JP2006037097A - 作成済み波長変換素子を有する半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長変換素子を有する半導体発光装置を提供する。
【解決手段】 半導体発光装置は、別々に作成された波長変換素子を用いて準備される。例えば燐光体及びガラスの波長変換素子は、シート状に生成され、これが個々の波長変換素子に分離されて発光装置に結合される。波長変換素子は、それらの波長変換特性に応じて分類して保管することができる。波長変換素子は、一次及び二次光の望ましい混合をもたらすために半導体発光装置と選択的に適合させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、より詳細には、波長変換素子を有する半導体発光装置に関する。

青色又は紫外線（ＵＶ）光を放射する効率的な発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発に伴って、ＬＥＤの一次放射の一部分をより長い波長に燐光体変換することにより白色光を発生するＬＥＤの製造が実現可能になった。ＬＥＤの一次放射をより波長が長い二次放射に変換することは、一般的に一次放射の周波数逓降変換と呼ばれる。本明細書で使用される「一次光」又は「一次放射」は、発光ダイオードによって放射される光を意味し、「二次光」又は「二次放射」は、燐光体によって放射される光を意味する。変換されない一次光は、二次光と結合されて白色光を生成する。
現在では、ＬＥＤをカプセル封入するために使用されるエポキシ、シリコーン、又は他の同様な材料のような結合媒体内で燐光体を混合することにより、最新の燐光体変換ＬＥＤが製造されている。燐光体は、一般的に粉末状であり、硬化させる前に結合媒体に混ぜられる。燐光体粉末を含有する未硬化のスラリは、ＬＥＤダイ上に堆積させて硬化させる。

図１は、従来の燐光体変換ＬＥＤ１０の例を示すものである。燐光体変換ＬＥＤ１０は、反射カップ１４内に配置されたＬＥＤダイ１２を含む。ＬＥＤダイ１２は、燐光体粒子１８が混合された結合媒体１６と共にカプセル封入される。結合媒体１６と燐光体粒子１８の混合物は、燐光体／エポキシ混合物１９と呼ばれることがある。燐光体／エポキシ混合物１９がＬＥＤダイ１２上に堆積した状態で、混合物は硬化する。
混合物１９の屈折率は、燐光体粒子１８からの光の抽出と同様に、ダイ１２から燐光体粒子１８への光のアウトカプリングを制御する。一般的に、燐光体／エポキシ混合物１９の屈折率は、僅かに約１．５である。更に、従来使用されている結合媒体１６は、有機体であり、強い光束と高い温度に敏感である。

一般的に、燐光体粒子１８は、ランダムに配向されて結合媒体１６全体に亘って散在している。作動時に、ＬＥＤダイ１２の活性領域１３から放射された一次光の一部分は、燐光体粒子１８に衝突することなく燐光体／エポキシ混合物１９を通過し、ＬＥＤランプ１０によって放射される。一次光の別の部分は、光をより長い波長に変換する燐光体粒子１８に衝突し、すなわち、燐光体粒子１８が一次光を吸収し、より波長の長い光の二次放射を生成する。この二次光は、未変換の一次光と僅かに変更された一次光（燐光体での吸収により）と共に、ＬＥＤ１０によって放射される。得られる光の相関色温度（ＣＣＴ）は、従って、一次光の波長と、二次光の波長と、燐光体／エポキシ混合物１９の変換効率、すなわち、二次光に変換されてＬＥＤ１０によって放射された一次光の百分率の関数である。

米国特許第６，６４２，６１８号 米国特許出願番号第０９／８８０，２０４号 米国特許第５，５０２，３１６号 米国特許第５，３７６，５８０号 米国特許出願番号第１０／６５２，３４８号

燐光体／エポキシ混合物１９を使用する欠点は、ＬＥＤランプ１０によって放射された光のＣＣＴの均一性を取得するのが困難なことである。均一性が欠ける理由の１つは、燐光体／エポキシ混合物１９を通る放射光の移動距離によってもたらされる。例えば、図１に示すように、矢印２０によって示された経路に沿ってＬＥＤダイ１２の活性領域１３から放射された一次光は、矢印２２で示す経路に沿って放射される一次光と比較して、燐光体／エポキシ混合物１９を通る経路が比較的短いものである。その結果、経路２０に沿ってＬＥＤ１０によって生成された光は、経路２２に沿って生成された光より多くの一次光を有することになる。すなわち、ＬＥＤ１０によって放射された光の色は、視角によって変動することになる。

更に、燐光体変換ＬＥＤを生成する従来の方法は、ＬＥＤランプ毎にＣＣＴの広範な変動をもたらすものである。上述のように、得られるＣＣＴは、一次光の波長及び燐光体／エポキシ混合物１９の変換効率のような要素に依存する。一般的に、ＬＥＤダイ１２毎に、放射された光の波長には僅かな変化が存在するものである。更に、燐光体／エポキシ混合物１９の変換効率は、一般的に装置毎に異なっている。変換効率は、燐光体粒子１８のサイズの不均一性及び結合媒体１６内の燐光体粒子１８の定着性のようなことの結果なので、制御するのが困難である。すなわち、１つのＬＥＤダイ１２に対して望ましいＣＣＴをもたらす燐光体粒子１８と結合媒体１６の混合物は、別のＬＥＤに対して同じＣＣＴをもたらさない場合がある。
従って、実際には、望ましいＣＣＴを有する燐光体変換ＬＥＤランプを得るために、いくつかの燐光体変換ＬＥＤランプを製造しなければならない。ＬＥＤランプは、もしあるとしてどれが望ましいＣＣＴを有する光を生成するかを判断するために試験される。望ましいＣＣＴを生成できないＬＥＤランプは、廃棄されるか又は他の目的に使用されることになる。

本発明の実施形態に従って、半導体発光装置は、別々に作成された波長変換素子を用いて製造される。波長変換素子は、例えば、燐光体とガラスのような無機結合媒体とで製造することができる。ダイ並びに燐光体粒子からの光の抽出を改善するために、屈折率の高い材料を使用することができる。更に、一実施形態では、軟化点が低い結合媒体を使用することができる。波長変換素子は、その波長変換特性によって分類して保管することができる。波長変換素子は、一次及び二次光の望ましい混合を生成するために、半導体発光装置に選択的に適合させることができる。

すなわち、１つの態様によれば、方法には、無機結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートを生成する段階、及びこのシートからの複数の波長変換素子を生成する段階が含まれる。一実施形態では、複数の波長変換素子の１つは、次に半導体発光装置ダイと結合することができる。
別の態様では、結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートが製造され、このシートから複数の波長変換素子が製造される。複数の波長変換素子の光変換特性が測定される。波長変換素子は、次に、光変換特性に基づいて分類して保管することができる。
更に別の態様では、発光装置は、活性領域を有する半導体層を含む層のスタックと、この層のスタックに結合した無機波長変換素子とを含むものである。

図２は、本発明の実施形態に従って波長変換半導体発光装置を製造する段階の流れ図１００である。この実施形態に従って、独立に作成されて次に半導体発光装置に結合される波長変換素子を用いて発光装置が製造される。波長変換素子は、例えば、燐光体含浸ガラスとすることができる。
図２に示すように、波長変換材料のシートが製造される（ブロック１０２）。図３は、波長変換材料のシート２００の一実施形態の斜視図である。波長変換材料のシートは、ガラスのような無機材料に分散された、例えば燐光体又は他の同等の発光性材料を使用して製造することができる。結合材として無機材料を使用することは、それがエポキシのような有機結合材で従来見出されていた温度と光束に対する敏感さを回避するので有利である。

一実施形態では、波長変換材料のシート２００は、軟化点が例えば約４００℃よりも低いガラスである。低軟化点のガラスは、燐光体材料が過度の熱に曝されて燐光体の量子効率（ＱＥ）が低下するのを有利に制限するために使用されるものである。更に、ガラスに対しては、結合されるＬＥＤダイによって放射される光に対して高い屈折率を有することが望ましい。例えば、本発明と共にほぼ１．６を超える屈折率を有利に使用することができる。より好ましくは、約１．８に等しいか又はそれ以上の屈折率を使用することができる。高い屈折率の使用は、高い変換率の波長変換材料を有利に提供するものである。一実施形態では、抽出効率を向上させるために、ガラスの屈折率は、ＬＥＤのアウトカプリングする表面材料の屈折率に一致する。例えば、ＬＥＤの構造が「フリップチップ」型の場合、ガラスの屈折率は、例えば、屈折率が約１．８のサファイアとすることができるＬＥＤ基板に一致する。それに加えて、ガラスの屈折率は、ＹＡＧに対してほぼ１．８である燐光体粒子の屈折率に一致させることができる。

いくつかの従来の工程では、ガラスの結合媒体を燐光体と共に使用することができることに注意すべきである。しかし、ガラスの結合媒体は、その屈折率が低く散乱を増加させるので、一次光と変換光の混合を増加させるために選択されている。しかし、本発明の実施形態では、以下に説明するように、一次光と散乱光を混合する機能は、一次光を二次光に変換する機能とは分離されている。
一実施形態では、波長変換材料のシート２００は、例えば「高温度法」を使用して形成することができる。燐光体、例えば約１０から２０体積％のＹＡＧ、ｎと、粉末状にされたガラス（例えば、（ＧｅＯ₂）_0.33（ＴｅＯ₂）_0.3（ＰｂＯ）_0.27（ＣａＯ）_0.1又は（ＧｅＯ₂）_0.23（ＴｅＯ₂）_0.4（ＰｂＯ）_0.27（ＣａＯ）_0.1）との十分に均質化された混合物が石英製るつぼに挿入される。必要に応じて、Ｐｔるつぼのような他の種類のるつぼを使用することができる。るつぼは、ＹＡＧ、ｎの体積比率に依存して、例えば８００℃から９５０℃に予熱された電気炉内に挿入される。必要に応じて、高周波炉又はマイクロ波炉のような別の種類の炉を使用することができる。ガラス混合物が溶解した後に、溶融物は炉内で均質化される。溶解と均質化の約１０から３０分後に、溶融物は、例えば、ステンレス鋼のプレート上に注がれる。溶融物は、約２５０℃でシートの上にプレスされてシート２００が形成される。このようにして調製されたガラスの屈折率は、約１．８であることが見出されている。

別の実施形態では、ＰｂＯと無水Ｂ₂Ｏ₃ガラス（例えば、（ＰｂＯ）_0.34（Ｂ₂Ｏ₃）_0.66）でシート２００を形成することができる。例えば、体積比が約１０から２０％のＹＡＧ、ｎの燐光体と粉末状にされた（ＰｂＯ）_0.34（Ｂ₂Ｏ₃）_0.66の適切に均質化された混合物が、例えば石英製るつぼに挿入される。るつぼは、ＹＡＧ、ｎの体積比率に依存して、例えば８００℃から９５０℃に予熱された電気炉内に挿入される。ガラス混合物が溶解した後に、溶融物は炉内で均質化される。溶解と均質化の約１０から３０分後に、溶融物は、例えばステンレス鋼のプレート上に注がれる。溶融物は、約２５０℃でシートの上にプレスされてシート２００が形成される。

燐光体材料又はシート２００に埋め込まれた他の波長変換材料は、二次光の望ましい波長に基づいて選択することができる。一例として、白色光を発生させるために青色発光装置と共に使用することができる１つの適切な燐光体は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ（ＹＡＧ：Ｃｅ）である。必要に応じて、以下に限定されるものではないが、Ｇｄ₃、Ｇａ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、（Ｌｕ，Ｙ）₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ、ＳｒＳ：Ｅｕ、ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）₂Ｓ₄：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｅｕ、Ｍｎ、（Ｃａ，Ｓｒ）Ｓ：Ｃｅ、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ）₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ、及び（Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ）Ｓｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕを含む他の燐光体を使用することもできる。

注がれたガラスと燐光体の溶融物は、図３に示すように、平坦なシート２００内で硬化することが可能になる。代替的に、シートは、望ましい形態に成形することができる。例えば、いくつかの凹部２０１を有し、それぞれの凹部がほぼＬＥＤダイのサイズであるとしてシート２００’の断面が図４に示されている。シート２００は、他の形態を含むように成形することができる。例えば、シートは、いくつかのレンズ要素を含むように成形することができる。

別の実施形態では、シート２００は、ゾルゲル工程を使用して製造される。望ましい１つ又は複数の燐光体が、形成中にゾルゲルガラス内に分散される。ゾルゲル工程は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第６，６４２，６１８号に説明されている。
シート２００は、ガラス及び燐光体以外の材料を使用して製造することができることを理解すべきである。例えば、他の適切な透明結合材料を使用することができる。

図２に戻ると、波長変換材料のシート２００が硬化した状態で、シート２００は、いくつかの個々の要素に分離される（ブロック１０４）。個々の波長変換素子は、ＬＥＤダイの上に取り付けられるようにサイズが設定される。シート２００を個々の要素に分離するために、ダイシング、ホットスタンピング、切断法、刻み法、及び破断法、又は他の適切な方法を使用することができる。図３は、個々の波長変換素子２０４を製造するために使用することができるシート２００上の刻み線２０２を示すものである。同様に、図４は、シート２００’上の凹部２０１間の刻み線２０２’から形成された素子２０４’を示すものである。

次に、半導体発光装置ダイが設けられる（ブロック１０６）。半導体発光装置は、例えば、発光ダイオードチップ又はチップのアレイにすることができる。参照を容易にするために、半導体発光装置は、本明細書では時々ＬＥＤダイと呼ばれることになる。一実施形態では、ＬＥＤダイは、例えば、反射カップ又はサブマウントに取り付けられた装着式ダイにすることができる。代替的に、ＬＥＤダイは、非装着式することができる。波長変換素子は、次にＬＥＤダイに結合される（ブロック１０８）。

図５Ａは、互いに結合される波長変換素子２０４、ＬＥＤダイ２１０、及び透明光学素子２３０を示すものである。図５Ｂは、透明な結合層２３２及び２３４で互いに結合される波長変換素子２０４、ＬＥＤダイ２１０、及び透明光学素子２３０を示すものである。一般的に、波長変換素子２０４は、公告番号ＵＳ２００２／００３０１９４Ａ１で２００２年３月１４日に公告された本特許と同一出願人による米国特許出願番号第０９／８８０，２０４号と、米国特許第５，５０２，３１６号及び第５，３７６，５８０号とに説明した方法でＬＥＤダイ２１０に結合することができ、これらの特許の全ては、本明細書において引用により組み込まれている。

図５Ａと５Ｂに示されたＬＥＤダイ２１０は、ｐ型導電性（ｐ層）の第１の半導体層２１２と、ｎ型導電性（ｎ層）の第２の半導体層２１４とを含む層のスタックである。半導体層２１２及び２１４は、活性領域２１６に電気的に結合される。例えば、活性領域２１６は、層２１２及び２１４のインタフェースに関連するｐ−ｎダイオード接合である。代替的に、活性領域２１６は、ｎ型又はｐ型ドープされた又はドープされない１つ又はそれ以上の半導体層を含む。ＬＥＤダイ２１０は、透明な基板２２２を含み、この基板は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、又はＧａＰのような材料で形成される。ＬＥＤ２１０ダイはまた、ｐ型接点２１３とｎ型接点２１５を含み、この接点は、それぞれ半導体層２１２及び２１４に結合される。接点２１３及び２１５の間に適切な電圧が印加されると、活性領域２１６は光を放射する。代替の実施例では、層２１２及び２１４の導電型は、接点２１３及び２１５と共に反転される。すなわち、層２１２はｎ型層、接点２１３はｎ接点、層２１４はｐ型層、及び接点２１５はｐ接点である。

半導体層２１２及び２１４、及び活性領域２１６は、以下に限定はしないが、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体、以下に限定はしないが、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅを含むＩＩ−ＶＩ半導体、以下に限定はしないが、Ｇｅ、Ｓｉ、ＳｉＣを含むＩＶ族半導体、及びそれらの混合物又は合金から形成される。
一実施例では、接点２１３及び２１５は、以下に限定はしないが、金、銀、ニッケル、アルミニウム、チタン、クロム、プラチナ、パラジウム、ロジウム、レニウム、ルテニウム、タングステン、及びそれらの混合物又は合金を含む金属から形成された金属接点である。別の実施例では、接点２１３及び２１５の一方又は両方は、酸化錫インジウムのような透明な導体から形成される。

図５Ａと５Ｂは、特定のＬＥＤ構造を示しているが、本発明は、ＬＥＤダイのいかなる特定構造にも依存しないものである。例えば、ＬＥＤ２１０内の基板及び半導体層の数と活性領域２１６の詳細構造は変えることができる。更に、ＬＥＤダイ２１０は、「フリップチップ」型構造を有するように、すなわち接点２１３及び２１５がＬＥＤダイ２１０の同じ側に配置されるように図５Ａ及び５Ｂに示されている。しかし、必要に応じて、接点２１３及び２１５がＬＥＤダイ２１０の反対側に配置されるように、本発明と共に別の種類のＬＥＤダイ構造を使用することができる。

一実施形態では、互いに素子が結合される透明な結合層２３２（図５Ｂ）を形成するために、結合材料の層は、ＬＥＤダイ２１０の上面（図５Ａ）に付加される。結合材料の第２の層は、結合層２３４（図５Ｂ）を形成するために素子２０４の上に付加され、レンズ２３０のような光学構成要素を結合する。例えば、結合層２３２及び２３４の厚さは、約１０オングストロームから約１００ミクロンである。結合材料は、例えば、以下に限定はしないが、スピニング、スパッタリング、蒸発、化学気相蒸着（ＣＶＤ）を含む従来の堆積技術を使用して、又は、例えば、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、気相成長（ＶＰＥ）、液相成長（ＬＰＥ）、又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）による材料成長の一部として付加することができる。

ＬＥＤダイ２１０に素子２０４を結合する代替方法を使用することができる。例えば、結合層２３２を省略し、ＬＥＤダイ２１０に素子２０４を直接結合することができる。一実施形態では、結合層２３２は、素子２０４に対してレンズ２３０として使用することができ、この素子をＬＥＤダイに直接結合することができる。別の実施形態では、素子２０４は、例えば、結合層２３２によってＬＥＤダイに結合され、レンズ２３０は、素子２０４に直接結合される。図６に示す更に別の実施形態では、ＬＥＤダイ２１０にレンズ２３０を結合するために素子２０４を使用することができる。ＬＥＤダイ又はレンズ２３０に素子２０４を直接結合する時に、素子２０４を形成するのに低軟化点のガラスを使用するのは特に有利である。ＬＥＤダイ２１０、素子２０４、及びレンズ２３０の温度を例えば５００℃に上げ、材料をプレスするために圧力を加えることにより材料を結合することができる。

図７は、波長変換素子２０４がＬＥＤダイ２１０に直接結合され、レンズ要素として使用される別の実施形態を示すものである。波長変換素子２０４は、例えば、シート製造の時にガラス溶融物を成形することにより、素子２０４がＬＥＤダイ２１０に結合された状態で素子２０４を加熱プレスすることにより、又は、素子２０４を切断、クローイング、及び研磨することにより、望ましい形状に形成することができる。

図８は、素子２０４がＬＥＤダイ２１０に直接結合され、素子２０４の上面２０４ｔが粗面にされた別の実施形態を示すものである。図８にはレンズが示されていないが、必要に応じて、レンズを素子２０４に結合するか、又は素子２０４の上に取り付けることができるが、素子２０４に直接結合されることはない。素子２０４の上面２０４ｔを粗面にすることは、特に、例えば素子２０４の屈折率が高い時に、変換された光を散乱させて光のアウトカプリングを改善するのに有利である。別の実施形態では、素子２０４の底面２０４ｂは、ＬＥＤダイ２１０に対するより良い接着のために粗面にすることができる。素子２０４の上面、底面、又は両方の面は、例えば粗い粉体を使用して研削することにより、機械的に粗面にすることができる。代替的に、例えば、埋め込まれた燐光体粒子の部位を部分的に露出するように部分的にガラスの部分をエッチングすることにより、素子を化学的に粗面にすることができる。素子２０４の上面２０４ｔは、結合の前か後に粗面にすることができ、底面２０４ｂは、結合の前に粗面にすることができると考えられる。

図９は、波長変換素子２０４がＬＥＤダイ２１０に結合されて反射器カップ２５２に取り付けられた装置２５０を示すものである。ＬＥＤダイ２１０の活性領域２１６は参考のために図９に示されている。反射器カップ２５２は、シリコン又はエポキシ又はポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）のようなカプセル材料２５４で充填することができる。カプセル材料２５４は、粗面にされた上面２５６、レンズ２５８、又はカプセル材料２５４の上に重なる他の光学素子を含むものである。一実施形態では、カプセル材料２５４の上面２５６は、例えば、フレスネルレンズを使用してパターン化することができる。必要であれば、カプセル材料２５４とレンズ２５８の間に輝度向上のフィルタを置くことができる。

図９に示すように、活性領域２１６から放射された青色光の一部は、波長変換素子２０４によって受け取られ、矢印２６０によって示すように黄色の光に変換される。素子２０４の厚さと燐光体の含有量は、素子２０４に入射する望ましい割合の一次光を変換するように設定することができる。しかし、活性領域２１６から放射された青色光の別の部分は、素子２０４には入射せず、従って、矢印２６２によって示すように、それは変換されない。黄色の変換光と青色の一次光は、例えば粗面にされた表面２５６により、充填剤によって混合されて白色光を生成する。従って、変換と混合の機能は、装置２５０内で分離される。装置２５０を使用して別の色の光を生成することができることは勿論である。

図１０Ａは、例えば凹部２０１を有する成形された素子２０４’が反射カップ３００のＬＥＤダイ２１０に取り付けられた実施形態を示すものである。必要に応じて反射カップ３００を使用しないことを理解すべきである。図１０Ａに示すように、素子２０４’の凹部２０１は、ＬＥＤダイ２１０のサイズとほぼ同じである。従って、図１０Ｂに示すように、素子２０４’がＬＥＤダイの上に配置された場合、ＬＥＤダイの上部と側部は素子２０４’によって覆われることになる。

図１０Ｂによって示すように、素子２０４’は、例えば、エポキシやシリコーンなどのような高温で光学透明な材料の結合層３０６を素子２０４’とＬＥＤダイ２１０の間に配置することによりＬＥＤダイ２１０に固定することができる。一例として、結合材料は、ＬＥＤダイ２１０上に素子２０４’を配置する前に、素子２０４’の凹部３０１内に配置することができる。硬化される時に、結合層３０６は、素子２０４’をＬＥＤダイ２１０に保持する。

別の実施形態では、図１０Ｃに示すように、素子２０４’は、流れ出してＬＥＤダイ２１０に適合するまで加熱することができる。一例として、素子２０４’は、装置全体、すなわち、ＬＥＤダイ２１０と素子２０４’を加熱されたプレート上に配置することによって加熱することができる。要素が加熱される時に、軟化点温度が高いレンズ３０８を素子２０４’に熔解することができる。従って、素子２０４’は、燐光体変換層として作用すると同時に、ＬＥＤダイ２１０とガラスレンズ３０８の間の結合層として作用するものである。

素子２０４’を軟化するまで加熱することによって素子２０４’がＬＥＤダイ２１０に取り付けられる実施形態では、素子２０４’が加熱された時の温度上昇に耐える高温度の取付け部をＬＥＤダイ２１０は持たなければならない。例えば、本明細書において引用により組み込まれている、本特許と同じ出願人による２００３年８月２９日出願のフランク・ウォール他に付与された「半導体発光装置のためのパッケージ」という名称の米国特許出願番号第１０／６５２，３４８号に説明されたようなＬＥＤダイがある。

図１０Ｄは、素子２０４がＬＥＤ２１０の上に遠隔に取り付けられた別の実施形態を示すものである。図１０Ｄに示すように、ＬＥＤ２１０と素子２０４の間には空隙がある。別の実施形態では、結合材料がＬＥＤ２１０と素子２０４の間に配置される。別の実施形態では、素子２０４を複数のＬＥＤ２１０の上に取り付けることができる。
本発明の別の実施形態によれば、個々の波長変換素子２０４の変換特性、すなわち変換効率と二次光の波長は、ＬＥＤダイに結合される前に測定される。燐光体粒子とガラスの混合がシート毎に変動し、同様に任意の単一シートの長さに亘って変動するので、それぞれの波長変換素子の変換特性は変動することになる。同様に、発光特性も一般的にＬＥＤダイ毎に変動する。従って、特定範囲の波長を有する装置を製造するために、各波長変換素子２０４は、それが適切なＬＥＤダイと適合するように予め測定されることになる。

図１１は、一次光と二次光の望ましい混合を生成するために素子をＬＥＤダイと選択的に適合させる方法を示す流れ図４００である。図１１に示すように、波長変換素子のシートが製造され（ブロック４０２）、上述のように、このシートから個々の波長変換素子が製造される（ブロック４０４）。
波長変換素子の光変換特性が次に測定される（ブロック４０６）。各素子の変換特性を測定するために、素子は、既知の波長を有する光で照光され、変換光又は変換光と一次光の混合されたものが測定される。
必要に応じて、個々の素子の変換特性は、分離の前か後に測定することができることを理解すべきである。素子がまだシートである間の波長変換素子の変換特性の測定は、測定を並行に実施することができるので有利である。

本発明の一実施形態によれば、波長変換素子は、それらの光変換特性に応じてビンに入れる、すなわち、分類して保管することができる。素子をそれらの光変換特性に応じて分類して保管することにより、望ましい光変換特性を有する波長変換素子を簡単に配置することができ、望ましい結果をもたらすためにＬＥＤダイと適合させることができるので、燐光体変換ＬＥＤの製造を大幅に簡略化することができる。

図１１に示すように、ＬＥＤダイが設けられ（ブロック４０８）、ＬＥＤダイによって放射された波長の範囲が測定される（ブロック４１０）。ＬＥＤダイによって放射された測定波長と波長の望ましい混合とに基づいて、適切な光変換特性を有する波長変換素子を次に選択することができる（ブロック４１２）。選択された素子は、次に、上述のような方法でＬＥＤダイに取り付けられる（ブロック４１４）。

本発明は、説明の目的で特定的な実施形態に関連して示されたが、本発明は、それに限定されないものである。本発明の範囲から逸脱することなく様々な適応と修正を行うことができる。例えば、シート及び素子は、燐光体及びガラス以外の材料で製造することができる。更に、燐光体の代わりに任意の波長変換材料を使用することができる。従って、特許請求の範囲及び精神は、以上の説明に制限されるべきではない。

従来の燐光体変換発光ダイオードを示す図である。 本発明の実施形態に従って波長変換半導体発光装置を製造するための流れ図である。 波長変換材料のシートの斜視図である。 波長変換材料の成形シートの断面図である。 互いに結合される波長変換素子、ＬＥＤダイ、及び透明光学素子を示す図である。 結合層を使用して互いに結合された波長変換素子、ＬＥＤダイ、及び透明光学素子を示す図である。 ＬＥＤダイにレンズを結合する波長変換素子２０４を示す図である。 ＬＥＤダイに結合されてレンズを形成するように整形された波長変換素子を示す図である。 粗面にされた上面を有してＬＥＤダイに結合された波長変換素子を示す図である。 光変換機能と光混合機能が分離された発光装置を示す図である。 ＬＥＤダイに結合される成形波長変換素子を示す図である。 ＬＥＤダイに結合された成形波長変換素子を示す図である。 ＬＥＤダイに結合された成形波長変換素子の別の実施形態を示す図である。 波長変換素子がＬＥＤダイに対して遠隔に取り付けられた別の実施形態を示す図である。 一次及び二次光の望ましい混合を生成するために波長変換素子をＬＥＤダイに選択的に適合させる方法の流れ図である。

符号の説明

１００ 波長変換半導体発光装置を製造する段階の流れ図
１０２、１０４、１０６、１０８ 流れ図のブロック

Claims (42)

1. 無機結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートを生成する段階と、
   前記シートから複数の波長変換素子を生成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記無機結合材は、ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガラスは、ＧｅＯ₂、ＴｅＯ₂、ＰｂＯ、ＣａＯ、及びＢ₂Ｏ₃から成るグループから選択された材料で形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 無機結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートを生成する段階は、
   波長変換材料と粉末状ガラスの混合物を準備する段階と、
   前記混合物をるつぼに挿入する段階と、
   溶融物を生成するために前記るつぼを８００℃と９５０℃の間に加熱された炉内に挿入する段階と、
   前記炉内の前記溶融物を均質化する段階と、
   前記均質化された溶融物をプレート上に注ぐ段階と、
   シートを生成するために前記プレート上の前記溶融物をプレスする段階と、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記無機結合材の屈折率は、約１．６よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記無機結合材の屈折率は、約１．８よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記無機結合材のガラス軟化温度は、約４００℃よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記波長変換材料は、燐光体であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記燐光体は、ＹＡＧ：Ｃｅであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記複数の波長変換素子の１つを半導体発光装置ダイに結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記半導体発光装置ダイは、フリップチップ構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の波長変換素子の１つを半導体発光装置ダイに結合する段階は、
    前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイの温度を上げる段階と、
    前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイを一緒にプレスするために圧力を加える段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
13. 前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイの間に結合材料の層を配置する段階を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記波長変換素子に光学構成要素を結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
15. 前記波長変換素子をレンズに形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
16. 前記波長変換素子は、凹部を有し、
    前記半導体発光装置ダイを前記波長変換素子の前記凹部に嵌め込む段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
17. 前記波長変換素子の上面を粗面にする段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
18. 粗面にする段階は、機械的処理と化学的処理の少なくとも一方を通じて実行されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記波長変換素子を前記半導体発光装置ダイに結合する前に該波長変換素子の底面を粗面にする段階を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
20. 前記結合した波長変換素子及び前記半導体発光装置ダイの上にカプセル材料を設ける段階と、
    前記カプセル材料の上面を粗面にする段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
21. 前記複数の波長変換素子の光変換特性を測定する段階と、
    前記半導体発光装置ダイによって放射された波長の範囲を測定する段階と、
    前記半導体発光装置ダイによって放射された波長の前記範囲及び前記波長変換素子の前記光変換特性に基づいて、該半導体発光装置ダイに結合される該波長変換素子を選択する段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
22. 前記複数の波長変換素子の光変換特性を測定する段階と、
    前記光変換特性に基づいて前記波長変換素子を分類して保管する段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
23. 結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートを生成する段階と、
    前記シートから複数の波長変換素子を生成する段階と、
    前記複数の波長変換素子の光変換特性を測定する段階と、
    前記光変換特性に基づいて前記波長変換素子を分類して保管する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
24. 半導体発光装置ダイを設ける段階と、
    前記半導体発光装置ダイによって放射された波長の範囲を測定する段階と、
    前記半導体発光装置ダイによって放射された波長の前記範囲及び前記波長変換素子の前記光変換特性に基づいて、前記複数の波長変換素子の１つを選択する段階と、
    を更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記選択された波長変換素子を前記半導体発光装置ダイに結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記選択された波長変換素子を前記半導体発光装置ダイに結合する段階は、
    前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイの温度を上げる段階と、
    前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイを一緒にプレスするために圧力を加える段階と、
    を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記波長変換素子と前記半導体発光装置ダイの間に結合材料の層を配置する段階を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 前記波長変換素子に光学構成要素を結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
29. 前記波長変換素子をレンズに形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
30. 前記波長変換素子は、凹部を有し、
    前記半導体発光装置ダイを前記波長変換素子の前記凹部に嵌め込む段階、
    を更に含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
31. 前記結合材と埋込まれた波長変換材料とのシートは、燐光体が埋込まれたガラスのシートであることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
32. 活性領域を有する半導体層を含む層のスタックと、
    前記スタックに結合した無機波長変換素子と、
    を含むことを特徴とする発光装置。
33. 前記無機波長変換素子は、ガラスに埋込まれた燐光体を含むことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
34. 無機波長変換素子の屈折率は、約１．６よりも大きいことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
35. 無機波長変換素子の屈折率は、約１．８よりも大きいことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
36. 無機波長変換素子のガラス軟化温度は、約４００℃よりも低いことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
37. 前記無機波長変換素子は、前記スタックの上面とほぼ同じ面積を有することを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
38. 前記スタック及び無機波長変換素子が配置された反射カップと、
    前記スタック及び無機波長変換素子の上に配置され、前記活性領域から放射された光と前記無機波長変換素子によって放射された変換光とを混合する光学透明要素と、
    を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
39. 前記光学透明要素は、前記活性領域から放射された前記光と前記無機波長変換素子によって放射された前記変換光とを混合する粗面にされた表面を有することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置。
40. 前記光学透明要素は、前記活性領域から放射された前記光と前記無機波長変換素子によって放射された前記変換光とを混合するフレスネルレンズを用いてパターン化された表面を有することを特徴とする請求項３８に記載の発光装置。
41. 前記無機波長変換素子に結合した光学透明要素を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。
42. 前記無機波長変換素子は、凹部を有し、前記スタックは、該凹部の中に延びていることを特徴とする請求項３２に記載の発光装置。

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