JP2009272634A - 蛍光体により変換された白色発光ダイオード用の封止法 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスの光取り出し効率を低下させないよう構成されたＬＥＤを提供すること。
【解決手段】光源の近傍にナノ粒子と光散乱粒子との両方を導入することによって光取り出し効率と色温度分布一様性が改良されたことを特徴とする、改良された発光デバイス、特に蛍光体により変換された白色光デバイスを提供する。高い屈折率を有するナノ粒子は、波長変換層中に分散していて、光取り出し効率を改善するために前記層の屈折率を調節する。光散乱粒子は、波長変換層および／または周りの媒質中に分散していて、空間的な相関色温度一様性を改善する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的には発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より具体的には、ＬＥＤデバイスの光取り出し効率と空間的色温度一様性を改善するナノ粒子と光散乱粒子とを有するＬＥＤに関する。

無機または有機材料の発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体発光デバイスは、エネルギーを光に変換し、多くの応用分野で広く用いられている。当業者にはよく知られているように、無機の固体デバイスは、一般に、反対極性にドープされた領域間に挟まれた半導体材料の１つ以上の活性領域を含む。ドープされた領域間にバイアスが印加されると、電子―正孔の再結合の事象が起こり、これが光を発生し、光は、ＬＥＤの全表面から全方向へ向く経路に活性領域から放出される。従来のＬＥＤは、所望の方向に放出光を向けるために反射器および／または鏡の面を導入する場合もある。

ＬＥＤによって放出される色または波長は、それを発生する材料の特性であって、活性領域のバンドギャップを決定する特性に多く依存する。ＬＥＤは、赤色、黄色、緑色、および青色を含む可視光スペクトル内の色の光を放出するように作られてきた。他のＬＥＤは、電磁波のスペクトルで言うところの紫外光（ＵＶ）の範囲内のような、可視光スペクトルの外側にある輻射を放出する。ＬＥＤからの光の１部分を、放出される前に変換することによって、放出スペクトルをデザインするために、ＬＥＤ中に蛍光体を導入することがしばしば望まれる。例えば、いくつかの青色ＬＥＤでは、青色光の１部分が黄色の光に「ダウン・コンバージョン」される。このようにして、人の目には白色に見えるスペクトルを発生するために、ＬＥＤは、青色と黄色の光の組み合わせを放出する。ここで用いられるように、用語「蛍光体」は、一般的に、任意の発光材料を示すために用いられる。

蛍光体は、ＬＥＤ構造中の色々な領域内に配置されてきた。例えば、蛍光体は、デバイスを被覆するドーム形状の封止体の内側に分散されるか、および／または外側に被覆されてもよい。蛍光体は、特許文献１に示されているように、光放出ダイから遠く離れた位置に配されてもよい。蛍光体は、また、ダイ自身の上に被覆又は成膜されてもよい。蛍光体を導入するためにしばしば、電気泳動成膜、謄写を用いる印刷、スピン・コーティング、噴霧コーティングなどを含む色々な技術が用いられる。他の技術は、中に蛍光体を含む、エポキシ、シリコーン封止体などのような材料の液滴が、ダイの上に配され、硬化されて、ダイ上を覆う殻を形成するような蛍光体調合工程を用いる。これはしばしば「グローブ・トップ(glob top)」工程と呼ばれる。他の技術では、蛍光体を含む材料の１滴が、ダイ上に配され、蛍光体が液滴内で沈殿するのを可能にする。この技術は、「リモート・セトリング（remote settling）」と呼ばれる。

多くの応用では、白色光を放出するＬＥＤが必要になる。ここで用いられるように、用語「白色光」は一般的な意味で用いられ、色々な個人あるいは検出器が、例えば、黄色または青色方向へのわずかでも色合いを有すると認める光を含む。上記したように、従来のＬＥＤデバイスのいくつかは、白色光を実現するために青色ＬＥＤ上に黄色の蛍光体を結合させる。ＬＥＤから放出される青色光のいくらかは、変換されずに蛍光体を通過するが、放出される青色光のいくらかは、ダウン・コンバージョンされて黄色になる。発光デバイスから放出される青色光と黄色光との組み合わせは、白色光出力を提供する。

例えば反射性層／屈折性層、レンズ、及び光散乱素子のような他の機能性特徴物をいくつか含んだＬＥＤが製造されてきた。いくつかのＬＥＤは、色々な材料界面での全内部反射を低減することにより光取り出し効率を増大させるために繊維構造化（textured）されている表面を含む。特定の特性を有するＬＥＤを作り上げるために、当分野ではよく知られている他の多くの機能性特徴物を、結合してもよい。

米国特許第７２８６９２６号明細書 米国特許第００３４８６１号明細書 米国特許第４９４６５４７号明細書 米国特許第５２０００２２号明細書 米国特許出願公開第２００６／００４９４１１号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１８９０９８号明細書 米国特許出願公開第２００６／００６０８７７号明細書 米国特許出願公開第２００６／００６０８７４号明細書

図１は、公知のＬＥＤデバイス１０の断面図を示す。ＬＥＤチップ１１は、マウント表面１２上に配置されている。波長変換材料の層１３が、ＬＥＤチップ１１を取り囲んでいる。封止体１４が、ＬＥＤチップ１１と変換層１３とを被覆している。ＬＥＤチップは、繊維構造化されている放出表面１５を有し、これは、界面での屈折率の階段的低下の効果と釣り合わせることによりＬＥＤチップ１１と変換層１３との界面での光の取り出し効率を大きくする。蛍光剤粒子１６が変換層１３中に分散しているように示されている。ＬＥＤチップ１１から放出された光のいくらかは、変換層１３内部で、封止体１４との界面で、または封止体１４内部で反射され、または後方散乱され、繊維構造化されている表面１５のほうへ戻る。繊維構造化されている表面１５と、界面での屈折率の階段的上昇とのために、繊維構造化されている表面１５に入射する光の大部分は、ＬＥＤチップ１１に再び入り、そこで吸収され、デバイス１０の光取り出し効率を低下させることになる。

１つの実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスは以下を備える。ＬＥＤチップは、その上に配置された変換層を有する。該変換層はバインダ材料と該バインダ材料中に分散した複数の蛍光剤粒子とを有する。複数のナノ粒子が、ＬＥＤチップの近傍（proximate to）に配置されている。複数の光散乱粒子が、ＬＥＤチップの近傍に配置されている。

他の実施形態では、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスは、以下を備える。ＬＥＤチップが、マウント表面上に配置されていて、該ＬＥＤチップは、繊維構造化されている主放出面を有している。波長変換層が、ＬＥＤチップ上に配置されている。該変換層は、第１の屈折率を有するバインダ材料と、該バインダ材料中に分散した複数の蛍光剤粒子と、および該バインダ材料中に分散した複数のナノ粒子とを備える。複数の光散乱粒子が、ＬＥＤチップの近傍に配置される。

複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスを製造する１つの方法は、以下を備える。複数のＬＥＤデバイスを、半導体ウェーハ上に成長する。波長変換層が該ウェーハ上に塗布され、ＬＥＤデバイスのそれぞれが、該層で被覆されるようになる。該変換層は、該変換層中に分散した複数のナノ粒子を備える。複数の光散乱粒子が、該ＬＥＤデバイスの近傍に配置される。

発光ダイオード（ＬＥＤ)デバイスの他の実施形態は、以下を備える。繊維構造化されている主放出面を有しているＬＥＤチップが、マウント表面上に配置される。波長変換層が、ＬＥＤチップ上に配置される。該変換層は、第１の屈折率を有するバインダ材料と、該バインダ材料中に分散した複数の蛍光剤粒子とを備え、該蛍光剤粒子は、１０ナノメートル未満または１０マイクロメートルより大きい直径を有することを特徴とする。複数の光散乱粒子は、該ＬＥＤチップの近傍に配置される。

既知のＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明の実施形態による複数のＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの断面図である。 本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスの断面図である。 製作工程の各段階におけるウェーハ・レベルでのＬＥＤデバイスの断面図である。 製作工程の各段階におけるウェーハ・レベルでのＬＥＤデバイスの断面図である。 製作工程の各段階におけるウェーハ・レベルでのＬＥＤデバイスの断面図である。 製作工程の各段階におけるウェーハ・レベルでのＬＥＤデバイスの断面図である。 製作工程の各段階におけるウェーハ・レベルでのＬＥＤデバイスの断面図である。

本発明の実施形態は、ナノ粒子と光散乱粒子との両方を光源の近傍に導入することによって光取り出し効率と色温度分布一様性を改善することを特徴とする、発光デバイス、特に白色光デバイスの改良形を提供するものである。高い屈折率を有するナノ粒子が、波長変換層中に分散していて、光取り出し効率を改善するために該層の屈折率を調節する。空間的相関色温度（ＣＣＴ）分布の一様性を改良するために、光散乱粒子が、波長変換層内または周辺媒質中に分散されている。

層、領域、または基板のような要素が他の要素の「上に」あるといわれたときに、該他の要素の直接上にある場合もあれば、または介在する要素が存在してもよいことは理解されよう。更に、「内部に」、「外部に」、「上部に」、「上に」、「下方に」、「下に」、「以下に」及び同様の用語のような相対関係を表す用語は、ここでは１つの層または領域の他の層または領域に対する関係を記述するために用いられている。これらの用語は、図に描かれた方向に加えて、デバイスの他の方向へ拡げてもよいものと意図されていると理解されたい。

「第１の」、「第２の」などという順序を表す用語は、ここでは、色々な素子、部品、領域、層、および／または区画を記述するために用いられているが、これらの素子、部品、領域、層、および／または区画は、これらの用語によって制限されるべきではない。これらの用語は、１つの素子、部品、領域、層、または区画を他と区別するためだけに用いられている。このように、本発明の教えるところから逸脱することなしに、以下に論じる第１の素子、部品、領域、層、または区画は、第２の素子、部品、領域、層、または区画と呼ぶことも出来る。

この明細書等を通して、「（単数の）層」と「（複数の）層」とが相互互換で用いられていることは注意すべきである。材料の単一の「層」が、実際にはいくつかの別々の材料の層を含んでもよいことは普通の当業者には理解されるであろう。同様に、いくつかの材料の「層」は、機能的には単一層とみなしてもよいであろう。換言すれば、「層」という用語は、材料の一様な層を記しているのではない。単一の「層」も、サブの層に局在する色々な材料の濃度と組成を含んでいてもよい。このようなサブの層は、単一の形成工程あるいは複数の形成工程で形成されるかもしれない。そうではないとはっきりと記述される場合を除いては、ある要素が材料の「（単数の）層」あるいは「（複数の）層」を備えると記述することによって、請求項に具体化されたような本発明の範囲を制限しようとするものではない。

本発明の実施形態は、ここでは本発明の理想化された実施形態を概略的に表す断面図表示を参照して記述される。それ故に、例えば、製造技術および／または公差の結果として、例示された形状からの変形は予想される。本発明の実施形態は、ここに例示した領域や粒子の特定の形状に限定されるものと捉えるべきではなく、例えば製造工程から来る形状の変形を含むべきである。例えば、長方形として描かれ、または記述された領域は、通常は、普通の製造公差によって丸まっていたり曲がっていたりすることがある。このように、図に示した領域は本来、概略的であり、その形状は、領域や粒子の正確な形状を示そうとするものではなく、本発明の範囲を制限しようとするものでもない。要素同士は、お互いに縮尺どおりに示されているのではなく、寧ろ、一般的に言えば、空間的及び機能的な関係を表すために示されている。

ここで用いられるように、用語「光」は、可視光スペクトル内の電磁波の輻射に限定されるものではない。都合により、「光」はまた、例えば赤外、または紫外光スペクトルのような可視光スペクトルの外側の電磁波のスペクトルの部分を含んでもよい。

図２は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイス２００の断面図を示す。ＬＥＤチップ２０２は、マウント表面上に配置される。ＬＥＤ２０２は、色々な色の光を放出することが出来るし、赤外光または紫外光のような可視光スペクトルの外側の輻射を放出することも出来る。放出される光の色は、チップ２０２に用いられる半導体の材料特性によって定まる。ＬＥＤチップ２０２は、多くの異なる材料系から作ることができる。その１つの適当な材料が窒化ガリウム（ＧａＮ）である１つの実施形態では、ＬＥＤチップ２０２は、青色の光を放出する。上記したように、多くの応用分野が、白色光出力を必要としている。これは、青色の光の１部分を黄色の光にダウン・コンバージョンすることによって達成できる。放出されると、青色光と黄色の光の組み合わせは、白色に見える。

変換過程は、蛍光体で装荷された変換層２０４内で起こる。波長変換層２０４は、放出される光の１部分を異なる波長へ変換する。この過程はこの分野ではよく知られている。イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）はよく用いられる蛍光体の１例である。

１つの実施形態では、蛍光体は、多くの異なる組成と蛍光体材料を、単独でまたは組み合わせて含む。単結晶蛍光体は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、化学式でいうとＹ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）を含む。ＹＡＧのホスト材料は、他の化合物と結合して所望の放出波長を達成することが出来る。単結晶蛍光体が青色光を吸収して黄色を再放出する１つの実施形態では、単結晶蛍光体は、ＹＡＧ:Ｃｅを含むことが出来る。この実施形態は、青色光と黄色光の組み合わせで白色光を放出するＬＥＤに特に適用可能である。広い黄色スペクトルの全範囲の放出は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂:Ｃｅ（ＹＡＧ)を含む（Ｇｄ，Ｙ）₃（Ａｌ、Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ系に基づいた蛍光体で作られた変換粒子を用いることで可能である。白色を放出するＬＥＤチップのために用いることが出来る他の黄色蛍光体は、Ｔｂ_3-xＲＥ_xＯ₁₂：Ｃｅ（ＴＡＧ）；ＲＥ＝Ｙ，Ｇｄ，Ｌａ，ＬｕまたはＳｒ_2-x-yＢａ_xＣａ_yＳｉＯ₄：Ｅｕを含む。

吸収して異なる波長の光を再放出するために他の化合物をＹＡＧホスト結晶とともに用いることが出来る。例えば、青色光を吸収して赤色光を再放出するためにはＹＡＧ：Ｎｂ単結晶蛍光体が提供される。第１の蛍光体と第２の蛍光体は、より高いＣＲＩ値を持つ白色（即ち、暖白色）のために、赤色蛍光体と結合した上記黄色蛍光体と組み合わせることも出来る。Ｓｒ_xＣａ_1-xＳ：Ｅｕ，Ｙ；Ｙ＝ハライド、ＣａＳｉＡｌＮ₃：Ｅｕ、またはＳｒ_2-yＣａ_yＳｉＯ₄：Ｅｕを含む色々な赤色蛍光体を用いることが出来る。

他の蛍光体は、ほぼ全ての光を特定の色に変換することによって飽和色の発光を作り出すために用いることが出来る。例えば、次の蛍光体は、緑色の飽和光を発生するために用いることが出来る。
ＳｒＧａ₂Ｓ₄：Ｅｕ、
Ｓｒ_2-yＢａ_yＳｉＯ₄：Ｅｕ，
ＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ

以下は、変換粒子として用いることが出来る、適当な更なる蛍光体のいくつかを列挙したものである。もちろん、他の蛍光体を用いることも出来る。それぞれは、青色および／またはｕｖ発光スペクトル内に励起帯を有し、所望のピーク放出を呈し、効率のよい光変換を示し、ストークス・シフトは許容範囲内である。
黄色／緑色
（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）（Ａｌ，Ｇａ）₂Ｓ₄：Ｅｕ²⁺、
Ｂａ₂（Ｍｇ，Ｚｎ）Ｓｉ₂Ｏ₇：Ｅｕ²⁺、
Ｇｄ_0.46Ｓｒ_0.31Ａｌ_1.23Ｏ_xＦ_1.36：Ｅｕ²⁺ _0.06、
（Ｂａ_1-x-yＳｒ_xＣａ_y）ＳｉＯ₄：Ｅｕ、
Ｂａ₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺
赤色
Ｌｕ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺、
（Ｓｒ_2-xＬａ_x）（Ｃｅ_1-xＥｕ_x）Ｏ₄
Ｓｒ₂Ｃｅ_1-xＥｕ_xＯ₄、
Ｓｒ_2-xＥｕ_xＣｅＯ₄、
ＳｒＴｉＯ₃；Ｐｒ³⁺，Ｇａ³⁺、
ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ²⁺、
Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ²⁺。
変換層２０４内では、（不図示の）蛍光剤粒子は、シリコーンのようなバインダ材料２０６中に分散している。蛍光剤粒子の屈折率（ＲＩ）とバインダ２０６のＲＩは同じであることもあり、異なることもある。しかしながら、散乱を低減するために、通常は、差は最小化される。

複数のナノ粒子２０８は、ＬＥＤチップ２０２の近傍に配置される。ナノ粒子２０８は、変換層２０４のバインダ材料２０６中に分散されてもよい。ホスト媒質、この実施形態ではバインダ材料２０６であるが、そのホスト媒質よりも大きなＲＩを持つナノ粒子を含むことによって、ホスト媒質の実効ＲＩを増大させることが出来る。これは、バインダ材料２０６（たとえば、ＲＩ＝ｌ．５をもつシリコーン）のＲＩを蛍光剤粒子（ＲＩ＝ｌ．８）のＲＩとより厳密に整合させるために行われる。この２つの要素が厳密には屈折率整合されない場合は、典型的な蛍光剤粒子はＬＥＤチップ２０２から放出される光の波長（たとえば、青色発光体の場合ほぼ４５Ｏｎｍ)よりも十分に大きい（≒５．５μm）ので、ＲＩの差は光散乱を生じることになる。蛍光体とバインダ材料２０６との間のＲＩの差が低減すると光取り出し効率は増大する。しかしながら、効率は或る点まで増大するだけである。バインダ材料２０６の実効ＲＩが高くなりすぎると、変換層２０４とそれを取り囲む、より小さなＲＩをもつ媒質（例えば、シリコーン又は空気）との平坦界面での全内部反射によって光取り出し効率は実際には減少する。変換層の実効ＲＩの１つの許容値は約１．７であり、これは制御可能な範囲内の全内部反射を与える屈折率整合を提供する値である。

ナノ粒子２０８は、いくつかの異なる材料を含んでもよい。１つの許容できる材料は、２酸化チタン（ＴｉＯ₂）である。他の許容できる材料は、ダイアモンド、炭化珪素、シリコン・ナノ粒子その他を含む。ＴｉＯ₂とダイアモンドのＲＩはともに約２．５である。ある量だけ変換層の実効ＲＩを調節するために必要なナノ粒子の体積は、体積とＲＩとの関係が直線的であるというヴェガード（Ｖｅｇａｒｄ）則を用いて容易に計算できる。例えば、変換層材料のＲＩは１．５であり、目的とする実効ＲＩはｌ．７であるときは、変換層２０４は、体積比で約２０％のＴｉＯ₂ナノ粒子を含むべきである。他の材料の組み合わせと組成を用いてもよい。例えば、いくつかの実施形態は、体積比で５％より大きなナノ粒子を有してもよい。他の実施形態は、体積比で１０％より大きいナノ粒子を有してもよい。更に他の実施形態は、体積比で２０−４０％のナノ粒子を装荷してもよい。ナノ粒子の濃度は、用いられる材料と所望のＲＩ調節値のような因子に依存する。

バインダ材料２０６を蛍光剤粒子と屈折率整合させると、変換層２０４内の散乱が低減する。この散乱の低減は、遠視野における色温度分布の一様性に悪い影響を与える。この負の効果を補償するために、光散乱粒子をデバイス中に導入する。

光散乱粒子（ＬＳＰ）２１０は、ＬＥＤチップ２０２の近傍に配置されている。この技術は、この分野では公知であるので、ここでは簡単に論じるだけである。個々のフォトンがデバイス２００を出る点を無秩序化するために、放出される前にその方向を変えるように、ＬＳＰ２１０は、ＬＥＤチップ２０２の周りに分布している。これは、外部の観測者が視野角の広い範囲にわたってほとんど同じ色を見るように色温度分布の平坦化の効果を果たす。本発明の実施形態は、冷白色（ｃｏｏｌ−ｗｈｉｔｅ）温度（５０００−７０００Ｋ）では５００Ｋ未満の範囲、および暖白色（ｗａｒｍ−ｗｈｉｔｅ）温度（２５００−４０００Ｋ）では３００Ｋ未満の範囲という良好な空間色温度一様性を提供する。

ＬＳＰ２１０は、以下の材料を含む多くの異なる材料を含むことが出来る。
シリカゲル、シリコン・ナノ粒子、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、２酸化チタン（ＴｉＯ₂）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、溶融石英（ＳｉＯ₂）、いぶしシリカ（ＳｉＯ₂）、窒化アルミニウム、ガラス玉、ダイアモンド、２酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）、酸化タンタル（ＴａＯ₅）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、窒化ホウ素（ＢＮ）、または蛍光剤粒子（たとえば、ＹＡＧ:Ｃｅ ＢＯＳＥ）。
列挙しなかった他の材料を用いることも出来る。特定の散乱効果を実現するために、材料の色々な組み合わせ又は同じ材料の異なる形態の組み合わせを用いてもよい。

これらのＬＳＰ２１０は、取り囲む媒質２１２に比べて大きな屈折率を有し、材料間で大きな屈折率の差異を作るべきである。屈折率の差異は屈折を生じるので、取り囲む媒質に比べて小さな屈折率をもつＬＳＰ材料を用いることも出来る。ＬＳＰ２１０は、媒質中に局所的不均一性を作り、それが光を直線経路からずらすことになる。

光が１つ以上の散乱粒子２１０に当たると、媒質と粒子２１０の間の屈折率の差異が光を屈折させ異なる方向へ伝播させる。大きな屈折率の差異は、入射フォトンに対してより顕著な方向変換を生じさせる。このために、大きな屈折率をもつ材料は、シリコーンまたはエポキシのような媒質中で効果的に働く。光散乱材料を選択するときの他の考慮すべきことは、材料の光吸収である。大きな粒子は、デバイス２００から外に出射する前にパッケージ内でより多くの光を後方散乱させ、これがデバイスの全光出力を低下させる。このように、好適なる散乱粒子材料は、媒質に比べて高い屈折率と、ホスト媒質中を伝播する光の波長と同程度の粒子サイズをもつ。理想的には、ＬＳＰは、所与のスペクトルに対して前方及び側方の散乱効果が最大となり、後方散乱と吸収による光損失は最小となるようにする。

ＬＳＰ２１０は、ＬＥＤチップ２０２の近傍にある限り、放出される光のほとんど全てがＬＳＰ２１０と相互作用する確率を持つように、色々な要素中に分散していてもよい。例えば、図２に示した実施形態では、ＬＳＰ２１０は、ナノ粒子２０８と（不図示の）蛍光体と一緒にバインダ材料２０６中に配置される。変換層２０４は、ＬＥＤチップ２０２上に配置されているので、放出される光のほぼ全ては、デバイス２００から放出される前に、ＬＳＰ２１０が分散されている変換層を通る。ＬＳＰ２１０は、以下により詳しく論じるように、他の要素中に配置されてもよい。

応用分野によって指示されたとおりに、ＬＳＰ２１０の組成の色々なパーセンテージを用いることが出来る。用いられる材料に依存して、ＬＳＰ２１０は、体積比で０．０１％から５％の範囲の濃度になるのが通常である。 他の濃度を用いることも出来る。しかしながら、吸収による損失が、散乱粒子の濃度とともに増加する。このように、ＬＳＰの濃度は、許容できる損失値を守るように選ぶべきである。

いくつかの実施形態では、光散乱粒子は、０．１μmから２μmの範囲の直径を有する。いくつかの場合には、異なるサイズのＬＳＰを用いることが望ましい。例えば、或る実施形態では、第１の複数のＬＳＰは、チタニア、シリカ、およびダイアモンドを含み、また第２の複数のＬＳＰは、溶融石英、チタニア、およびダイアモンドを含んでもよい。所望の色温度分布を実現するために、多くの他の組み合わせも可能である。

デバイス２００は、ＬＥＤチップ２０２と変換層２０４との上に配置された上面成形（オーバー・モールド）封止体２１２を含む。封止体は、パッケージの光取り出し効率を改善し、またＬＥＤ及びその共形(conformal layer)層を保護するためにしばしば用いられるが、この分野では公知であり、例えばシリコーンのようないくつかの材料から作られている。封止体２１２は、レンズのようなビーム成形要素としても機能する。この特定の封止体２１２は、半球状であるが、他の形状も可能である。

全内部反射（ＴＩＲ）を低減することによってＬＥＤチップ２０２からの光取り出しを増大させるために、ＬＥＤチップ２０２は、繊維構造化されている光放出表面２１４を含んでいる。半導体材料の表面を改質するために用いられる多くの技術が知られている。表面は、改質され繊維構造をもたらすべき表面に材料を付加するような付加的工程によって改質されてもよい。表面は、また、改質され繊維構造を作るべき表面から材料を取り除くような除去工程を用いて改質されてもよい。エッチング、切断、及び研磨のような除去工程は、この分野では公知であり、表面を繊維構造化するためにしばしば用いられる。ＬＥＤチップ２０２は、繊維構造化された光放出表面２１４の反対側には、反射性材料の層のような反射素子２１６を有する。反射素子２１６は、ＬＥＤチップ２０２内で発生した光のいくらかの方向を繊維構造化されている光放出表面２１４の方向へ戻す。反射素子２１６は、例えば厚い銀の鏡を含んでもよい。

図３は、本発明の実施形態による他のＬＥＤデバイス３００の断面図を示す。ＬＥＤデバイス ３００は、いくつかの共通の要素をＬＥＤデバイス２００と共有する。 この特定の実施形態では、ＬＳＰ３０２は、封止体２１２の中に分散している。この構成では、ＬＳＰは、変換層２０４から封止体２１２内へ通過した光を散乱する。ＬＳＰ３０２は、封止体中に一様に分散されてもよく、特定の出力分布を実現するために色々な領域に塊になっていてもよい。

図４は、本発明の実施形態による複数の個別化前のＬＥＤデバイス４００の断面図を示す。図示された部分は、基板４０８上に形成された３つのＬＥＤデバイス４０２、４０４、４０６を含む。垂直の破線は、デバイス４０２、４０４、４０６が個別化される切断線を表す。半導体層４１０は、基板４０８上に成長される。半導体層４１０の基板４０８とは反対側の表面は、繊維構造化された表面４１２である。

変換層４１４は、繊維構造化されている表面４１２上に配置されている。変換層４１４は、例えば、スピン・コーティング工程を用いて塗布される。変換層４１２は、例えばシリコーンのようなバインダ材料４１６内に蛍光剤粒子を含む。複数のナノ粒子４１８が、バインダ材料４１６の中に分散している。ナノ粒子４１８は蛍光体と一緒にバインダ材料４１６中へ混合され、そこで半導体層４１０上へスピン・コーティングされる。ナノ粒子４１８をバインダ材料４１６と混合して変換層４１４を塗布する他の方法を用いてもよい。

平坦な封止体４２０は、変換層４１４上に配置される。封止体４２０は、エポキシ、シリコーン、または他の適当な材料で作られてよい。この特定の実施形態では、ＬＳＰ４２２は、封止体４２０の中に分散している。他の実施形態では、ＬＳＰ４２２は、変換層４１４内に分散されてもよい。上に論じたように、ＬＳＰ４２２は、出力分布の色温度分布の一様性を改善する。封止体４２０の放出表面４２４は、平滑にすることも出来るし、封止体／空気界面でのＴＩＲを低減するために繊維構造化されていてもよい。平坦な封止体４２０は、出射する光ビームの形状を整えるために設計されていてもよい。

複数のデバイス４００が形成された後、個々のデバイス４０２、４０４、４０６が、公知の工程を用いて個別化される。デバイス４０２、４０４、４０６は、最終製品とするためにパッケージ工程を経る。しかしながら、図４に示された要素の全ては、ウェーハ・レベルで導入されてもよい。

図５は、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイス５００の断面図を示す。デバイス５００は、図２に示したデバイス２００と同様の要素をいくつか備える。この特定の実施形態では、スペーサ層５０２が、ＬＥＤチップ２０２と変換層２０４との間に挟まれている。スペーサ層５０２は、シリコーン、エポキシ、油、誘電体、および他の材料のような多くの異なる材料から作ることができる。材料は、スペーサ層５０２のＲＩが、ＬＥＤチップ２０２のＲＩと変換層２０４のＲＩとのどちらよりも小さいように選ばれるべきである。

蛍光体とバインダが正確には屈折率整合されていないときに、スペーサ層５０２は、光取り出し効率を増大させる場合がある。上に論じたように、ナノ粒子２０８は、変換層２０４の実効ＲＩを調節するために用いられる。しかしながら、ナノ粒子２０８が、変換層２０４において、蛍光体に整合するために十分に大きなＲＩの変化を作らない場合に対して、スペーサ層５０２は、これを補償することが出来る。例えば、いくつかの実施形態では、変換層２０４に大きな体積となる蛍光体を装荷することが望まれることがある。このとき、ナノ粒子に対する変換層２０４内の収容スペースは少なくなるであろう。ＬＥＤチップ２０２内へ反射して戻り、そこで吸収される光の量を低減するために、スペーサ層５０２は、ナノ粒子２０８と協力して働くことが出来る。この機能を達成するために、スペーサ層５０２は、変換層２０４よりも小さなＲＩを有するように選択される。このとき、スペーサ層５０２に入る光の１部分は、スペーサ層５０２と変換層２０４との間の境界に入射する。この境界で、光は、ＲＩの階段的上昇を感じ、最小の反射で変換層２０４へ通過する。光が、変換層２０４内で反射され、又は後方散乱されると、スペーサ層５０２の境界でＲＩの階段的な減少を感じ、ＴＩＲ現象によって変換層２０４の内部へ反射して戻る有限の機会を有する。

図６は、本発明の他の実施形態によるＬＥＤデバイス６００の断面図を示す。デバイス６００は、図２に示したデバイス２００と同様の要素をいくつか含む。ＬＥＤチップ２０２は、マウント表面上に配置されている。波長変換層２０４が、ＬＥＤチップ２０２を被覆する。この特定の実施形態では、ＬＥＤチップ２０２から放出される光の波長に比べて比較的大きいか比較的小さい直径を持つ蛍光剤粒子を用いることによって、変換層２０４内での散乱は、最小化されている。小さな蛍光剤粒子６０２と大きな蛍光剤粒子６０４とが、変換層２０４のバインダ材料２０６の中に分布している。蛍光剤粒子６０２、６０４の全てが、変換事象を発生できる。

１つの実施形態では、小さな蛍光剤粒子は、１０ｎｍ未満の直径をもち、大きい蛍光剤粒子は1０μｍより大きい直径をもつべきである。入射光の波長よりも遥かに大きいか遥かに小さい直径をもつ粒子は、その光に対しての散乱効果はほとんど持たないことがこの分野では公知である。ナノ粒子を有する変換層と同様に、デバイス６００の変換層２０４は、実質的に散乱がなく、デバイスの取り出し効率を改良する。上に論じたように、出力における一様な色温度分布を確保するためには、光散乱粒子６０６は、ＬＥＤチップ２０２の近傍に分散される。この実施形態では、光散乱粒子６０６は、封止体２１２の全体に分布している。他の実施形態では、光散乱粒子２１２は、小さい蛍光剤粒子と大きい蛍光剤粒子６０２、６０４とともに変換層２０４内に分散されてもよいし、変換層２０４と封止体２１２との両方に分散されてもよい。

ここに論じられる実施形態の１つの利点は、改良されたＬＥＤデバイスをウェーハ・レベルで製造することが出来る可能性である。図７Ａ−７Ｅは、本発明の実施形態による２つのＬＥＤデバイス７００のウェーハ・レベルの製作工程の中間段階での一連の断面図を示す。図７Ａを参照すると、ＬＥＤデバイス７００は、ウェーハ・レベルで示されている。即ち、デバイス７００は、ウェーハから個別のデバイスへ分離／個別化されるまでの必要な段階を全ては通過してはいない。垂直の破線は、ＬＥＤデバイス７００間の分離線又はダイシング線を示すために含まれている。更なる製作工程の後に、ＬＥＤデバイス７００は、図７Ｅに示すように分離することが出来る。図７Ａ−７Ｅは、２つのデバイスだけをウェーハ・レベルで示しているが、より多くのＬＥＤデバイスを単一のウェーハから形成することが出来ることは理解されよう。例えば、１ミリメートル四方のサイズをもつＬＥＤデバイスを作製するときに、４５００個までのＬＥＤデバイスを３インチウェーハ上に製作できる。ＬＥＤチップの典型的な厚さは、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍであり、また６００μｍ又はそれ以上の厚さになることもある。

ＬＥＤデバイス７００のそれぞれは、前の実施形態に対して記述したように、半導体ＬＥＤ２０２を備える。ＬＥＤデバイス７００は、基板７０１上で分離したデバイスとして示されている。この分離は、ＬＥＤ２０２間に空き領域を形成するために半導体ＬＥＤ層の１部分をエッチングすることによって達成できる。他の実施形態では、半導体層は、基板７０１上に連続したまま残され、ＬＥＤデバイス７００が個別化される時に分離される。

基板は、成長基板または運搬基板である。いくつかの実施形態では、基板は、約３インチの直径を持っている。基板は、３インチよりも大きい、又は小さい多くのサイズになっていてもよく、その全てが本発明の色々な実施形態に用いられる、ということは理解されよう。成長基板は、通常は半導体ＬＥＤ層の製作に用いられ、サファイヤ、炭化珪素、シリコン、シリコン・オン・インシュレータ、ゲルマニウム、窒化アルミニウム、および窒化ガリウムのような多くの材料で作られる。ＩＩＩ族窒化物ベースの半導体層に対する適当な成長基板は、４Ｈまたは６Ｈ多形炭化珪素である。ただし、３Ｃおよび１５Ｒを含む他の炭化珪素多形を用いてもよい。炭化珪素基板は、ノースカロライナ州、ダーラム（Ｄｕｒｈａｍ）のクリー社（Ｃｒｅｅ， Ｉｎｃ．）から入手可能であり、それを作製する方法は、科学文献や特許文献２，３，４に述べられている。

図７Ａ−７Ｅにおける基板７０１は、運搬基板であってもよい。適当な運搬基板は、シリコン、銅合金のような金属合金、単結晶蛍光体などを含んでもよい。これらの実施形態に対しては、半導体ＬＥＤ２０２は、運搬基板７０１にフリップ・ウェーハ・ボンドまたはフリップ・チップ・ボンドされている。フリップ・ウェーハ・ボンドまたはフリップ・チップの工程は、通常は、まずｎ型領域、活性領域、及びｐ型領域の順に成長基板上に含んでいるＬＥＤを成長するステップと、次に、それを運搬基板へ移送又は搭載するステップとを含む。移送又は搭載するステップは、通常は、ＬＥＤデバイスと成長基板とを裏返し、それをｐ型領域が運搬基板に最近接するようにして搭載する工程とを含む。ＬＥＤは、１つ以上のボンディング／金属層によって運搬基板に搭載されてもよい。ボンディング／金属層は、基板７０１の方向に放出され、又は反射された光を反射してデバイスの上面方向へ戻すように配置された反射素子２１６を備えてもよい。成長基板は、そこで、ｎ型領域の少なくとも１部分を露出させる公知の研磨および／またはエッチング工程を用いて除去されてもよい。次に、光取り出しを促進するために、ｎ型領域がパターン化され、形状化され、または繊維構造化される。他の実施形態では、成長基板又は少なくともその１部分は残される。成長基板または残されたその１部分は、光取り出しを促進するためにパターン化され、形状化され、または繊維構造化される。例としての製造技術は、特許文献５，６，７，８に記述されている。

ＬＥＤデバイス７００のそれぞれは、第１と第２の電極７０２、７０４をもつ。図７Ａ−７Ｅは、第１の電極７０２が基板７０１上にあり、第２の電極７０４がＬＥＤ２０２上にある垂直配置のデバイスを示す。第１の電極７０２は、基板７０１上にある１つの層として示されているが、ＬＥＤデバイス７００が個別化されるときは、第１の電極７０２も、各デバイス７００が第１の電極７０２の各１部分を有するように分離される。第１の電極７０２と第２の電極７０４とは、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、それらの合金のような金属、または酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、などのような透明な導電性酸化物を含んでいる、ということは理解されよう。本開示の利益をもとに当業者は理解するであろうが、両方の電極ともデバイスの同じ側にあるような横配置を持つＬＥＤに関しても本発明を用いることが出来る。

さて図７Ｂを参照すると、電極台座７０６が第２の電極７０４上に形成され、色々な被覆が塗布された後に第２の電極７０４へ電気的接触を取るために利用される。台座７０６は、多くの異なる導電性材料で形成することが出来、電解メッキ、無電解メッキ、またはスタッド・バンプ形成法のような多くの異なる公知の物理的または化学的成膜工程を用いて形成される。適当な電極台座７０６は金（Ａｕ）でありスタッド・バンプ形成法により形成される。この方法は、通常は、最も容易であり、最も費用効果がよい方法である。台座７０６は、Ａｕ以外の他の導電性材料、たとえば銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）又はこれらの組み合わせのような材料で作ることもできる。図７Ａ−７Ｅに示した垂直配置型デバイス７００では、たった１つの台座７０６が必要になるだけである。横配置または大面積垂直配置デバイスに関する別の実施形態では、更なる台座が形成されてもよい。

スタッド・バンプを形成する工程は、一般的には知られているので、ここでは簡単に論じる。スタッド・バンプは、従来のワイヤ・ボンディング工程において用いられる「ボール・ボンディング」工程の変形によって電極（ボンディング・パッド）上に置かれる。ボール・ボンディングでは、ボンド・ワイヤの先端が融けて球を形成する。ワイヤ・ボンディング用の工具が、金属接続を作るために機械的な力、熱 、および／または超音波エネルギーを加えながら、この球を電極に対して押し付ける。ワイヤ・ボンディング工具は、次にボード、基板、またはリード・フレーム上の接続パッドにまで金線を延ばして、そのパッドに「縫合」ボンドを作り、次のサイクルをはじめるためにボンド・ワイヤを切断して終わる。スタッド・バンプ形成法に関して、第１の球ボンドは記述したように形成されるが、線は球の近くで折られる。出来上がった金球、すなわち「スタッド・バンプ」が、電極上に残り、下地の電極金属を通して永く信頼が置ける接続を提供する。スタッド・バンプは、次に、より平坦な上表面とより一様な高さを実現するために、機械的圧力によって平坦化される（即ちコイン状になる）と同時に、残った線を押して球にする。

次に、図４Ｃでは、デバイス７００は、電気泳動成膜, スピン又はスプレイ・コーティング、スクリーン印刷法、および／または調合法のような技術を用いて（図４に示した変換層４１４と同じように）変換層７０８で覆われる。図７Ａ−７Ｅには示されていないが、上に詳しく論じられたように、変換層７０８は、ナノ粒子、光散乱粒子、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。変換層７０８は、また、異なるサイズの蛍光体を備えてもよい。変換層７０８は、台座７０６を覆う／埋め込むような厚さをもつ。ウェーハ・レベルで変換層７０８を成膜する利点の１つは、特定のデバイス又は特徴物の上に正確に位置合わせする必要をなくすことである。そうではなくて、ウェーハ全体が被覆され、その結果、より簡単で費用効果のよい製作工程となる。

さて、図７Ｄを参照すると、変換層７０８は、台座７０６が変換層７０８の上表面を通して露出するように薄層化又は平坦化される。研磨、ラッピング、艶出し、スクイージーの使用、および物理的または化学的エッチングのような公知の機械的又は化学的工程を含む多くの異なる薄層化工程を用いることが出来る。薄層化工程は、台座７０６を露出させるだけでなく、光変換層７０８の厚さの平坦化と制御が可能である。これは、いくつかの実施形態では、存在する蛍光体の量を制御することにより放出される光の強度と色点を制御することになる。

さて、図７Ｅを参照すると、それぞれのデバイス７００が、ダイシング、刻印と破断、またはエッチングのような公知の方法を用いて個別化される。個別化工程は、デバイス７００のそれぞれを、それぞれがほとんど同じ厚さの変換層７０８をもつように分離する。これは、同様の放出特性を持つＬＥＤデバイス７００を、信頼性高く安定して製作可能にする。個別化に続き、ＬＥＤデバイス７００は、蛍光体または散乱素子を添加する更なる工程を必要とすることなく、パッケージに、またはサブマウント又はプリント回路基板（ＰＣＢ）に搭載される。１つの実施形態では、パッケージ／サブマウント／ＰＣＢは、台座がリードに電気的に繋がるような従来のパッケージ・リードを有してもよい。次に、従来の（図２に示した封止体２１２のような）封止体が、ＬＥＤチップと電気的な接続部とを取り囲んでもよい。他の実施形態では、ＬＥＤチップは、大気圧で、又はそれ以下でＬＥＤチップ取り囲む不活性雰囲気を有する気密封止カバーで包まれてもよい。

更なる要素を特徴付ける多くの更なる実施形態が可能である。例えば、本発明の実施形態によるＬＥＤデバイスは、波長固有のフィルタ層、顧客用電極、レンズ、及び多くの他の要素を含んでもよい。本発明の実施形態は、ここに開示するこれらの例示的組み合わせに限定しようとするものではない、と理解されたい。

本発明は、ある種の好適な構成を参照して詳細に記述されたが、他の変形も可能である。それ故、本発明の精神と技術範囲はここに記述した形態のみに限定されるものではない。

Claims (13)

1. ＬＥＤチップと、
   前記ＬＥＤチップ上に配置された変換層であって、前記変換層はバインダ材料と前記バインダ材料中に分散した複数の蛍光剤粒子とを有することを特徴とする変換層と、
   前記ＬＥＤチップの近傍に配置された複数のナノ粒子と、
   前記ＬＥＤチップの近傍に配置された複数の光散乱粒子と、
   を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス。
2. 前記ナノ粒子は、前記バインダ材料中に分散していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
3. 前記変換層は、体積比で約１５−２５％のナノ粒子を含むことを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤデバイス。
4. 前記光散乱粒子は、前記バインダ材料中に分散していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
5. 前記変換層は、体積比で約０．０１−５％の光散乱粒子を含むことを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤデバイス。
6. 前記ＬＥＤチップと前記変換層とを実質的に包む封止体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
7. 前記光散乱粒子は、前記封止体中に分散していることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤデバイス。
8. 前記光散乱粒子は、前記バインダ材料と前記封止体中に分散していることを特徴とする請求項６に記載のＬＥＤデバイス。
9. 前記ナノ粒子は、前記バインダ材料中に分散し、前記バインダ材料と前記ナノ粒子の組み合わせの実効屈折率が約１．７となることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
10. 前記ＬＥＤチップと前記変換層との間に挟まれたスペーサ層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
11. 前記ＬＥＤチップの主放出面が繊維構造化されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
12. 前記ＬＥＤチップ上の、前記変換層とは反対側に配置された反射素子をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。
13. 前記ナノ粒子は、前記バインダ材料よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤデバイス。

Images