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JP5938213B2 - 波長変換半導体発光装置及びフィルタを含む光源 - Google Patents

波長変換半導体発光装置及びフィルタを含む光源 Download PDF

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Description

本発明は、n型領域とp型領域の間に配置される発光層を含む半導体発光装置であって、前記発光層は第1ピーク波長を有する第1光を発するように適合される、半導体発光装置と、前記第1光を吸収し、第2ピーク波長を有する第2光を発するように適合される第1波長変換材料、を含む構造に関する。
発光ダイオード(LED)などの半導体発光装置は、現在利用可能な最も効率的な光源の中に含まれる。可視スペクトルにわたり動作可能な高輝度LEDの製造において現在興味深い材料系は、III-V族半導体を含み、特に、III族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、窒素の二元、三元、及び四元系合金、及びガリウム、アルミニウム、ヒ素、及びリンの二元、三元、及び四元系合金である。多くの場合、金属有機化学蒸着(MOCVD)、分子ビームエピタキシ(MBE)、又は他のエピタキシャル技術によって、III族窒化物装置は、サファイア、シリコンカーバイド、又はIII族窒化物基板においてエピタキシャル成長され、III族リン化物装置は、ガリウムヒ素にエピタキシャル成長される。多くの場合、n型領域は、基板に沈着され、その後発光すなわち活性化領域はn型領域に沈着され、その後p型領域は活性化領域に沈着される。層の順序は逆にもされ得、これによりp型領域が基板の近くになるようにされ得る。 半導体発光装置の1つの有望な用途は、液晶ディスプレイ(LCD)におけるバックライト用である。LCDは、携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント(PDA)、ポータブル音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、デスクトップモニタ、及びテレビの応用例において共通して使用されている。本発明の一つの実施例は、バックライトが白色又は色付きの光を発する1つ以上のLEDを使用し得るバックライトを必要とするカラー又はモノクロの透過型LCDである。
本発明の目的の一つは、色域が改善された光源を提供することである。
本発明の実施例は、n型領域とp型領域の間に配置される発光層を含む半導体発光装置を含む。前記発光層は第1ピーク波長を有する第1光を発するように適合される。蛍光体などの第1波長変換材料は、前記第1光を吸収し、第2ピーク波長を有する第2光を発するように適合される。蛍光体などの第2波長変換材料は、前記第1光又は前記第2光を吸収し、第3ピーク波長を有する第3光を発するように適合される。フィルタは、第4ピーク波長を有する第4光を反射する。前記第4光は、前記第2光の一部又は前記第3光の一部である。当該フィルタは、前記第4波長より長い又は短いピーク波長を有する光を透過させるように適合される。当該フィルタは、前記第1、第2、及び第3光の少なくとも一部の経路における前記発光装置にわたり配置される。
本発明の実施例は、液晶ディスプレイにおいて使用され得る。ディスプレイは、半導体発光装置を含む少なくとも1つの光源と、液晶層と、前記少なくとも1つの光源及び前記液晶層の間に配置される第1フィルタ層と、を含む。第1フィルタ層は、複数の赤色画素位置、緑色画素位置及び青色画素位置を含む。各画素位置は、所望な色の光を透過させ、他の2つの色の光を吸収するように適合される。ディスプレイは、第1フィルタ層及び光源の間に配置される第2フィルタ層を含む。第2フィルタ層は、第1フィルタ層によって透過される赤色、緑色及び青色光を透過させ、第1フィルタ層によって吸収される波長で光を反射するように適合される。
図1は、CIE1931色度図における蛍光体変換LEDの色域及びNTSC標準を例示する。 図2は、液晶ディスプレイの一部の断面図である。 図3は、本発明の実施例に従う蛍光体変換LEDの断面図である。 図4は、青色発光LED及び黄色放射蛍光体のスペクトル並びにRGBフィルタを用いたディスプレイ装置に関する理想的な光源のスペクトルを例示する。 図5は、青色発光LED並びに黄色及び赤色放射蛍光体を含む一つの装置のスペクトルをフィルタ通過前後について例示する。 図6は、青色発光LED並びに黄色及び赤色放射蛍光体を含む別の装置のスペクトルをフィルタ通過前及び後について例示する。 図7は、本発明の別の実施例に従う蛍光体変換LEDの断面図である。 図8は、液晶ディスプレイの別の実施例の一部の断面図である。 図9は、液晶ディスプレイ装置において使用される赤色、緑色及び青色の透過スペクトルを例示する。
従来の白色発光LEDは、通常、青色光の一部を吸収して黄色光を発する蛍光体被膜、多くの場合Y3Al5O12:Ce3+、を有する青色発光LEDを含む。青色及び黄色光の組合せは、白色に見える。このような蛍光体変換LED(pcLED)は効率的であるが、スペクトルにおいて赤色の欠如により、LCDバックライトに関して貧素な色域を提供する。
装置の「色域」は、装置によって生成され得る色空間の部分である。図1は、蛍光体変換LED及びNTSC標準の色域を例示する。図1の領域10は、全ての色の数学的表現である、CIE1931色度図である。三角形12は、NTSC、すなわちテレビに関する色標準についての色域である。灰色領域14は、上述の青色+黄色の蛍光体変換LEDに関する色域である。図1に示される蛍光体変換LEDは、NTSC色域の69%である色域しか生成することが可能でない。
本発明の実施例に従うと、バックライトに関する蛍光体変換LEDは、バックライトの色域を改善させるために、黄色/緑色の蛍光体、赤色蛍光体、及び1つ以上のフィルタを含み得る。
図2は、LCDの一部を例示する。ディスプレイに関するバックライトを形成する1つ以上の蛍光体変換LED20は、反射内部表面22を有するボックスに配置される。上部拡散体シート23(例えば、粗化プラスチックシート)、及び1つ以上の輝度改善フィルム((BEFs)brightness enhancement films)は、ボックスにわたり配置され得る。拡散体シート23は、バックライトの表面にわたり輝度均一性を改善させる。輝度向上フィルム24は、見る人へ狭い角度内で光を方向転換させるプラスチックシートにおけるミクロプリズムパターンによって形成され得る。バックライトにわたり配置される液晶層28は、カラー画像を表示させるために、各赤色、緑色及び青色画素位置において制御可能なシャッタを本質的に有する。輝度改善フィルム24と液晶層28との間に配置されるフィルム層26は、対応するRGB画素位置において赤色、緑色又は青色フィルタを有する。フィルム層26は、各画素位置において、強度変調された赤色、緑色又は青色成分のみを通過させ、不要な成分を吸収する。フィルム層26の赤色、緑色及び青色の透過スペクトルは、図9に例示される。
図3は、バックライトに使用される蛍光体変換LEDの1つの実施例を例示する。装置20は、n型領域及びp型領域間に挟まれている1つ以上の発光層を含む半導体構造34を含む。特定の実施例において、半導体構造は、III族窒化物構造であり、発光層は、青色光を発するように構成されるが、いかなる適切な半導体構造も使用され得る。III族窒化物構造は、通常、n型領域を、その後に発光領域、そしてその後にp型領域が続くように、成長させることによってサファイア又はSiC成長基板に成長される。成長基板は、成長後に半導体構造から除去され得る。
n型領域は、様々な組成及び混入物濃度の多重層を含み得、これらの層は、例えば、n型であり得る又は意図的にドープされてなくあり得るバッファ層又は核生成層などの準備層、成長基板の後々の取り除き又は基板除去の後の半導体構造の薄型化を促進させるように意図される取り除き層、及び、効率的に光を発させるために発光領域に関して望まれる特定の光学又は電気特性に関して意図されるn型又は更にp型装置層、を含む。
発光領域は、n型領域にわたり成長される。適切な発光領域の例は、単一の厚い又は薄い発光層、及び、バリア層によって分離されている多重の薄い又は厚い量子井戸発光層を含む重量子井戸発光領域を含む。例えば、重量子井戸発光領域は、GaN又はInGaNバリアによって分離される多重InGaN発光層を含み得る。装置における1つ以上の発光層は、例えば、Siでドープされ得る、又は、1つ又は複数の発光層は、意図的にはドープされ得ない。
p型領域は、発光領域にわたり成長される。n型領域のように、p型領域は、様々な組成、厚さ及び混入物濃度の多重層を含み得、これらの層は、例えば、意図的にドープされてなくあり得る又はn型であり得る層を含む。
電気的コンタクト部は、n型領域及びp型領域において形成される。p型領域及び発光領域の一部は、電気的コンタクト部が形成されるn型領域の表面を除去するためにエッチング除去され得る。インターコネクト部32は、半導体構造34をベース部30へ、例えば、半田、熱圧縮接合剤、相互拡散接合剤、又は超音波溶接によって接合されるAuスタッドバンプアレイなどによって、接続させる。
ベース部30は、AlNなどの電気絶縁材料から形成され得、ここで、ベース部の底部における金パッドなどの伝導性コンタクトパッドは、伝導性ビア及び/又は金属配線を用いてベース部の上部における半田付け可能な電極へ接続される。ベース部は、ショートを防ぐために不動態化される場合、陽極酸化されたAlSiCなどの、伝導性材料から形成され得る。
半導体構造34がベース部30へ接続された後に、成長基板は、除去され得る。
1つ又は複数の波長変換材料36・38は、半導体構造34の上部表面にわたり配置される。特定の実施例において、半導体構造34に隣接する波長変換材料36は、透明材料に配置される粉末蛍光体を含む。透明材料は、第2波長変換材料38を半導体構造34へ装着させるための接着剤として作用する。波長変換層38は、例えば、本文書に参照として組み込まれる米国特許第7,361,938号により詳細に記載されるセラミック蛍光体などであり得る。特定の実施例において、波長変換層36は、セラミック蛍光体でもあり得る。特定の装置において、波長変換層36は、赤色光を発する1つ又は複数の蛍光体を含み、波長変換層38は、黄色又は緑色光を発する1つ又は複数の蛍光体を含む。特定の実施例において、複数の蛍光体が一緒に混合され、半導体層にわたり単一の層で配置される。例えば、赤色放射蛍光体及び黄色/緑色放射蛍光体が一緒に混合され得、半導体構造にわたり位置されるモールドに位置される、シリコーンなど透明材料のスラリにおいて配置される。モールドは、例えばレンズなどに、成形され得る。この場合、構造体は、加熱されてシリコーンにキュアされ、その後、モールドは除去され、半導体構造にわたり形成されるシリコーン層内に蛍光体の混合物を残す。
いかなる適切な波長変換材料も使用され得る。適切な黄色/緑色放射蛍光体の例は、Lu3-x-yMyAl5-zAzO12:Cex、ここでM=Y、Gd、Tb、Pr、Sm、Dy;A=Ga、Sc;及び(0<x≦0.2);Ca3-x-yMySc2-zAzSi3O12:Cex、ここでM=Y、Lu;A=Mg、Ga;及び(0<x≦0.2);Ba2-x-yMySiO4:Eux、ここでM=Sr、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);Ba2-x-y-zMyKzSi1-zPzO4:Eux、ここでM=Sr、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);Sr1-x-yMyAl2-zSizO4-zNz:Eux、ここでM=Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);M1-xSi2O2N2:Eux、ここでM=Sr、Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);M3-xSi6O9N4:Eux、ここでM=Sr、Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);M3-xSi6O12N2:Eux、ここでM=Sr、Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);Sr1-x-yMyGa2-zAlzS4:Eux、ここでM=Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);Ca1-x-y-zMzS:CexAy、ここでM=Ba、Sr、Mg;A=K、Na、Li;及び(0<x≦0.2);Sr1-x-zMzAl1+ySi4.2-yN7-yO0.4+y:Eux、ここでM=Ba、Ca、Mg及び(0<x≦0.2);Ca1-x-y-zMySc2O4:CexAz、ここでM=Ba、Sr、Mg;A=K、Na、Li;及び(0<x≦0.2);Mx-zSi6-y-2xAly+2xOyN8-y:Euz、ここでM=Ca、Sr、Mg及び(0<x≦0.2);及びCa8-x-yMyMgSiO4Cl2:Eux、ここでM=Sr、Ba及び(0<x≦0.2)、を含む。適切な赤色放射蛍光体の例は、Ca1-x-zMzS:Eux、ここでM=Ba、Sr、Mg、Mn及び(0<x≦0.2);Ca1-x-yMySi1-zAl1+zN3-zOz:Eux、ここでM=Sr、Mg、Ce、Mn及び(0<x≦0.2);Mg4Ge1-xO5F:Mnx、ここで(0<x≦0.2);M2-xSi5-yAlyN8-yOy:Eux、ここでM=Ba、Sr、Ca、Mg、Mn及び(0<x≦0.2);Sr1-x-yMySi4-zAl1+zN7-zOz:Eux、ここでM=Ba、Ca、Mg、Mn及び(0<x≦0.2);及びCa1-x-yMySiN2:Eux、ここでM=Ba、Sr、Mg、Mn及び(0<x≦0.2)、を含む。
本発明の特定の実施例において、フィルタ層40は、波長変換層38にわたり形成される。フィルタ層40は、RGBフィルタ層26によって吸収される波長変換層によって発されるスペクトルの一部を再循環するように設計される。例えば、2つの波長変換材料を含む装置は、青色ピーク波長、緑色ピーク波長及び赤色ピークを有する光を発し得る。フィルタ40は、緑色及び青色ピーク波長間に、緑色及び赤色ピーク波長間に、又は両方に、ピーク波長を有する光を反射し得る。フィルタ40は、例えば、分散ブラッグ反射器(DBR(distributed Bragg reflector))を形成する誘電層のスタックなどであり得る。DBRは、ウェハレベルでセラミック蛍光体38に堆積され得、その後、セラミック蛍光体と同時に個別の装置へダイスカットされ得る。
図4は、波長の関数としての強度のプロット図である。線42は、図2及び9のRGBフィルタ層26の透過帯内に位置される非常に狭いピーク42を有する理想的な光源のスペクトルを表す。スペクトル44は、黄色放射蛍光体と組み合わされる青色放射LEDのスペクトルを表す。ピーク42間のスペクトル44の部分はRGBフィルタ層26によって吸収される。図3のフィルタ40は、RGBフィルタ層26によって通過される波長における光を透過させ、RGBフィルタ層26によって吸収される波長における光の一部を再循環させるように設計される。再循環される光は、波長変換層36・38へ反射されて戻され、この場合、この光は、蛍光体によって吸収され、フィルタ40によって透過される波長における光として発される。特定の実施例において、フィルタ40は、波長変換層36・38のうちの1つ又は両方によって発される光を反射する。
光を効率的に波長変換層36・38へ再循環させるようにするために、特定の実施例において、フィルタ40は、可能な限り波長変換層38の近くへ位置される。図3に例示される装置において、フィルタ40の底部表面は、例えば、波長変換層38の上部表面の10μm内に、及び、半導体構造34の上部表面の500μm内に、ある。
特定の実施例において、フィルタ40は、図7及び8に例示されるように半導体構造から離間されている。図7に例示される装置において、波長変換層36・38は、ベース部30によって支持される半導体構造34にわたり配置される。透明カバー46は、波長変換層にわたり配置される。カバー46は、レンズへ成形され得る。任意選択的な接着層は、カバー46と波長変換層38の間に配置される。特定の実施例において、ベース部30、半導体構造34、波長変換層36・38及び追加的なカバー46は、フィルタ40の加工に耐え得る材料から形成される。多重ベース部30は、ウェハにおいて一体に接続され得、ここで、個別の半導体構造及び波長変換層は、各ベース部へ接続される。ウェハ全体は、沈着チャンバに置かれ得、フィルタ40は、バッチ処理で、同時に装置のウェハ全体にわたり形成され得る。
図8に例示される装置において、フィルタ40及びいかなる波長変換材料48の両方は、半導体構造から離間される。図8は、液晶ディスプレイの代替的な実施例を示す。液晶層28、RGBフィルタ層26、輝度改善フィルム24、及び拡散体23は、図2を参照して前述されている。蛍光体変換LED又は青色若しくは紫外線放射LEDであり得る光源20は、例えばプラスチックシートなどであり得る光ガイド50へ光を発する。フィルタ40は、光ガイド50及びRGBフィルタ層26間に配置される。例えば、フィルタ40は、シート又は透明材料のシートとして形成され得る。上述の黄色/緑色及び赤色放射蛍光体などの白色を生成するために当該構造において使用されるいかなる波長変換材料48も、フィルタ40へ任意選択的に接続され得る。例えば、波長変換材料48は、フィルタ40へ接続されるシートとして形成され得る、又は、フィルタ40が形成される透明材料のシートにおいて若しくはそのシート内に形成され得る。波長変換材料及び/又はフィルタ材料が形成され得る又は含まれる適切な透明材料の例は、ガラス、PET及びPCなどのプラスチック、及びいかなる他の適切な材料である。波長変換材料は、例えば、スロット・ダイ・コーティング、ロッド・コーティング、インクジェット印刷、噴霧コーティング、又はいかなる他の適切な技術などによって透明シートにおいて形成され得る。
図5は、図3に例示される装置の第1の例のシミュレーションに関する、波長の関数としての強度のプロット図である。図5に示される装置において、黄色/緑色放射Y3Al5O12:Ce3+ セラミック蛍光体(図3における波長変換層38)は、一般式(Ca1-x-y-zSrxBayMgz)1-n(Al1-a+bBa)Si1-bN3-bOb:REnによって与えられる蛍光体と組み合わされ、ここで、0 ? x ≦1, 0 ≦y ≦1, 0 ≦z ≦1, 0 ≦a ≦1 , 0<b ≦1及び0.002 ≦n ≦0.2、及びREはユーロピウム(II)及びセリウム(III)から選択される。第2の蛍光体は、一般的に、赤色光を発するCaAlSiN3:Eu2+である。赤色放射蛍光体は、シリコーン(図3における波長変換層36)などの透明材料において配置される。フィルタ40は、HfO2及びSiO2の交互の層の10期間の分散ブラッグ反射器スタックである。
図5において、実線は、波長変換LEDのスペクトルを例示する。点線は、図3に示されるフィルタ40のスペクトルを例示する。破線は、フィルタ40を通過した後の波長変換LEDからの光のスペクトルを例示する。図5に例示されるように、フィルタ40は、2つの蛍光体によって発されるピーク、約540nm及び660nmにおける光を透過させ、2つのピーク間、約600nmにおけるアンバ色の光を反射するように構成される。スペクトルにおける黄色/緑色ピーク及び赤色ピーク間における分離を改善させることは、色域を改善させ得る。フィルタ40を図5に例示される装置へ追加することは、色域を、9000Kの同一の色温度に関して、波長変換LEDのみに関する70%のNTSCから、フィルタを加えられた波長変換LEDに関して79%へ改善させる。
図6は、図3に例示される装置の第2の例のシミュレーションに関する波長の関数としての強度のプロット図である。図6に示される装置において、一般式(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+ (a = 0.002 - 0.2, b = 0.0 - 0.25, c = 0.0 - 0.25, x = 1.5 - 2.5, y = 1.5 - 2.5, z = 1.5 - 2.5)によって与えられる第1の蛍光体は、一般式(Ca1-x-y-zSrxBayMgz)1-n(Al1-a+bBa)Si1-bN3-bOb:REn(ここで0 ≦x ≦1, 0 ≦y ≦1, 0 ≦z ≦1, 0 ≦a ≦1 , 0<b ≦1及び0.002 ≦n ≦0.2であり、REはユーロピウム(II)及びセリウム(III)から選択される)によって与えられる第2の蛍光体と組み合わせられる。第1蛍光体は、セラミック(図3における波長変換層38)へ形成されるSrSi2N2O2:Eu2+ などの緑色放射蛍光体であり得、第2蛍光体は、シリコーン(図3における波長変換層36)などの透明材料において配置されるCaAlSiN3:Eu2+などの赤色放射蛍光体であり得る。フィルタ40は、HfO2及びSiO2の交互の層の10期間の分散ブラッグ反射器スタックである。
図5におけるように、図6において、実線は、波長変換LEDのスペクトルを例示し、点線は、フィルタ40のスペクトルを例示し、破線は、フィルタ40を通過した後の波長変換LEDからの光のスペクトルを例示する。図6に例示されるように、フィルタ40は、2つの蛍光体によって発されるピーク、約530nm及び660nmにおける光を透過させ、2つのピーク間、約600nmにおける光を反射するように構成される。フィルタ40を図6に例示される装置へ追加することは、色域を、9000Kの同一の色温度に関して、波長変換LEDのみに関する77%のNTSCから、フィルタを加えられた波長変換LEDに関して87%へ改善させる。
上述の実施例の多くの変更態様は、本発明の範囲内にある。いかなる他の適切な蛍光体又は蛍光体の組合せも使用され得る。2つの又はそれ以上の蛍光体が単一の層で混合され得る。染料などの他の蛍光体材料も、蛍光体の代わりに使用され得る。上述のセラミック及び粉末蛍光体以外に、他の形態の蛍光体及び他の蛍光体沈着技術も使用され得る。例えば、蛍光体は、電気泳動沈着、スクリーン印刷、又はステンシルによって形成される、又は薄膜形態で沈着され得る。青色放射LEDは、黄色/緑色放射蛍光体及び赤色放射蛍光体に追加して蛍光体を含み得る。代替的に、紫外線放射LEDは、青色放射蛍光体、黄色/緑色放射蛍光体、及び赤色放射蛍光体、並びにいかなる他の蛍光体と組み合わせられ得る。他の実施例又は例の要素は組合せられ得る。
本発明を詳細に記載してきたものの、当業者は、本開示を提供される場合に、本文書に記載の本発明の着想の精神から逸脱することなく本発明に対して修正がなされ得ることを理解し得る。したがって、本発明の範囲は、例示及び記載される特定の実施例に制限されるように意図されていない。

Claims (2)

  1. 半導体発光装置を含む少なくとも1つの光源と、
    前記少なくとも1つの光源の上に配置される第1フィルタ層であって、前記第1フィルタ層が第1ピーク波長における光を透過させ、第2及び第3ピーク波長における光を吸収する複数の第1画素位置、前記第1フィルタ層が第2ピーク波長における光を透過させ、第1及び第3ピーク波長における光を吸収する複数の第2画素位置、及び、前記第1フィルタ層が第3ピーク波長における光を透過させ、第1及び第2ピーク波長における光を吸収する複数の第3画素位置、を含む第1フィルタ層と、
    前記第1フィルタ層の上に配置される液晶層と、
    前記少なくとも1つの光源と前記第1フィルタ層との間に配置される第2フィルタ層であって、前記第2フィルタ層は前記第1、第2、及び第3ピーク波長における光を透過させ、前記第1ピーク波長と前記第2ピーク波長との間にある波長の光及び/又は前記第2ピーク波長と前記第3ピーク波長との間にある波長光を反射する第2フィルタ層と、を含み、
    前記半導体発光装置は、青色ピーク波長を有する光を発するように構成され、前記光源は、緑色又は黄色ピーク波長を有する光を発する第1波長変換材料、及び、赤色ピーク波長を有する光を発する第2波長変換材料を含み、前記第2フィルタ層は、前記第1及び第2波長変換材料のうちの1つと直接接触にあるように配置され、前記第2フィルタ層は、前記半導体発光装置に近接近して配置される、
    構造。
  2. 請求項1に記載の構造であって、前記第1フィルタ層は、前記第2フィルタ層が反射する波長の光を吸収する、構造。
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