JP6574090B2

JP6574090B2 - 大きな角度で光を発する半導体発光素子ランプ

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Publication number: JP6574090B2
Application number: JP2014551698A
Authority: JP
Inventors: セルゲヨエルアルマンドビールハイゼン
Original assignee: ルミレッズホールディングベーフェー
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2033-01-03
Also published as: US9136448B2; WO2013108143A1; ES2698271T3; CN104040716B; US20150380617A1; US20140367709A1; KR102071088B1; EP2805349A1; JP2015505170A; EP2805349B1; CN104040716A; KR20140114037A

Description

本発明は、大きな角度で光を発するように構成された少なくとも１つのレンズを備えた複数の半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）のような垂直空洞レーザダイオード、及び端面発光レーザを含む半導体発光素子は、現在利用可能な最も効率の良い光源に属する。可視スペクトルに亘って動作が可能な高輝度発光素子の製造において現在関心が持たれている材料系は、III−Ｖ族半導体、特にガリウム、アルミニウム、インジウム及び窒素の二元、三元及び四元合金（III族窒化物材料とも呼ばれる）である。一般に、III族窒化物発光素子は、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）又はその他のエピタキシャル手法により、サファイア、炭化ケイ素、III族窒化物又はその他の適切な基板上に、種々の組成及びドーパント濃度を持つ半導体層の積層をエピタキシャル成長させることにより製造される。該積層は多くの場合、基板上に形成された例えばＳｉがドープされた１つ以上のｎ型層、該ｎ型層の上に形成された活性領域における１つ以上の発光層、及び該活性領域上に形成された例えばＭｇがドープされた１つ以上のｐ型層、を含む。

図１は、米国特許US7,461,948（参照により本明細に組み込まれたものとする）に詳細に示された素子を示す。該素子は、それぞれが異なるタイプの二次光学系を持つ、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ１０２、１０４及び１０６を含む。斯くして、ＬＥＤチップ１０２に第１のタイプのレンズ１０３が装着され、ＬＥＤチップ１０４に第２のタイプのレンズ１０５が装着され、ＬＥＤチップ１０６に第３のタイプのレンズ１０７が装着されている。レンズ１０３、１０５及び１０７は、それぞれ対応するＬＥＤ１０２、１０４及び１０６から異なる光分布パターンをつくり出すように構成される。ＬＥＤ１０２、１０４及び１０６はサブマウント１０１において互いと近くに装着されているが、各ＬＥＤチップの光学中心を識別するのに適した距離だけ離隔されている。３つのＬＥＤ１０２、１０４及び１０６が図１に示されているが、より少ないＬＥＤ（例えば２個）又は更なるＬＥＤ（例えば４個以上）が用いられても良いことは理解されるべきである。望ましい場合には、複数のサブマウントが用いられても良い。

異なるタイプの二次光学系によりつくり出された異なる光分布パターンは組み合わせられ、望ましい照明パターンを持つ効率の良い光源をもたらす。例えば、第１のＬＥＤが、中心に最大強度を持つ光分布パターンをもたらすレンズを含み、第２のＬＥＤが、第１のＬＥＤによりもたらされたパターンの最大強度を囲む最大強度を持つ光分布パターンをもたらすレンズを使用しても良い。

本発明の目的は、大きな角度で光を発する半導体発光ダイオードを含むランプを提供することにある。

本発明の実施例は、マウントに装着された複数の半導体発光ダイオードを含む。該複数の半導体発光ダイオードの上に、複数のレンズが配置される。該マウントの端部に近い半導体発光ダイオード上に配置されたレンズは回転非対称であり、レンズの一部について、最大強度の半分である強度で発せられた光が、該半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して少なくとも７０°の角度で発せられるような形状とされる。

本発明の実施例による方法は、マウントに装着された複数の半導体発光ダイオード上に複数のレンズを形成するステップを含む。第１の半導体発光ダイオード上に形成された第１のレンズは、第２の半導体発光ダイオード上に形成された第２のレンズとは異なる形状を持つ。第１の半導体発光ダイオードは、第２の半導体発光ダイオードよりも、該マウントの端部の近くに配置される。第１のレンズは回転非対称であり、該第１のレンズの一部について、最大強度の半分である強度で発せられた光が、第１の半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して少なくとも７０°の角度で発せられるような形状とされる。

異なる光分布パターンをつくり出す二次光学系を備えた複数の発光ダイオードを示す。ＬＥＤを含むランプからの大きな角度の発光を示す。支持部に装着された半導体構造を含む発光素子の簡略化された断面図である。マウントに装着された図３の素子のアレイの平面図である。図４のアレイの中央部における素子の上に形成されるレンズの断面図である。図４のアレイの端部における素子の上に形成され得るレンズの例の断面図である。図４のアレイの端部における素子の上に形成され得るレンズの例の断面図である。本発明の実施例によるランプの断面図である。本発明の実施例によるランプの代替例の断面図である。

ＬＥＤは、従来の白熱電球に対する、魅力的な高効率の代替である。従来の白熱電球の放射プロファイルを模倣するためには、ＬＥＤランプは大きな角度で光を発する必要がある。例えば、図２に示されるように、エネルギースター（Energy Star）の指定に対する要件を満たすためには、ＬＥＤランプ１０は、ランプ１０の主軸１４に対して１３５°に亘る角度１２で光を発する必要がある。市販されている装置においては、望ましい大きな角度の発光をつくり出すために、ＬＥＤのアレイの上に二次的なレンズ１６が配置される（図２には図示されていない）。斯かる二次レンズ１６は、ランプ１０に対してコスト及び複雑さをもたらし、効率を低減させ得る。

本発明の実施例においては、ＬＥＤランプにおいて使用されるアレイの端部におけるＬＥＤの上に、大きな角度の光をつくり出すレンズが形成される。以下の例は青色又は紫外（ＵＶ）光を発するIII族窒化物ＬＥＤに言及するが、他のIII−Ｖ族材料、III族リン化物、III族ヒ化物、III−IV族材料、ＺｎＯ又はＳｉベースの材料のような他の材料系からつくられたレーザダイオード及び半導体発光素子といったＬＥＤ以外の半導体発光素子が、本発明の実施例において利用されても良い。

図３は、支持部に装着されたＬＥＤのような半導体発光素子の一部の断面図である。図３の発光素子１５を形成するため、本分野において知られているように、半導体構造２０がまず成長基板（図３には示されていない）上に成長させられる。該成長基板は、例えばサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ又は混合基板のような、いずれの適切な基板であっても良い。半導体構造２０は、ｎ型領域とｐ型領域との間に挟持された発光又は活性領域を含む。最初にｎ型領域が形成されても良く、該ｎ型領域は、例えば緩衝層又は核形成層のような準備層、及び/又は成長基板の除去を容易化するように設計された層（ｎ型層であっても良いし又は意図的にドープされていない層であっても良い）、及び発光領域が効率良く光を発するのに好適な特定の光学系、材料又は電気的特性のために設計されたｎ型又はｐ型素子層を含む、種々の組成及びドーパント濃度を持つ複数の層を含んでも良い。発光又は活性領域は、ｎ型領域上に成長させられる。適切な発光領域の例は、単一の厚い又は薄い発光層、又は障壁層により離隔された複数の薄い又は厚い発光層を含む複数の量子井戸発光領域を含む。次いで、ｐ型領域が発光領域の上に成長させられても良い。ｎ型領域と同様に、ｐ型領域も、意図的にドープされていない層又はｎ型層である層を含む、種々の組成、厚さ及びドーパント濃度を持つ複数の層を含んでも良い。該素子における全ての半導体材料の厚さの合計は、幾つかの実施例においては１０μｍよりも小さく、幾つかの実施例においては６μｍよりも小さい。

ｐ型領域上に、金属のｐ接点が形成される。フリップチップ素子におけるように、大部分の光がｐ接点と反対側の面を通って該半導体構造から出るようにされる場合には、該ｐ接点は反射性のものとされても良い。フリップチップ素子は、標準的な光リソグラフィー工程により該半導体構造をパターニングし、該半導体構造をエッチングしてｐ型領域の厚さ全体のうちの一部及び発光領域の厚さ全体のうちの一部を除去して、金属のｎ接点が形成されたｎ型領域の表面をあらわにするメサ（mesa）を形成することによって、形成されても良い。該メサ並びにｐ及びｎ接点は、いずれの適切な態様で形成されても良い。該メサ並びにｐ及びｎ接点の形成は、当業者にはよく知られており、図３においては示されない。

ｎ及びｐ接点は、本分野において知られているように、絶縁層と金属との積層により最分散させられ、少なくとも２つの大型の電気パッドを形成しても良い。該電気パッドの１つは、半導体構造２０のｐ型領域に電気的に接続され、他の電気パッドは、半導体構造２０のｎ型領域に電気的に接続される。電気パッドは、例えば銅、金又は合金を含む、いずれの適切な導電性の金属であっても良い。これら電気パッドは、ギャップによって互いから電気的に隔離され、該ギャップは、誘電体、空気又はその他の周囲気体のような、絶縁物質によって満たされても良い。ｐ及びｎ接点、該接点を再分散させる金属／誘電体積層、並びに電気パッドは、本分野において良く知られており、図３において電気接続構造２２として示されている。

半導体構造２０は、電気接続構造２２を通して、支持部２４に接続される。支持部２４は、半導体構造２０を力学的に支持する構造である。幾つかの実施例においては、支持部２４は、ウェハのレベルにおいて半導体構造２０に接続され、支持部２４が半導体構造２０と同時に切り出され、それ故、図３に示されるように、半導体構造２０と同じ幅を持つようにされる。幾つかの実施例においては、半導体素子のウェハが最初に切り出され、次いで、半導体ウェハを切り出した後に、個々の素子又は素子の群が個々の支持部２４又は支持部のウェハに接続される。これらの実施例においては、支持部２４は、半導体構造２０よりも広くなり得る。幾つかの実施例においては、支持部２４は、半導体発光素子をプリント基板のような基板に装着するのに適した自己支持構造である。例えば、半導体構造２０と反対側の支持部２４の面（図３における支持部２４の底面）は、リフローはんだ付け可能なものであっても良い。いずれの適切な支持部が利用されても良い。適切な支持部２４の例は、電気接続構造２２に対する電気的な接続を形成するための導電性のビアホールを持つ、例えばシリコンウェハのような絶縁性又は半絶縁性のウェハ、例えばめっきにより電気接続構造２２上に形成された厚い金属接合パッド、若しくはセラミック、金属又はその他のいずれかの適切なマウントを含む。

ＬＥＤランプにおいて図３に示された発光素子１５を使用するため、図４の上面図に示されるように、１つ以上の素子１５がマウント３０に装着される。マウント３０は、プリント基板又はシリコンウェハ若しくはウェハの一部のような、いずれの適切な構造であっても良い。１６個の素子１５のアレイが図４に示されているが、より多い又はより少ない素子１５が用いられても良く、これら素子は均等に離隔されたアレイに配置される必要もない。

各素子１５の上には、レンズ１８が配置される。レンズ１８は、いずれの適切な手法により、素子１５の上に形成及び配置されても良い。レンズ１８は、素子をマウント３０に装着する前又は装着した後に、個々の素子１５の上に形成されても良い。幾つかの実施例においては、レンズ１８は、素子１５及び／又はマウント３０に接着又は付着させられた、又は素子１５の上に配置された、予め形成されたレンズである。代替としては、レンズ１８は以下のような低圧オーバーモールド工程において形成されても良い。マウント３０における素子１５の位置に対応する窪みを持つ金型が提供される。これら窪みが、硬化されたときに硬化レンズ材料を形成する、シリコーンのような液体の光学的に透明な材料により満たされる。これら窪みの形状は、レンズの形状となる。該金型及び素子１５を伴うマウントが、各素子が関連する窪みのなかの液体レンズ材料の中に存在するように接合される。次いで、該金型が加熱され、レンズ材料を硬化させる。次いで、該金型とマウントとが分離され、各素子１５の上にレンズ１８を残す。代替としては、レンズ１８は高圧射出成型により形成されても良く、この場合には、空の金型が封入されるべき対象のまわりに包み込まれた後に、液体材料が高圧で射出される。

マウント３０上のアレイにおける異なる素子１５の上には、異なる形状のレンズが形成される。例えば、該アレイの中央部における素子１５ｅの上に形成されるレンズ１８ｅは、素子１５ｅの上端から出るように、即ち図４の平面から垂直に出るように、光を導くような形状とされる。幾つかの実施例においては、レンズ１８ｅは、大部分の光が、該素子の上面に対する垂線に対して４５°以下の角度でレンズから出るような形状とされる。該アレイの端側における素子１５ｂ（図４に示される上側中央の２つの素子）の上に形成されるレンズ１８ｂは、該アレイの側面から大きな角度で出るように光１９ｂを導くような形状とされる。該アレイの端側における素子１５ｄ（図４に示される素子の左側の列の中央部の２つの素子）の上に形成されるレンズ１８ｄは、該アレイの側面から大きな角度で出るように光１９ｄを導くような形状とされる。該アレイの端側における素子１５ｆ（図４に示される素子の右側の列の中央部の２つの素子）の上に形成されるレンズ１８ｆは、該アレイの側面から大きな角度で出るように光１９ｆを導くような形状とされる。該アレイの端側における素子１５ｈ（図４に示される下側中央の２つの素子）の上に形成されるレンズ１８ｈは、該アレイの側面から大きな角度で出るように光１９ｈを導くような形状とされる。該アレイの隅における素子１５ａ、１５ｃ、１５ｇ及び１５ｊの上に形成されるレンズ１８ａ、１８ｃ、１８ｇ及び１８ｊは、該アレイの隅から出るように光１９ａ、１９ｃ、１９ｇ及び１９ｊを導くような形状とされる。

図５Ａは、図４に示されたアレイの中央部に配置され得る素子１５及びレンズ１８（即ち素子１５ｅ及びレンズ１８ｅ）の例の断面図である。レンズは、発せられる光の強度が発せられる光の最大強度の半分となる、素子１５の上面に対する垂線に対する角度として定義される、半値角により特徴づけられ得る。図５Ａにおける線５０は、素子１５の上面に対する垂線である。図５Ａは、ランバート（Lambertian）パターンで光を発する素子を示す。ランバートパターンにおいては光は余弦曲線において均等に分散され、半値角５２は垂線５０に対して６０°である。図５Ａにおいて示されるレンズは回転対称であり、半値角はいずれの方向においても略同じである（素子１５の形状による半値角の僅かな変化はあり得る）。例えば、半値角５２は、図５Ａに示された断面における該レンズの右側と左側とで同じである。

図５Ｂ及び５Ｃは、図４に示されたアレイの端側に配置され得る素子１５（即ち素子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｆ、１５ｇ、１５ｈ及び１５ｊ）及びレンズ１８の例の断面図である。図５Ｂ及び５Ｃのレンズ１８は、回転対称ではない。図５Ｂ及び５Ｃにおけるレンズは両方とも左側がランバートパターンで光を発し、半値角５２は垂線５０に対して６０°である。図５Ｂ及び５Ｃの両方におけるレンズの右側は、図５Ｂ及び５Ｃの両方におけるレンズの左側よりも、横方向に大きな広がりを持つ。図５Ｂにおいては、レンズの右側は、該レンズの右端における略垂直な側壁に向かって上方に延在している。図５Ｃにおいては、レンズの右側は、下向きに湾曲している該レンズの右端に向かって外向きに延在している。図５Ｂ及び５Ｃにおけるレンズの右側は、より大きな角度で光を発し、半値角は、光線５４により示されるように垂線５０に対して少なくとも７０°であっても良く、又は光線５５により示されるように垂線５０に対して少なくとも８０°であっても良い。より大きな半値角で光を発するレンズの部分の位置は、図４においてレンズ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈ及び１８ｊの平坦な側面として示されている。斯くして、これらレンズは、６０°よりも大きな半値角で、該アレイの側面から光を出すように導く。

図６は、図４に示された軸２５においてとった、図４に示されたアレイを含むランプの断面図である。マウント３０は、ヒートシンク３２に装着される。素子１５のアレイの上には、外殻３４が配置される。外殻３４は例えば、成型プラスチック又はガラスのような、いずれの適切な透明材料であっても良い。外殻３４は、ＴｉＯ_２の粒子のような散乱を引き起こす材料を含んでも良く、又は散乱を引き起こすように粗化、パターニンング又はざらつき加工されても良い。該アレイの端側における素子の上のレンズ１８ｄ及び１８ｆは、上述したように、幾つかの実施例においては少なくとも７０°、幾つかの実施例においては少なくとも８０°の半値角で、該アレイの側面から光１９ｄ及び１９ｆを出すように導くような形状とされる。外殻３４によりもたらされる散乱と組み合わせられたレンズ１８ｄ及び１８ｆの形状は、例えばヒートシンク３２の上面に対する垂線に対して少なくとも９０°の角度、及び／又はヒートシンク３２の上面に対する垂線に対して９０°と１３５°との間の角度のような、大きな角度で光３５が発せられるようにする。幾つかの実施例においては、ヒートシンク３２の上面に対する垂線に対して１３５°で発せられる光の量は、発せられる光の強度が最大となる角度において発せられる光の少なくとも５％である。

図７は、図４に示された軸２５においてとった、図４に示されたアレイを含む代替のランプの断面図である。マウント３０は、ヒートシンク３６に装着される。ヒートシンク３６は、外殻３８が、該アレイの端部を越えて、及びヒートシンク３６の側面を越えて延在するような形状とされる。外殻３８は例えば、成型プラスチック又はガラスのような、いずれの適切な透明材料であっても良い。外殻３８は、ＴｉＯ_２の粒子のような散乱を引き起こす材料を含んでも良く、又は散乱を引き起こすように粗化、パターニンング又はざらつき加工されても良い。該アレイの端側における素子の上のレンズ１８ｄ及び１８ｆは、上述したように、幾つかの実施例においては少なくとも７０°、幾つかの実施例においては少なくとも８０°の半値角で、該アレイの側面から光１９ｄ及び１９ｆを出すように導くような形状とされる。外殻３８によりもたらされる散乱と組み合わせられたレンズ１８ｄ及び１８ｆの形状は、例えばヒートシンク３６の上面に対する垂線に対して少なくとも９０°の角度、及び／又はヒートシンク３６の上面に対する垂線に対して９０°と１３５°との間の角度のような、大きな角度で光３５が発せられるようにする。幾つかの実施例においては、ヒートシンク３６の上面に対する垂線に対して１３５°で発せられる光の量は、発せられる光の強度が最大となる角度において発せられる光の少なくとも５％である。

幾つかの実施例においては、図６及び７のランプは、エネルギースター装置として指定されるために要求されるように、いずれの角度においても発せられる光の量が、０°と１３５°との間の平均強度の±２０％以内となるよう構成される。

図４、６及び７に示された構造は、図２に示されたパッケージのような、従来の電球のためのソケットと互換性があるパッケージに組み込まれても良い。図６及び７に示された外殻は、図２に示されたレンズを置き換えても良い。

本発明が詳細に説明されたが、本開示により、ここで説明された本発明の概念の精神から逸脱することなく、本発明に対して変更が為され得ることは、当業者は理解するであろう。例えば、異なる実施例の異なる要素が組み合わせられ、新たな実施例を形成しても良い。それ故、本発明の範囲は、ここで示され説明された実施例に限定されることを意図したものではない。

Claims

マウントに装着された複数の半導体発光ダイオードと、
前記複数の半導体発光ダイオード上に配置された複数のレンズと、
を有する構造体であって、
前記マウントの端部の近くに配置された半導体発光ダイオード上に配置された回転非対称な第１のレンズであり、第２部分およびランバートパターンで光を発する第１部分を含む、第１のレンズと、
前記マウントの中央部の近くに配置された半導体発光ダイオード上に配置された回転対称なドーム形状である第２のレンズと、
を含み、
前記第２のレンズを通じて発せられる光の半値角が、前記半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して７０°より小さく、
前記第１のレンズのランバートパターンで光を発する前記第１部分を通じて発せられる光の半値角が、前記半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して７０°より小さく、前記第１のレンズの前記第２部分を通じて発せられる光の半値角が、前記半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して少なくとも８０°である、
構造体。
前記複数の半導体発光ダイオード上に配置された殻部を更に有し、
前記構造体は、前記マウントの上面に対する垂線に対して１３５°の角度で光が脱出するように構成され、
前記マウントの上面に対する垂線に対して１３５°の角度で発せられる光の量は、発せられる光の強度が最大となる角度で発せられる光の量の少なくとも５％である、
請求項１に記載の構造体。
前記複数のレンズは、前記複数の半導体発光ダイオード上に成型されたシリコーン製レンズを有する、請求項１に記載の構造体。
前記複数の半導体発光ダイオード上に配置された殻部を更に有する、請求項１に記載の構造体。
前記殻部は、光の散乱を引き起こす材料を有する、請求項４に記載の構造体。
前記殻部は、前記マウントの上面より下方に延在する、請求項４に記載の構造体。
前記マウントの端部の近くに配置された半導体発光ダイオード上に配置された前記殻部及びレンズは、前記マウントの上面に対する垂線に対して１３５°の角度で、光が前記殻部から脱出するように構成された、請求項４に記載の構造体。
前記第２部分は、レンズの上面を形成し、前記第２部分は、さらに、前記上面から前記レンズの底面に至るまでカーブしている部分を有する、
請求項１に記載の構造体。
前記第２部分は、前記半導体発光ダイオードの上面に対して略垂直な壁と、該壁に向かって上方に延在している部分とを含む、
請求項１に記載の構造体。
マウントに装着された複数の半導体発光ダイオード上に複数のレンズを形成するステップを有し、
第１の半導体発光ダイオード上に形成された第１のレンズは、第２の半導体発光ダイオード上に形成された回転対称なドーム形状である第２のレンズとは異なる形状を持ち、
前記第１の半導体発光ダイオードは、前記第２の半導体発光ダイオードよりも、前記マウントの端部に近く配置され、
前記第１のレンズは回転非対称であり、かつ、第２部分およびランバートパターンで光を発する第１部分を含む発光表面を有し、
前記第２のレンズを通じて発せられる光の半値角が、前記第１の半導体発光ダイオードおよび前記第２の半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して７０°より小さく、
前記第１のレンズのランバートパターンで光を発する前記第１部分を通じて発せられる光の半値角が、前記半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して７０°より小さく、前記第１のレンズの前記第２部分を通じて発せられる光の半値角が、前記半導体発光ダイオードの上面に対する垂線に対して少なくとも８０°である、
方法。
前記複数のレンズを形成するステップは、
前記複数の半導体発光ダイオードに対応する窪みを持つ金型を、前記マウントの上に配置するステップと、
前記金型と前記マウントとの間の空間をシリコーンで満たすステップと、
前記シリコーンを硬化させるステップと、
を有する、請求項１０に記載の方法。
前記複数のレンズを形成するステップは、前記半導体発光ダイオードを前記マウントに装着する前に、個々の半導体発光ダイオード上に個々のレンズを形成するステップを有する、請求項１０に記載の方法。
前記複数の半導体発光ダイオード上に殻部を配置するステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
前記殻部は、光の散乱を引き起こす材料を有する、請求項１３に記載の方法。
前記殻部は、前記マウントの上面より下方に延在する、請求項１３に記載の方法。
前記マウントの端部の近くに配置された半導体発光ダイオード上に配置された前記殻部及びレンズは、前記マウントの上面に対する垂線に対して１３５°の角度で、光が前記殻部から脱出するように構成され、
前記マウントの上面に対する垂線に対して１３５°の角度で発せられる光の量は、発せられる光の強度が最大となる角度で発せられる光の量の少なくとも５％である、
請求項１３に記載の方法。