JP2010514187A - 有形の波長変換器を有する発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光装置から発生される全光束を強化すること
【解決手段】半導体発光デバイス２２０、３２０、４２０と、前記半導体デバイスに対して受光関係に位置する波長変換材料を含む透明セラミック体２３０、３３０、４３０を含む発光装置２００、３００、４００が提案されている。この発光装置は、セラミック体２３０、３３０、４３０の側部表面２３３、３３３、４３３は、底部表面２３１、３３１、４３１に対して斜めの角度２３４、３３４、４３４にあることを特徴とする。したがって、発光装置２００、３００、４００から発生される全光束をかなり強化できる。これとは異なり、セラミック体２３０、３３０、４３０の頂部表面２３２、３３２、４３２の明るさをかなり強化することもできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体発光デバイスと、セラミック波長変換体とを備える発光装置に関する。かかる発光装置は周知であり、特にインジケータ、ディスプレイ用バックライトユニット、自動車の（ヘッド）ランプおよび汎用照明器における光源として使用されている。

上記タイプの発光装置の一実施形態は、米国特許出願第US2005/0269582号から公知である。この文献は、セラミック体と組み合わせた、ｎ−タイプ領域とｐ−タイプ領域との間に配置された発光層を含む半導体デバイスを開示しており、セラミック体は、発光層によって発光された光の経路内に配置されている。セラミック体は、波長変換材料、例えば蛍光体から構成されるか、またはこれを含む。一般にこれらセラミック材料は、イットリウムアルミガーネット（ＹＡＧ）、イットリウムアルミシリコンオキソ窒化物（ＹＳＮ）、シリコンアルミオキソ窒化物（ＳｉＡｌＯＮ）、またはルテチウムアルミガーネット（ＬｕＡＧ）をベースとするものである。当技術分野では、上記セラミック材料を使用することにより、ＩＩＩ族窒化物のＬＥＤによって発光される「一次」光を、この一次光よりもピーク波長が長い「二次」光に変換できることが周知である。この波長変換材料は、二次光の特定のピーク波長を得るように選択できる。更に、セラミック体のサイズおよび厚み、および／または波長変換材料の濃度は、装置によって発生される光が一次的な光と二次的な光との混合から成るか、または実質的に二次的な光のみから成るように選択できる。この方法の利点は、上記ルミネッセンスセラミック体が頑丈であり、温度変化の影響を受けにくいということにある。更に、かかるルミネッセンスセラミック材料は、（ほとんど）散乱を引き起こさないので、蛍光層と比較して変換効率が良好である。

上記米国特許出願第US2005/0269582号に記載されている透明なルミネッセンスセラミック体は、散乱物が存在しない結果、１よりも（実質的に）大きい屈折率を有する容積発光体となっている。このことはかなりの欠点となっている。その理由は、透過する一次光とルミネッセンスセラミック体が発生する二次光とは、すべてのセラミック体の表面から延びるエスケープ円錐体内にあるセラミック体からしか発生できないからである。換言すれば、これら円錐体の外の光のすべては、いわゆる導波モードでセラミック体内にロックされるということである。この光は、発光装置に適用する際には利用できない。このような利用できないことは、エテンデュー（［光源が発生する光の面積］×［発散する光の立体角］）が重要である応用例（セラミック体の頂部表面の明るさが重要である）だけでなく、ルーメン臨界応用例（セラミック体から発生される全光束が重要である）の双方に対して明らかに欠点となる。従来技術の別の欠点は、透明ルミネッセンスセラミック体によって発生される光の（矩形セラミック体に対する８０％までの）かなりの量が側面を通して発生されるので、エテンデューが重要な応用例には使用できないことである。

本発明の目的は、ルミネッセンスセラミック体からの光出力を強化した上記タイプの発光装置を提供することにある。この目的は、請求項１記載の本発明に係わる発光装置により達成される。ｎタイプ領域とｐタイプ領域との間に配置された発光層を含む半導体発光デバイスと、前記半導体発光デバイスに対して受光関係に位置する波長変換材料を含む透明セラミック体とを備え、前記セラミック体は更に、前記半導体発光デバイスに向いた底部表面を更に有する発光装置は、前記セラミック体は、前記底部表面に対して斜めの角度にある少なくとも１つの側部表面を有することを特徴とする。

本発明は、斜めの側部表面を使用することにより、導波モードをアンロックした発光装置を提供するものである。したがって、セラミック体はこれらモードで前にトラップされた光を放出できる。したがって、セラミック体からの光出力は斜めの側部表面がないセラミック体から出力される光の２倍よりも大きくなり得る。更に、ほぼ同じ倍率でデバイスの明るさを高めることができる。

本発明の一実施形態では、前記斜め角は、９５°より大であるか、または８５°よりも小であり、より好ましくは前記斜め角は、１００°より大であるか、または８０°よりも小である。

本発明の一実施形態では、前記セラミック体の少なくとも１つの斜めの側部表面は、反射性コーティングを有する。このことは、通過光束および頂部表面の明るさを高めるのに好ましい。

本発明に係わる発光装置の一実施形態では、前記セラミック体と前記反射性コーティングとの間には前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている。中間層を使用することにより、反射効率を改善できる。

本発明の一実施形態では、前記セラミック体は、マイクロ波形部が設けられた頂部表面を有する。マイクロ波形部を使用することにより、セラミック体の頂部表面からの光の抽出および／または頂部表面の明るさを高めることができる。

一実施形態では、前記セラミック体は、光学的機能を含むように設けられた頂部表面を有する。好ましくは、発光装置からの応用例の特定の放射分布が実現される。

一実施形態では、前記セラミック体は、反射性コーティングが設けられた頂部表面を有する。この実施形態は、例えば光を光ガイド内に結合するように、所定の応用例における側部発光器として有利に使用できる。

一実施形態では、前記セラミック体と前記反射性コーティングとの間には前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている。

一実施形態では、前記底部表面と前記半導体発光デバイスとの間には前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている。このことも、底部表面における反射効率を高めるのに有利となっている。

以下説明する実施形態を参照すれば、本発明の上記およびそれ以外の特徴が明らかとなろう。

図面を参照する好ましい実施形態の次の説明には、本発明の上記以外の細部、特徴および利点が開示されている。

従来技術から公知となっているような半導体発光デバイスとセラミック波長変換体とを含む発光装置の一例を示す。 従来技術から公知となっているような半導体発光デバイスとセラミック波長変換体とを含む発光装置の一例を示す。 半導体発光デバイスと、斜めの側部表面を有する本発明に係わるセラミック波長変換体とを含む発光装置を示す。 セラミック波長変換体がリモート蛍光コンフィギュレーションで使用されている、本発明に係わる発光装置を示す。 半導体発光デバイスと、コーティングされた斜めの側部表面を有する本発明に係わるセラミック波長変換体とを含む発光装置を示す。 リモート蛍光応用例のための斜め角度を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体の相対的出力を示す。 光束が重要な応用例のための斜め角度を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体の相対的出力をおよび明るさを示す。 エタンデューが重要な応用例のための斜め角度を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体の相対的出力および明るさを示す。 側部発光器応用例のための斜め角度を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体の相対的出力を示す。

図１Ａおよび１Ｂは、米国特許出願第US2005/0269582号から知られるような、半導体発光デバイス５２と、セラミック波長変換体５４、５０ａ、５０ｂとを含む発光装置の２つの例を示す。図１Ａでは、セラミック波長変換体５４はドームレンズを形成するような形状となっており、図１Ｂでは、第２セラミック波長変換体５０ｂは、フレンネルレンズを形成するような形状となっており、第１矩形セラミック波長変換体５０ａの頂部の上に位置している。従来技術の変換体５４、５０ｂのレンズ形状は、高い屈折率の変換体と低い屈折率の空気との間の境界における全内部反射（ＴＩＲ）を防止しなければならない。このＴＩＲは、発光デバイス５２よりも曲率半径がかなり大きくなるようにレンズ５４の形状を定めることにより解消（または少なくとも最小に）される。しかしながら、図１の双方の実施形態では、まだＴＩＲが生じるので、セラミック波長変換体５０ａ、５０ｂ、５４の有形表面での波長ガイドモードにおける光のロックが生じる。更に、曲率半径の条件に起因し、セラミック体５０ａ、５０ｂ、５４は、半導体デバイス５２よりも実質的に大きいので、照明装置の明るさを低下させる。更に、（８０％までの）かなりの量の光がセラミック体５０ａ、５０ｂ、５４の側面から放出されるので、エテンデューが重要な応用例では、発光装置を使用するのに、このかなりの量の光が実質的に失われる。

図２には半導体発光デバイス２２０と、セラミック波長変換体２３０とを含む発光装置２００を示す、本発明の一実施形態が略図で示されている。この半導体デバイス２２０は、ｎタイプ領域とｐタイプ領域との間に配置された発光層２２１を有し、セラミック体２３０は半導体デバイス２２０に向き、発光層２２１に対して実質的に平行に配向された底部表面２３１を有する。更にセラミック体２３０は、頂部表面２３２と、セラミック体からの光出力を強化するように、底部表面２３１に対して斜めの角度２３４にある１つ以上の側部表面２３３とを有する。この斜めの角度２３４は、鋭角（９０°より小）または鈍角（９０°より大）のいずれでもよい。

発光層２２１によって発生された「一次」光２４０は、セラミック波長変換体２３０内部のポイント２４１で受光され、（少なくとも一部が）吸収される。ポイント２４１から４πの立体角にわたって「二次」光２４２が放射される。セラミック体２３０の屈折率は１より大であるので、「一次」光２４０と「二次」光２４２はこれらの光がエスケープ円錐体内にない限り、内部全反射に起因して変換体内部にトラップされる。特に透明なセラミック変換体２３０、例えば孔または空隙のような散乱中心を含まない変換体に対し、導波モードでトラップされている光の量はかなりの大きさとなる。セラミック波長変換体２３０の側面の表面２３３を、底部表面２３１に対して斜めの角度２３４となるような形状とすることにより、通常トラップされる光は。セラミック波長変換体から逃れることができる。

図２では、セラミック波長変換体２３０は基本的には半導体発光デバイス２２０に隣接しているが、本発明ではこれは不可欠なことではないと理解すべきである。また、発光層２２１に対して底部表面２３１が平行となっていることも、本発明にとって不可欠なことではない。本発明の一実施形態（図３参照）では、セラミック体２３０は、半導体デバイス３２０に対して光を受ける関係となっているが、半導体デバイス３２０からある距離に位置している。かかる実施形態は、「リモートフルオリーセンス」または「リモートフォスフォリーセンス」として知られている。半導体デバイス３２０によって発生される光は、直接および／または当技術分野で知られている任意の適当な光学系３６０を介して、セラミック波長変換体３３０の「底部」表面３３１に向くように配向されている。発光装置３００は、一般的な照明器、凹部照明器具およびディスプレイ用のバックライトユニットのような用途で有利に使用できる。更に、この装置３００は、光学系３６０の内部（図３参照）またはその外部のいずれかに側部表面３３０が位置するように組み立てることができる。後者のように、側部表面が光学系の外側にある場合、側部表面３３０から発せられる光を適当な照明用途で有利に使用できる。

本発明を実施することによる装置２００、３００の光出力の増加量は、かなりの大きさとなる。例えば１×１×０.１ｍｍ³のサイズであり、空気（ｎ＝１）によって囲まれた（ＹＡＧに類似する）１.８の屈折率を有し、表１の幾何学的形状１となっている理想化された四角形の透明セラミック波長変換体２３０、３３０を検討する。表１には、セラミック体２３０、３３０の幾何学的形状の通過光束および頂部表面、側部表面および底部表面の輝度に対する影響が記載されている。更に、底部表面または側部表面における、導波モード（ＷＧＭ）における光の損失、すなわち応用例に利用できない光を検討する。幾何学的形状１は、リモート蛍光実施形態を示す。セラミック波長変換体２３０、３３０の容積部内で生じる光の全量を１００％と仮定すると、光線トレース計算を使用した場合、導波モードで内部にロックされる光の量は約４８％となることを証明できる。四角形の変換体２３０、３３０のどの面も、同じ量の光を発生するので、頂部表面２３２、３３２は８％の光を発生し、一方、４つの側部表面２３３、３３３は３１％の光を発生すると容易に認めることができる。どの表面からも同じ量の光束が発光されることを特徴とする透明体とは対照的に、均質な半透明体は、どの表面も同じ明るさとなることを特徴とする。実際の状況では、底部表面２３１を通って発生される光を使用できないと仮定すれば、応用のために利用できない全光束は５７％（４９％＋８％）となる。

幾何学的形状２では、セラミック体２３０は、反射係数が８０％である反射性底部表面２３１を有するようにモデル化されている。この幾何学的形状は半導体デバイス２２０に隣接する四角形のセラミック波長変換体２３０を示す。この幾何学的形状は従来技術の実施形態に関係するものであるが、読者の便宜のために図２の番号の付いた要素を参照している。幾何学的形状２では、細長い四角形の１×１×０.１ｍｍ³における、この表面で多数回生じる８０％の反射に起因し、導波モードで前にロックされた光は、基本的には底部表面２３１で吸収される。次に、反射後、底部表面２３１から以前発生された光の一部だけを頂部表面２３２または側部表面２３３から放出することができる。セラミック体２３０内で発生された光の全体として６０％は照明用には利用できない。

セラミック体２３０の底部表面２３１に対し、斜めの角度２３４（この場合、１３５°）で側部表面２３３の形状が定められているリモート蛍光実施形態の場合（幾何学的形状３）、セラミック体から発せられる全光束がかなり強化される。セラミック体２３０の頂部表面２３２を介し、導波モードをアンロックすることにより（幾何学的形状１と比較）、最大の改良を実現できる。再び底部表面を通過する光束が利用できないと仮定すれば、照明用途で利用できる全光束は、発生される光の３９％（頂部表面の８％＋側部表面の３１％）から８８％（２９％＋５９％）まで増加する。この幾何学的形状は、ルーメンが重要である応用例に対して特に適す。これらのことは一般に、光軸に対して大きい角度で受光される、光をみたすことができる二次光学系に当てはまる。

表１における幾何学的形状４のように、半導体発光デバイス２２０に隣接した斜め形状のセラミック体２３０をモデル化した場合、導波モードで前にトラップされる光を有利に使用し、頂部表面２３２からの光出力を強化できると認めることができる。幾何学的形状２と比較し、セラミック体２３０から放出される全光束は、３９％（頂部表面の１４％＋側部表面の２５％）から６６％（３３％＋３３％）まで増加する。更に頂部表面２３２を通過する光束は２倍よりも多くなるが、頂部の表面積が広いこと（計算では底部表面２３１は常に１×１ｍｍ²に固定した）に起因し、頂部表面の明るさは、２倍強化される。

頂部表面２３２の明るさを更に強化するには、幾何学的形状５のように、セラミック体２３０の斜めの側部表面２３３に反射性コーティングを塗布することが望ましい。この反射性コーティングは、銀、アルミまたは当技術分野で知られている他の高反射性コーティングでもよい。側部表面コーティングの８０％の反射率を仮定すると、頂部表面２３２の明るさは幾何学的形状２と比較して２倍になる。この幾何学的形状は特にエタンデューが重要である応用例に適す。

本発明の一実施形態では、側部表面４３３と反射性コーティング４５２との間で、低屈折率の、例えばｎ_layer＜ｎ_cer.bodyの層４５１を使用することが好ましい（図４参照）。この場合、側部表面４３３からのエスケープ円錐体の外側の光は、ＴＩＲを通して１００％の効率で反射される。エスケープ円錐体の内部の光は、反射性コーティング４５２によって反射され、この反射は実際の状況では常に効率が低い。これと対照的に、側部表面４３３に直接光学的に接触するよう、反射性コーティング４５２を塗布することは、エスケープ円錐の外側の光もより低い効率で反射されるので、全反射効率を低下させる。したがって、低屈折率の層４５１を使用すると、頂部表面３４２から発生される光束およびその明るさも更に高めることができる（表１の幾何学的形状６）。

別の実施形態では、頂部表面２３２、３３２、４３２からの光の抽出および／または頂部表面の明るさを強化するために、頂部表面をマイクロレベルで波形にすることが好ましい。このマイクロレベルでの波形部は、例えば頂部表面２３２、３３２、４３２をエッチングすることによって形成できる。

更に別の実施形態では、例えばフレンネルレンズのように頂部表面２３２、３３２、４３２の形状を定め、光学的機能を含むようにすることにより、頂部表面をマクロレベルで波形にすることによって頂部表面２３２、３３２、４３２の明るさを強化できる。この実施形態は更に、発光装置２００、３００、４００からの応用例固有の放射分布を有利に実現できる。

所定の応用例に対しては、幾何学的形状７のように、セラミック体２３２から発生される光を側部表面２３３だけに限定することが望ましい場合がある。かかる応用例の一例は、光を光ガイドに結合するための側部発光器として発光装置２００を使用する例がある。この場合、セラミック体２３０の頂部表面２３２には、（中間屈折率の層４５１を有するか、または有しない）反射性コーティング４５２を設けることができる。

４５°の斜め角に対して、表１の結果と同様の結果が得られることに留意されたい。この場合、頂部表面２３２はセラミック体２３０の底部表面２３１よりも小さくなる。

本発明の一実施形態では、フィリップス社のLumileds 「Saber」のように、半導体デバイス２２０、４２０にセラミック波長変換体２３０、４３０が隣接する。これらはいわゆる「フリップチップ」のＩｎＧａＮに基づくＬＥＤであり、これからは、例えばレーザーシフトオフ技術を使ってサファイア基板が除かれている。この技術は、「中間」サファイア基板を除去すると、セラミック体２３０、４３０が発光層２２１、４２１により接近するので、特に好ましい。更にサファイア基板が存在しないのでセラミック体２３０、４３０内で発生した光の損失経路がなくなる。この損失経路は、光が底部表面２３１、４３１を通ってサファイア基板に進入し、サファイア基板の側部表面を介して失われることによって形成されている。

図５を参照する。リモート蛍光応用例において、セラミック体３３０から生じる発光は、斜め角度３３４の関数として示されている。９０°の角度３３４では、セラミック体３３０は等しいサイズの底部表面３３１と頂部表面３３２とを有する四角形となっている。斜め角３３４＜９０°の場合、底部表面３３１は頂部表面３３２よりも広くなっている。角度＞９０°の場合は、この逆となる。認識できるように、底部表面の光束５３１、頂部表面の光束５３２、側部表面の光束５３３および全光束５３０を強化するには、斜め角３３４を９０°より小、または９０°より大とすることが好ましい。斜め角３３４は８５°より小、または９５°より大とすることが好ましく、また８０°より小、または１００°より大とすることがより好ましい。

図６は、光束が重要である応用例に対する斜め角２３４を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体２３０の相対的光束出力および明るさを示す。斜め角２３４を９０°より小または９０°より大とすることによって、全光束６３０、頂部表面の光束６３２および側部表面の光束６３３を改善できる。特に斜め角２３４は９５°より大きいか、更に１００°より大きいことは、光束が重要な応用例に対して有利に使用できる。しかしながら、斜め角２３４が８５°よりも小さく、更に８０°よりも小さい場合、頂部表面の輝度６３５（単位Ｃｄ／ｍｍ²）が有利に改善される。

図７は、エタンデューが重要となっている応用例のための斜め角４３４を関数とする、本発明に係わるセラミック波長変換体４３０の相対的出力および明るさを示す。側部表面４３３のすべてが反射性コーティングでコーティングされている場合、頂部表面４３２を通ってしか光を発生できない。頂部表面の光束７３２および頂部表面の明るさ７３５の双方は、斜め角４３４が９０°より小の場合および９０°より大の場合、更に、８５°より小の場合および９５°より大の場合に改善される。頂部表面４３２は、斜め角が９０°より小さい場合に、面積がより小さくなる。したがって、斜め角４３４が７０°より小の場合に明るさ７３５が有利に強化される。

図８は、側部発光応用例のための斜め角を関数とする本発明に係わるセラミック波長変換体の相対的出力を示す。図から認識できるように、斜め角が９０°より小である場合および９０°より大である場合に、側部表面から発生される光束８３３が有利に改善される。

セラミック体２３０、３３０、４３０と周辺の媒体との間で屈折率の差を変えても、斜め角２３４、３３４、４３４に対する、発生される光束５３０、５３２、６３０、６３２、７３２または頂部表面の明るさ６３５、７３５の従属性に実質的な影響を与えることはない。しかしながら、屈折率の差が小さい場合、光束の増加と共に光束のレベルは影響を受ける。

以上で、上記実施形態を参照し、本発明について詳細にしたが、同じ目的を達成するために、他の実施形態を上記とは異なるように使用できることが明らかとなろう。したがって、本発明の範囲は上記実施形態だけに限定されず、特定の光放射パターンが望まれるような他の任意の応用デバイス、例えば自動車のヘッドライトシステムまたはディスプレイ投射システムにも適用できる。

２００ 発光装置
２２０ 半導体発光デバイス
２２１ 発光層
２３０ セラミック体
２３２ 底部表面
２３３ 側部表面
２３４ 斜め角

Claims (10)

1. ｎタイプ領域とｐタイプ領域との間に配置された発光層を含む半導体発光デバイスと、
   前記半導体発光デバイスに対して受光関係に位置する波長変換材料を含む透明セラミック体とを備え、前記セラミック体は更に、前記半導体発光デバイスに向いた底部表面を更に有する発光装置において、
   前記セラミック体は、前記底部表面に対して斜めの角度にある少なくとも１つの側部表面を有することを特徴とする発光装置。
2. 前記斜め角は、９５°より大であるか、または８５°よりも小である、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記斜め角は、１００°より大であるか、または８０°よりも小である、請求項１に記載の発光装置。
4. 前記セラミック体の少なくとも１つの斜めの側部表面は、反射性コーティングを有する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発光装置。
5. 前記セラミック体と前記反射性コーティングとの間に前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている、請求項４に記載の発光装置。
6. 前記セラミック体は、マイクロ波形部が設けられた頂部表面を有する、請求項１乃至５の何れか１項に記載の発光装置。
7. 前記セラミック体は、光学的機能を含むように設けられた頂部表面を有する、請求項１乃至５の何れか１項に記載の発光装置。
8. 前記セラミック体は、反射性コーティングが設けられた頂部表面を有する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発光装置。
9. 前記セラミック体と前記反射性コーティングとの間に前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている、請求項６に記載の発光装置。
10. 前記底部表面と前記半導体発光デバイスとの間に前記セラミック体よりも屈折率が小さい中間層が、収納されている、請求項１乃至９の何れか１項に記載の発光装置。

Images