx）Ｏ4
Ｓｒ2Ｃｅ1-xＥｕxＯ4
Ｓｒ2-xＥｕxＣｅＯ4
Ｓｒ2ＣｅＯ4
ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ3+，Ｇａ3+
＜オレンジ色＞
ＳｒＳｉＯ3：Ｅｕ，Ｂｉ
＜黄色／緑色＞
ＹＢＯ3：Ｃｅ3+，Ｔｂ3+
ＢａＭｇＡｌ10Ｏl7：Ｅｕ2+，Ｍｎ2+
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）2Ｓ4：Ｅｕ2+
ＺｎＳ：Ｃｕ+，Ａｌ3+
ＬａＰＯ4：Ｃｅ，Ｔｂ
Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+，Ｍｎ2+
（（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｓｅ，Ｌａ，Ｓｍ）3（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（（Ｇｄ，Ｙ）1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｙ1-p-q-rＧｄpＣｅqＳｍr）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12
Ｙ3（Ａｌ1-sＧａs）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｙ，Ｇａ，Ｌａ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+
Ｇｄ3Ｉｎ5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｇｄ，Ｙ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+，Ｐｒ3+
Ｂａ2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+
（Ｙ，Ｃａ，Ｓｒ）3（Ａｌ，Ｇａ，Ｓｉ）5（Ｏ，Ｓ）12
Ｇｄ0.46Ｓｒ0.31Ａｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06
（Ｂａ1-x-yＳｒxＣａy）ＳｉＯ4：Ｅｕ
Ｂａ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+
＜青色＞
ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ
＜黄色／赤色の混合色＞
Ｙ3Ａｌ5Ｏl2：Ｃｅ3+，Ｐｒ3+
＜白色＞
ＳｒＳ：Ｅｕ2+，Ｃｅ3+，Ｋ+
Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+，Ｂｉ3+
ＹＶＯ4：Ｅｕ３+，Ｂｉ3+
ＳｒＳ：Ｅｕ2+
ＳｒＹ2Ｓ4：Ｅｕ2+
ＣａＬａ2Ｓ4：Ｃｅ３+
（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ2+
Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ3+，Ｂｉ3+
Ｌｕ2Ｏ3：Ｅｕ3+
（Ｓｒ2-xＬａx）（Ｃｅl-xＥｕx）Ｏ4
Ｓｒ2Ｃｅ1-xＥｕxＯ4
Ｓｒ2-xＥｕxＣｅＯ4
Ｓｒ2ＣｅＯ4
ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ3+，Ｇａ3+
＜オレンジ色＞
ＳｒＳｉＯ3：Ｅｕ，Ｂｉ
＜黄色／緑色＞
ＹＢＯ3：Ｃｅ3+，Ｔｂ3+
ＢａＭｇＡｌ10Ｏl7：Ｅｕ2+，Ｍｎ2+
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）2Ｓ4：Ｅｕ2+
ＺｎＳ：Ｃｕ+，Ａｌ3+
ＬａＰＯ4：Ｃｅ，Ｔｂ
Ｃａ8Ｍｇ（ＳｉＯ4）4Ｃｌ2：Ｅｕ2+，Ｍｎ2+
（（Ｇｄ，Ｙ，Ｌｕ，Ｓｅ，Ｌａ，Ｓｍ）3（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（（Ｇｄ，Ｙ）1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｙ1-p-q-rＧｄpＣｅqＳｍr）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12
Ｙ3（Ａｌ1-sＧａs）5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｙ，Ｇａ，Ｌａ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+
Ｇｄ3Ｉｎ5Ｏ12：Ｃｅ3+
（Ｇｄ，Ｙ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+，Ｐｒ3+
Ｂａ2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+
（Ｙ，Ｃａ，Ｓｒ）3（Ａｌ，Ｇａ，Ｓｉ）5（Ｏ，Ｓ）12
Ｇｄ0.46Ｓｒ0.31Ａｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06
（Ｂａ1-x-yＳｒxＣａy）ＳｉＯ4：Ｅｕ
Ｂａ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+
＜青色＞
ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ
＜黄色／赤色の混合色＞
Ｙ3Ａｌ5Ｏl2：Ｃｅ3+，Ｐｒ3+
＜白色＞
ＳｒＳ：Ｅｕ2+，Ｃｅ3+，Ｋ+
上述したリストのうちから、青色及び／又は白色（ＵＶ）の発光スペクトルにおける励起を有すること、望ましいピーク発光をもたらすこと、効果的な光変換性を有すること、許容できるストークスシフトにより、以下の燐光体がＬＥＤパッケージ１０中の変換材料２８として使用するのに最も適している。
＜赤色＞
Ｌｕ2Ｏ3：Ｅｕ3+
（Ｓｒ2-xＬａx）（Ｃｅ1-xＥｕx）Ｏ4
Ｓｒ2Ｃｅl-xＥｕxＯ4
Ｓｒ2-xＥｕxＣｅＯ4
ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ3+，Ｇａ3+
＜黄色／緑色＞
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）2Ｓ4：Ｅｕ2+
Ｂａ2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+
Ｇｄ0.46Ｓｒ0.31Ａｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06
（Ｂａl-x-yＳｒxＣａy）ＳｉＯ4：Ｅｕ
Ｂａ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+
Ｌｕ2Ｏ3：Ｅｕ3+
（Ｓｒ2-xＬａx）（Ｃｅ1-xＥｕx）Ｏ4
Ｓｒ2Ｃｅl-xＥｕxＯ4
Ｓｒ2-xＥｕxＣｅＯ4
ＳｒＴｉＯ3：Ｐｒ3+，Ｇａ3+
＜黄色／緑色＞
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）2Ｓ4：Ｅｕ2+
Ｂａ2（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ2Ｏ7：Ｅｕ2+
Ｇｄ0.46Ｓｒ0.31Ａｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06
（Ｂａl-x-yＳｒxＣａy）ＳｉＯ4：Ｅｕ
Ｂａ2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+
製造の際に変換材料層２６を保護層２４の上面に注入して金属カップ１８のほとんどまたは全てを充填し、硬化させる。変換材料２８中の粒子は、ＵＶ ＬＥＤ１２によって放出された光を吸収し、吸収波長と異なる１つ又は複数の波長スペクトルで吸収した光を再放出する。この変換材料２８は、変換材料層２６が２つ以上の波長の光を再放出するようにそれぞれ異なる波長で光を再放出する２つ以上のタイプの材料を含むことができる。この変換材料２８は、変換材料層２６の全体にわたって異なる濃度のこともある。
この変換材料２８によって吸収されて再放出されるＬＥＤ光の量は、一般的にＬＥＤ光が通過する変換材料２８の量に比例する。しかし、ＬＥＤ光が過剰（ｍｕｃｈ）の変換材料２８を通過する場合は、この変換材料２８の再放出される光の一部分が、余分（ｅｘｃｅｓｓ）の変換材料２８により、ＬＥＤパッケージ１０から発光するのを遮断されることがある。このため、ＬＥＤパッケージ１０の全体の発光効率が低下することがある。ＬＥＤ光が通過する変換材料２８の量は、この変換材料２８の濃度を変えること、又は変換材料層２６の厚さを変えること、あるいはその両方によって変えることができる。
ＬＥＤパッケージ１０においては、ＬＥＤ１２からの光が十分な量の変換材料２８を通過し、それによって、ほぼ全てのＬＥＤ光が吸収され、異なる波長の光が再放出される。同時に、この再放出された光は余分な変換材料２８を通過せず、そのため、再放出された光はＬＥＤパッケージ１０から発光するのを遮断されない。十分な量の変換材料２８を供給して遮断無しで完全な変換をもたらすことによって、変換材料２８は「飽和（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）」状態になる。この変換材料２８の飽和状態において、変換材料２８の量は、ＬＥＤ１２（またはレーザ）の寸法及び光束に依存して変わる。寸法が増大して光束が増加するにつれて、より多くの変換材料２８が必要とされる。
変換材料２８の飽和状態においては、ＬＥＤパッケージ１０から放出された光は、主として、変換材料２８によって発生された光子からなる。しかし、いくつかの実施形態では、得られるパッケージ放射の色度をわずかに修正するために、ＬＥＤ光のほんの一部を吸収無しで変換材料２８を透過させることが望ましいことがある。ＬＥＤ１２の場合、ほとんどの実施形態のＬＥＤパッケージ１０は、変換材料２８が無い場合、主放射線の放出電力の１０％未満で発光する。すなわち、この変換材料２８は、ＬＥＤ１２からの光の９０％以上を吸収する。
上述したように、ＬＥＤ１２は青色を発光し、適切な変換材料は、ＳｒＧａ2Ｓ4：Ｅｕ2+（Ｓｒ：チオガレート（Ｔｈｉｏｇａｌｌａｔｅ））やＧｄ0.46Ｓｒ0.3lＡｌ1.23ＯxＦ1.38：Ｅｕ2+ 0.06などの緑色燐光体である。Ｓｒ：チオガレートは４００から４５０ｎｍの範囲のピーク励起波長を有し、Ｓｒ：チオガレートによって吸収され、次いで緑色光として再放出される青色光（または白色光）の割合は７４％±５％と見積もられ、これによって、青色（またはＵＶ）領域で励起する場合、この燐光体をより効果的なものの１つにする。青色領域での励起に効果的な、燐光体と組み合わせた高効率青色エミッタを使用すると、効果的に緑色を発光する飽和変換材料（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ）を有するＬＥＤパッケージがもたらされる。
図２乃至図４は、飽和又は飽和に近い緑色変換材料を含む青色ＬＥＤを備える本発明によるＬＥＤパッケージについての性能研究の結果を示す図である。
図２は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの出力強度とピーク発光波長の関係をグラフに示す図で、本発明による４つの異なるＬＥＤパッケージのナノメートル（ｎｍ）単位のピーク発光波長での発光性能を、それぞれのＬＥＤパッケージにおけるＬＥＤに３５０ｍＡを印加した状態で、ルーメン単位でプロットしたグラフを示す図である。このグラフ４０によれば、緑色Ｓｒ：チオガレート燐光体を変換材料として使用して、このＬＥＤパッケージは、約５３０ｎｍのピーク波長で最大５８ルーメンまで発光したが、これは典型的な緑色発光ＬＥＤの性能より大幅に改善されている。
図２は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの出力強度とピーク発光波長の関係をグラフに示す図で、本発明による４つの異なるＬＥＤパッケージのナノメートル（ｎｍ）単位のピーク発光波長での発光性能を、それぞれのＬＥＤパッケージにおけるＬＥＤに３５０ｍＡを印加した状態で、ルーメン単位でプロットしたグラフを示す図である。このグラフ４０によれば、緑色Ｓｒ：チオガレート燐光体を変換材料として使用して、このＬＥＤパッケージは、約５３０ｎｍのピーク波長で最大５８ルーメンまで発光したが、これは典型的な緑色発光ＬＥＤの性能より大幅に改善されている。
図３は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの波長スペクトルをグラフに示す図で、このＬＥＤパッケージからの緑色Ｓｒ：チオガレート燐光体から再放出された光の発光スペクトルをオングストローム単位の強度で表したものとｎｍ単位で測った波長との関係をプロットしたグラフを示す図である。このグラフ５０によれば、各ＬＥＤパッケージは、約５３０〜５５０ｎｍに中心のある半値幅（ＦＷＨＭ）約７０ｎｍのピークを有する同様なスペクトルを示し、この半値幅は、一般の人間の目の明視の反応曲線のピークに近い。この結果、高効率の緑色光が放出された。また、出願人らはテストされるＬＥＤパッケージのそれぞれの動作を維持し、ＬＥＤパッケージのそれぞれが約１６８時間変化無しでこの発光スペクトルを維持した。このため、このＬＥＤパッケージが経時的に安定であることが示された。
図４は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの出力損失と動作時間の関係をグラフに示す図で、テストされる４つのＬＥＤパッケージ１０のうちの３つについての動作時間と光出力損失の関係をプロットしたグラフを示す図である。このグラフ６０は、それぞれについて光出力損失が経時的に最小限であることを示している。このことは、また、ＬＥＤパッケージ１０が経時的に安定であることを示し、この性能は標準の緑色発光ＬＥＤの性能に適合する。
図５は、本発明による飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージの他の実施形態を説明するための断面図で、図１に示したＬＥＤパッケージと類似の多くの特徴を備える本発明によるＬＥＤパッケージの他の実施形態を示す図である。このＬＥＤパッケージ７０は、サブマウント７４に搭載されたＬＥＤ７２を備え、次いで、このサブマウント７４は、金属カップ７８の水平な底面７６に搭載される。ＬＥＤ７２の全体にわたってバイアスを印加するために第１導体８０及び第２導体８２を設けるが、上述したのとは異なる方法でバイアスを印加することができる。ＬＥＤ７２とサブマウント７４と第１導通路８０及び第２導通路８２上に保護層８４が設けられ、この保護層８４上に変換材料層８６が設けられ、この変換材料層８６には変換材料８８が含まれている。
ＬＥＤ７２は、ＵＶ光を放出し、相異なる多くの材料系、好ましくはＩＩＩ族窒化物材料系である材料系で作製することができる。変換材料８８は、上記でリストアップした任意の材料で作製することができるが、Ｓｒ：チオガレートなどの緑色燐光体が好ましい。変換材料層８６の厚さ及びＳｒ：チオガレートの濃度は、変換材料８８が飽和状態になる、すなわち、再放出された緑色光の放出を遮断する余分の変換材料８８無しでＵＶ光の全てが吸収されるような値である。Ｓｒ：チオガレートは、白色光を吸収して緑色光を再放出するのに効果的であり、この燐光体を高効率白色ＬＥＤ７２と組み合わせて使用する結果、効果的に緑色光を放出する飽和変換材料を有するＬＥＤパッケージ７０がもたらされる。
図６は、本発明による飽和変換材料を有する半導体レーザパッケージの一実施形態を説明するための断面図で、図１に示したＬＥＤパッケージ及び図５に示したＬＥＤパッケージと類似の特徴を有する、本発明によるレーザダイオードパッケージの実施形態を示す図である。しかし、このレーザダイオードパッケージ９０は、光源としてＬＥＤを備える代わりに固体半導体レーザダイオード９２を備えている。ミラー９４，９６がこのレーザダイオード９２の２つの対向面上に設けられ、ミラー９４は部分透過型である。これらのミラー９４，９６は、高度な平行／コヒーレント光源をもたらす誘導放出が生じるように光フィードバックをもたらす。このレーザダイオード９２をサブマウント９８に搭載することができ、次いで、このサブマウント９８を、レーザダイオード９２にバイアスを印加するための第１導通路１０４及び第２導通路１０６を備える金属カップ１０２の水平な底面１００に搭載する。レーザダイオード９２とサブマウント９８と第１導通路１０４及び第２導通路１０６とを保護層１０８で覆う。変換材料層１１０は、保護層１０８上に設けられ、この変換材料層１１０は変換材料１１２を含んでいる。この変換材料１１２は、上述したどんな変換材料でもかまわない。
様々な色の光を放出する様々なレーザダイオードをレーザダイオード９２に使用することができ、このレーザダイオード９２からの光が変換材料１１２を通過し、ＬＥＤパッケージ９０が変換材料１１２の飽和状態で動作するように変換材料１１２を構成する。レーザダイオード９２からの光の全て（またはほとんど）は、変換材料１１２によって吸収され、余分の変換材料１１２によって遮断される再放出光の量を最小にしつつ、異なる波長の光として再放出される。
特に、レーザダイオード９２からの平行／コヒーレント光の場合に、ＬＥＤパッケージ９０から放出される光の均質性を向上させるために、光をそれが保護層１０８及び変換材料層１１０を通過する際に散乱させることが望ましいことがある。光を散乱させる１つの方法は、ランダムに光を屈折させる散乱粒子１１４を使用することによるものである。効果的に光を散乱させるために、散乱粒子１１４の直径は、散乱される光の波長の約二分の一でなければならない。ＬＥＤパッケージ９０では、この散乱粒子１１４を変換材料層１１０中に含ませた場合について示しているが、それらの散乱粒子１１４を保護層１０８中に含ませることもでき、又は変換材料層１１０上に配置される他の層中に形成することもできる。レーザダイオード９２からの光は、変換材料１１２を通過する際に、これらの散乱粒子１１４を通過し、屈折されて混合して広がる。
この散乱粒子１１４は、変換材料層１１０の全体にわたって均一に分布させて示すが、それらの散乱粒子１１４を変換材料層１１０の全体にわたって変化する濃度で分布させて、変換材料層１１０を通過するＬＥＤ光のパターンをマッチさせることによって最も効果的に光を散乱させることもできる。好ましい散乱粒子１１４は、レーザダイオード光をあまり吸収せず、それらが中に埋め込まれる材料（例えば、エポキシ）とかなり異なる屈折率を有するはずである。これらの散乱粒子１１４は、できるだけ高い屈折率を有すべきである。適切な散乱粒子１１４は、屈折率が高く（ｎ＝２．６〜２．９）、光散乱に有効な酸化チタン（ＴｉＯ2）で作ることができる。散乱「粒子」の主要な要件は、それらが、周囲の材料と異なる屈折率を有すること、及び、それらが、特定の寸法範囲の他の元素を有し、それによって小さいボイドまたはポアも「散乱粒子」として使用できることである。
図７は、本発明による飽和変換材料を有するエミッタパッケージの、相異なる濃度の変換材料の層を備えた実施形態を説明するための断面図で、ＬＥＤ又はレーザダイオードのどちらかである半導体エミッタを備えたエミッタパッケージの他の実施形態を示す図である。上述したＬＥＤパッケージ１０，７０及び９０と同様に、エミッタパッケージ１２０は、サブマウント１２４と反射カップ１２６と第１導体１２８及び第２導体１３０と保護層１３２と変換材料層１３４とを備えている。しかし、エミッタパッケージ１２０において、この保護層１３２は、変換材料層１３４中の変換粒子１３８の濃度とは異なる濃度の変換粒子１３６を含んでいる。この変換粒子１３６は、変換粒子１３８とは異なるタイプでもよく、このため、保護層１３２と変換材料層１３４のそれぞれが異なる色の光を再放出するようになる。図７に示す半導体エミッタ１２２は、ＬＥＤ又はレーザダイオードのどちらかである。この実施形態では、変換材料の飽和状態で動作するようにエミッタパッケージ１２０を構成する。なお、符号７６は、反射カップ１２６の水平な底面を示している。
図８は、本発明による飽和変換材料を有するエミッタパッケージの、均質な濃度の変換材料の層を備えた実施形態を説明するための断面図である。このエミッタパッケージ１５０は、図７中のエミッタパッケージ１２０と同じであるが、保護層１３２と変換材料層１３４を備える代わりに、エミッタパッケージ１５０中の金属カップ１５２が、パッケージエミッタ１５８とサブマウント１６０と第１導通路１６２及び第２導通路１６４とを保護する働きをし、その全体にわたって分布した変換材料１６６を含有する単一の変換層１５６で充填されている。変換材料１６６を均質に分布させることもでき、異なる濃度に分布させることもできる。上述したと同様に、エミッタパッケージ１５０は、変換材料１６６の飽和状態で動作し、それによって、パッケージエミッタ１５８からの光の全て（またはほとんど）を吸収し、再放出される光を著しく遮断する変換材料１６６無しで再放出するようにする。
以上、本発明の実施形態について、好ましい構成を参照しながら詳細に説明したが、その他の実施形態も可能である。上述したＬＥＤパッケージの実施形態のそれぞれは、様々な特徴を有する様々な構成部品を含むことができる。上述したＬＥＤパッケージのそれぞれは、様々な材料系で作製した半導体エミッタを備えることができ、それぞれが散乱粒子を含むことができる。上記でリストアップしたもの以外の他の変換材料を使用することもできる。したがって、本発明の技術的特徴及び範囲を上述した本発明の好ましい実施形態に限定すべきではない。
Claims (4)
- エミッタパッケージであって、
半導体エミッタと、
前記半導体エミッタの機械的な安定のためのサブマウントであって、前記半導体エミッタが取り付けられるサブマウントと、
前記半導体エミッタ及び前記サブマウントが底面に配置される金属カップであって、前記半導体エミッタから放出される光を反射するための反射面を備え、前記エミッタパッケージのエミッション全体に寄与する金属カップと、
変換材料を備える変換層と、
保護層と、
を備え、
前記変換材料の量は、前記半導体エミッタの光束と寸法に依存する量であり、前記半導体エミッタから放出される光の全てを吸収して１つ又は複数の異なる光の波長スペクトルで再放出するのに十分な量であって、再放出光の遮断を最小限とする量であり、
前記変換層は、前記半導体エミッタからの光を分散させる散乱粒子を含み、前記散乱粒子は、前記半導体エミッタからの光のパターンにマッチする濃度変化を有するように分布しており、
前記保護層は、前記金属カップ中にありかつ前記半導体エミッタを覆い、放射線に対して耐久力がありかつ透明であり、前記変換材料を有さず、前記変換材料と前記半導体エミッタとの間に介在して、前記変換材料を前記半導体エミッタから分離する
ことを特徴とするエミッタパッケージ。 - 半導体光エミッタパッケージであって、
各々が電流に応答して発光する、１つ又は複数の半導体光エミッタと、
変換材料を含む変換材料層と
を備え、
前記変換材料は、前記半導体光エミッタからの光を吸収するとともに、１つ又は複数の異なる波長の光を再放出し、
前記変換材料の量は、前記半導体光エミッタの光束と寸法に依存する量であり、前記１つ又は複数の半導体エミッタから放出される光の全てを吸収するのに十分な量であって、再放出光の遮断を最小限とする量であり、
前記変換材料層は、前記半導体エミッタからの光を分散させる散乱粒子を含み、前記散乱粒子は、前記半導体エミッタからの光のパターンにマッチする濃度変化を有するように分布していること
を特徴とするエミッタパッケージ。 - 各々がバイアスに応答して発光する１つ又は複数の半導体エミッタと、
該半導体エミッタがその底面に配置される金属カップと、
前記半導体エミッタに結合し、前記半導体エミッタにバイアスを印加するための複数の導体と、
前記半導体エミッタからの光の全てを吸収するとともに、１つ又は複数の異なる波長の光を再放出するような変換材料を含む変換材料層とを備え、
前記変換材料層は、前記半導体エミッタからの光を分散させる散乱粒子を含み、前記散乱粒子は、前記半導体エミッタからの光のパターンにマッチする濃度変化を有するように分布しており、
前記変換材料の量は、前記変換材料によって遮断される再放出光の遮断量を最小限とする量に調整されていること
を特徴とするエミッタパッケージ。 - 半導体エミッタと、
前記半導体エミッタからの光を全て吸収するとともに、１つ又は複数の異なる波長の光を再放出するような変換材料を含む変換材料層とを備え、
前記変換材料の量は、前記変換材料によって遮断される再放出光の遮断量を最小限とする量に調整されており、
前記変換材料層は、前記半導体エミッタからの光を分散させる散乱粒子を含み、前記散乱粒子は、前記半導体エミッタからの光のパターンにマッチする濃度変化を有するように分布していることを特徴とするエミッタパッケージ。
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