JP2009516931A - 電圧感応状態遷移誘電体材料を用いる発光デバイス - Google Patents

Abstract

ＬＥＤ及びＯＬＥＤを含む発光コンポーネントの一部としての電圧感応状態遷移誘電体（ＶＳＤ）材料。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００５年１１月２９日に出願された、名称を「ＥＳＤ特性を有する発光デバイス（Light Emitting Devices With ESD Characteristics）」とする、米国仮特許出願第６０/７４０９６１号の優先権を主張する。上記出願の明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

本出願は、２００５年１１月２２日に出願された、名称を「電圧感応状態遷移誘電体材料を用いるＲＦＩＤタグ（RFID Tag Using Voltage Switchable Dielectric Material）」とする、米国仮特許出願第６０/７３９７２５号の優先権を主張する。上記出願の明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

開示される実施形態は全般的には発光デバイスの分野に関する。さらに詳しくは、本明細書に開示される実施形態は電圧感応状態遷移誘電体材料が一体化されているかまたは組み込まれている発光デバイスを含む。

白熱電球のような従来の発光機構は、ＬＥＤ及びＯＬＥＤのような、より効率が高く、強力な発光機構で置き換えられつつある。より新しい発光機構は多くの利点を提供するが、一層高価でもあり、作成が困難でもあり、また新種の材料の使用を導入することも多い。さらに、そのような新しいデバイスは従来の発光機構よりもかなり長い寿命を有することができるが、ＬＥＤ及びＯＬＥＤは過渡電気条件にさらされると故障することがある。特に、半導体チップ及びポリマーがデバイスに用いられる有機及び無機発光デバイスはいずれも、静電放電（ＥＳＤ）及び、電気的過負荷（ＥＯＳ）及び電磁パルス（ＥＭＰ）のような、その他の過渡電圧の影響を極めて受け易い。これらのデバイスは従来、ツェナーダイオードあるいは固体またはポリマーの個別サージサプレッサ素子で保護されている。

本明細書に説明される実施形態は、ＬＥＤ及びＯＬＥＤを含む発光コンポーネントの一部としての電圧感応状態遷移誘電体（ＶＳＤ）材料の使用を提供する。ＶＳＤ材料は，そのような発光デバイスのパッケージの一部として設けるかあるいは電気コンポーネント及び素子に一体化するかまたは複合させることができる。１つまたはそれより多くの実施形態で提供されるように、ＶＳＤ材料の一体化により、静電放電（ＥＳＤ）及び電気的過負荷（ＥＯＳ）のような過渡電圧から、また水分、衝撃及びその他の電気的または機械的な脅威からも、発光デバイスが保護される。

実施形態にはＥＳＤ事象に対して（ＬＥＤ及びＯＬＥＤを含む）発光機構を保護するための装置設計及び手法も含まれる。特に、１つまたはそれより多くの実施形態では、ＥＳＤ事象に対するＬＥＤまたはＯＬＥＤを遮蔽するためのＶＳＤ材料の使用が提供される。

本明細書に説明される実施形態に適用できる発光デバイスの例には、ＬＥＤ，ＯＬＥＤがあり、あるいはフィラメントを燃やす発光機構さえも含まれる。

本明細書で用いられるように、「電圧感応状態遷移材料」または「ＶＳＤ材料」は、材料の特性電圧レベルをこえる電圧がその材料に印加されない限り誘電性すなわち非導電性であり、材料の特性電圧レベルをこえる電圧がその材料に印加された場合には材料が導電性になる特性を有する、いずれかの組成物または組成物の組合せである。すなわち、ＶＳＤ材料は（例えばＥＳＤ事象によって与えられるような）特性レベルをこえる電圧が材料に印加されない限り誘電性であり、特性レベルをこえる電圧が材料に印加された場合にはＶＳＤ材料は導電性である。ＶＳＤ材料は非線形抵抗材料としての特徴を有することができるいずれかの材料として分類することもできる。

様々な種類のＶＳＤ材料が存在する。電圧感応状態遷移誘電体材料の例は、米国特許第４９７７３５７号明細書、米国特許第５０６８６３４号明細書、米国特許第５０９９３８０号明細書、米国特許第５１４２２６３号明細書、米国特許第５１８９３８７号明細書、米国特許第５２４８５１７号明細書、米国特許第５８０７５０９号明細書、国際公開第９６/０２９２４号パンフレット及び国際公開第９７/２６６６５号パンフレットのような文献に与えられている。一実施態様において、ＶＳＤ材料は「ＳＵＲＧＸ」の商標の下で製造されている材料に相当し得る。

１つまたはそれより多くの実施形態において、３０〜８０％の絶縁体、０.１〜７０％の導電体及び０〜７０％の半導体を含有するＶＳＤ材料の使用が提供される。絶縁材料の例には、シリコーンポリマー、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ酸化フェニレン、ポリスルホン、ゾルゲル材料、クリーマー、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム及びその他の金属酸化物絶縁体があるが、これらには限定されない。導電材料の例には、銅、アルミニウム、ニッケル及びステンレス鋼のような金属がある。半導体材料の例には有機半導体及び無機半導体のいずれもが含まれる。無機半導体のいくつかには、シリコン、炭化シリコン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、酸化ニッケル、酸化亜鉛及び硫化亜鉛がある。有機半導体の例には、ポリ-３-ヘキシルチオフェン、ペンタセン、ペリレン、カーボンナノチューブ及びＣ６０フラーレンがある。ＶＳＤ材料の特定の用途の最も適する機械的及び電気的特性のための特定の配合及び組成を選ぶことができる。

さらに、１つまたはそれより多くの実施形態では、発光デバイスがその上に設けられている下層基板またはボードの上にＶＳＤ材料が組み込まれる。ＶＳＤ材料は、残りのデバイスのいくらかまたは全てを形成するために引き続いて用いられる基板上に設けることもできる。ＶＳＤ材料が導電状態にある間に基板上に導電素子を形成するために、電気メッキのようなイオン被着プロセスを用いることができる。導電素子の配置及び形状は、電気リード、端子（すなわち入力または出力）及び、発光デバイスに設けられるか、発光デバイスによって用いられるかまたは発光デバイスに組み込まれる、その他の導電素子に適合するように選ぶことができる。

さらにまた、ＶＳＤ材料が、ハウジングまたは中間層に一体化されるかまたは組み込まれるか、あるいは発光デバイスに一体化されるかまたは接続される何か別の成形体に設けられる、１つまたはそれより多くの実施形態が提供される。

さらに、基板またはその他の構造体上に発光デバイスの導電素子及びコンポーネントを形成するための電気メッキまたはその他のイオン被着プロセス中にＶＳＤ材料が用いられる、１つまたはそれより多くの実施形態が提供される。一実施形態において、基板はＶＳＤ材料の層を有するように形成される。ＶＳＤ材料層を覆う抵抗材料の層が設けられる。抵抗材料は選択的に除去されて、発光デバイスの導電素子が形成されることになる場所の下になるべき場所を定める領域を抵抗材料層から露出させるパターンが形成される。一実施形態において、露出領域は、（ｉ）発光コンポーネントへの及び発光コンポーネントからのリード及び／または端子、発光コンポーネントと基板上のその他の素子の間あるいは発光コンポートの素子間の相互接続、（ii）デバイスの半導体またはその他の発光コンポーネントの内のいずれか１つまたはそれより多くに対応することができる。パターンが形成されると、ＶＳＤ材料の特性電圧をこえる電圧が基板に印加される。電圧の印加と同時に、導電材料がＶＳＤ材料に接合するように、基板にイオン被着が行われる。この結果、少なくともパターンの一部が設けられている場所で基板上に導電線路が形成される。

本明細書に説明される様々な実施形態では、頑健でスケーラブルな手法によるＥＳＤ保護機能内蔵ＬＥＤ/ＯＬＥＤデバイスの作成及び／または構成を可能にするためにＶＳＤ材料がＬＥＤ及びＯＬＥＤデバイスに適用される。高輝度ＬＥＤに関しては、例えば、従来の手法は、少なくとも、高価であり、及び／またはスケーラビリティに影響する解決策を実施せずにはＥＳＤ事象に対処することができないという問題を長い間抱えていた。対照的に、本明細書に説明される実施形態により、ＥＳＤ事象に対する保護機能を内蔵するように、ＬＥＤ及びＯＬＥＤデバイスにＶＳＤ材料をスケーラブルに実装することが可能になる。さらに、図７及び図８Ａ〜図８Ｅの実施形態で説明されるように、ＶＳＤ材料をＬＥＤデバイス及び基板に組み込んで、そのようなデバイスの作成を改善し、容易にすると同時にＥＳＤ保護機能を内蔵させることができる。

概要
図１は、本発明の実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料を組み込むかまたは一体化するように構成された、発光デバイスのブロック図である。デバイス１００は、入力端子１１２から出力端子１１４に電流が流れる発光コンポーネント１１０を有する。電流がコンポーネント１１０を通って流れる結果、光が発生する。コンポーネント１１０は様々な材料及び／または構造を有することができる。例えばＬＥＤの場合、コンポーネント１１０は多くの可能な半導体材料の内のいずれか１つで形成することができる。一方、ＯＬＥＤはポリマーを含む有機材料で形成することができる。発光コンポーネント１１０は他の種類のコンポーネントも有することができる。例えば、本明細書に説明される１つまたはそれより多くの実施形態は、電流がそれを通って流れると「燃えて」特定のスペクトルの光を発する、新種材料で形成されたフィラメントに実施することができる。

例えば、コンポーネント１１０に用いられる材料のタイプ及び／または構造に依存して、発光スペクトルは変わり得る。発光コンポーネントがＬＥＤに相当する場合、発光光は、可視スペクトルからの光（例えば、白、青、緑、赤、黄）、または不可視スペクトルからの光（例えば、赤外、近紫外）を含むことができる。

発光コンポーネント１１０に用いられる材料のタイプ及び構造にかかわらず、本明細書に説明される実施形態により、ＶＳＤ材料を内蔵する結果、デバイスを全体として過渡電圧及び事象に一層強く耐えるようにすることが可能になる。

デバイス１００を形成するため、別の動作状況の１つにおける発光コンポーネント１１０を提供することができる。一実施形態において、基板に設けられているかまたは搭載されている別のデバイスにデバイス１００を相互接続する導電線路または素子をもつ発光コンポーネント１１０を、任意の基板１２２または他のプラットフォーム上に設けることができる。別のまたはさらなる特徴として、発光コンポーネント１１０がケース１２４内に収められる、１つまたはそれより多くの実施形態が提供される。（部材または基板１２２を有する）構造体で発光コンポーネント１１０をケース１２４に固定することができ、ケース１２４は半透明とするかまたは半透明区画を有することができる。また別の変形として、発光コンポーネント１１０は独立構造として設けることができる。例えば、図３の実施形態で説明されるように、発光デバイス１００は、ＬＥＤの形態とすることができ、基板へのＬＥＤの表面実装を可能にするためのＬＥＤの入力／出力端子１１２，１１４から延びるリードを有することができる。あるいは、発光コンポーネント１１０は、基板の一部として設けることができ、その他のコンポーネントを有することができる。

図１の実施形態に関し、位置１３２〜１４０はＶＳＤ材料をデバイス１００に一体化できると考え得る場所を代表している。位置１３２〜１４０はデバイス上の他の同様の位置または領域を代表しているから、個々の位置１３２〜１４０の与えられたいずれかにおけるＶＳＤ材料の議論はその１つの位置で代表される同種の場所に適用できる。一実施形態にしたがえば、位置１３２で代表される場所でデバイス１００にＶＳＤ材料を設けることができる。そのような場所において、ＶＳＤ材料は端子１１２，１１４に向けて延びる導電チャネル１１６，１１８（例えば、線路、リードフレーム）に複合させるかまたは一体化させることができる。別の実施形態において、位置１３４で代表されるように、端子１１２，１１４の一方または両方にＶＳＤ材料を複合させるかまたは一体化させることができる。別の、またはさらなる変形として、位置１３６で代表される場所でデバイス１００にＶＳＤ材料を設けることができる。そのような場所において、ＶＳＤ材料は発光コンポーネント１１０に（またはその中に）複合させるかまたは一体化させることができる。

ＶＳＤ材料が電気素子及びコンポーネントに一体化または複合される実施形態の代りに、またはそのような実施形態に加えて、ＶＳＤ材料がデバイス１００の機械コンポーネントまたは側面に一体化されるかまたは複合される、１つまたはそれより多くの実施形態が提供される。位置１３８はＶＳＤ材料がデバイス１００のケース１２４上に、またはケース１２４の一部として、設けられる場所を代表している。一実施形態において、ＶＳＤ材料の組成はケース１２４での使用に好ましい機械特性（例えば、剛性、曲げ）を有することができる。すなわち、例えば、ＶＳＤ材料は発光コンポーネント１２０を封入する外殻の一部を形成することができる。あるいは、デバイス１００をケース１２４に固定する構造体にＶＳＤ材料を含めることができる。

ケース１２４の使用の代りに、またはケース１２４の使用に加えて、デバイス１００は基板１２２上に搭載することができる。一実施態様において、プリント回路基板またはマザーボードのようなかなり大きなシステムの一部としてデバイスを基板１２２に組み込むことができる。あるいは、単一のデバイス１００または同様のデバイス１００からなるアレイを隔離するための大きさのように、基板１２２は比較的小さくすることができる。位置１４０は基板１２２の上に重なる場所におけるＶＳＤ材料の使用を代表する。例えば、基板を覆う層としてＶＳＤ材料を設けることができる。１つまたはそれより多くの別の実施形態で説明されるように、基板へのＶＳＤ材料の被着は電気素子が基板上に形成される作成プロセスの一部とすることができる。

図１の実施形態で説明されるように、デバイス１００上でＶＳＤ材料が設けられる場所は様々であり得る。ＶＳＤ材料が設けられるべき場所は、（ｉ）用いられるべきＶＳＤ材料の所望量、（ii）用いられる組成の機械的特性及び品質、（iii）ＶＳＤ材料の組込みにおける集成の容易さ、及び（iv）発光デバイスの媒質または用途を含む要因に基づいて考慮される。例えば、図８Ａ〜８Ｅの実施形態で説明されるように、回路基板の電気リード、コンタクト、バイア及びその他の導電素子を形成するためのメッキプロセスの一部としてＶＳＤ材料を用いることが有益であり得る。そのような場合、端子１１２，１１４またはリード１１６，１１８のための場所は、前もって定めておき、ＶＳＤ材料に依存するプロセスを用いて回路基板上に形成することができる。そのようなプロセスの結果、ＶＳＤ材料を端子１１２，１１４またはリード１１６，１１８と一体化させることができる。例えば、ＶＳＤ材料は、端子１１２，１１４またはリード１１６，１１８に相当する導電線路の下になることができる。

発光ダイオード
発光ダイオードは、本明細書に説明される実施形態にしたがい、ＶＳＤ材料を複合するかまたは一体化することができる発光デバイスの一種である。本節では、本発明の実施形態にしたがい、ＶＳＤ材料を複合するかまたは一体化する発光ダイオードの様々な実施態様が示される。

図２は、本発明の一実施形態にしたがって、ＶＳＤ材料を有するように構成された、発光ダイオードの簡単な略図である。図２の実施形態においては、多くの状況または構成の内の１つにおけるＬＥＤ２１０を備えることができる。一実施形態において、ＬＥＤコンポーネント２１０は（例えば半透明ハウジングをもつ）独立デバイスとするか、または発光するデバイスの一部（例えばチップ）とすることができる。ＬＥＤコンポーネント２１０は、化合物半導体のドープト基板及び複数の層を有する、半導体材料で形成された、集積回路チップに相当することができる。ＬＥＤに用いるための特定の材料には、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、炭化シリコン、サファイア、ダイアモンド、セレン化亜鉛、窒化アルミニウム及び窒化インジウムガリウムがある。

一実施形態において、ＬＥＤコンポーネント２１０は、正常な動作条件の下で、電流２１５（正常電流２１５）及び供給電圧２１６を受けるように構成される。電流で活性化されると、ＬＥＤコンポーネント２１０は、ＬＥＤコンポーネントの組成で決定される波長特性を有する光を発する。

一実施形態において、ＶＳＤ材料は、基板２２０またはＬＥＤコンポーネント２１０を支持するその他の構造体の下に、あるいは基板２２０またはそのような構造体の一部として設けられる。例えば、ＬＥＤコンポーネント２１０は、ＬＥＤコンポーネント２１０を含む、複数の素子を相互接続する基板上に搭載することができる。正常な条件の下で、基板２２０は誘電特性を有し、よって正常電流２１５及び供給電圧２１６は干渉されない。しかし、ＶＳＤ材料の特性電圧レベルをこえるサージ（または過渡）電圧が発生すると、基板のＶＳＤ材料は導電性に遷移する。導電状態において、ＶＳＤ材料は生じた電流を接地させる。基板２２０におけるＶＳＤ材料の接地効果を示す、サージ電流２３０が生じる。電流２３０を生じさせるサージ電圧は、基板２２０に与えられたかまたは一体化されたＶＳＤ材料の特性電圧レベルより高いいずれかの電圧とすることができる。

その他のいずれかの実施形態によるように、ＶＳＤ材料は、目的とする用途に適する特性電圧を有するような、量、濃度、場所、厚さまたは組成の内のいずれか１つまたはそれより多くによって構成することができる。すなわち、例えば、ＶＳＤ材料の特性電圧は、いかなるＥＳＤ事象においてもＬＥＤコンポーネントが故障しないであろうように、ＬＥＤコンポーネント２１０の破壊電圧より低くなるように選ぶことができる。

図３は、本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料を有するように構成されたＬＥＤデバイスを示す。一実施形態において、ＬＥＤデバイス３１０は、発光のために基板または別のデバイス上に搭載できるように、独立型である。ＬＥＤデバイス３１０は、半導体コンポーネント３２０，ハウジング３３０及び導電リード３１２，３１４を有する。導電リード３１２，３１４により、電流媒体をコンポーネント３２０に通すことを可能にするための負及び正の端子が与えられる。一実施形態において、ＶＳＤ材料はリード３１２と３１４の間にまたがり、リード３１２と３１４を接続する成形体３５０として設けられる。

一実施形態において、成形体３５０におけるＶＳＤ材料の量は比較的少なく、よって成形体３５０が与える構造的支持は比較的弱い。別の実施形態において、成形体３５０におけるＶＳＤ材料の量は、リード３１２，３１４を固定された位置に支持するための基体を与えるに十分に多い。

正常動作の下で、ＶＳＤ材料の成形体３５０はリードに対して絶縁構造体としてはたらくことができる。用いられているＶＳＤ組成の特性電圧レベルをこえる過渡電圧が存在すると、成形体３５０は誘電性から状態遷移して導電性になる。この構成において、成形体３５０はリード３１２と３１４の間の導電路を提供する。この効果は過渡電圧が生じたときにＬＥＤ３１０を接地することである。

ＶＳＤ材料の成形体３５０は、用いられているＶＳＤ材料の組成及び／または量に基づいて、全体としてＬＥＤデバイス３１０の破壊電圧より低い特性電圧レベルを有することができる。そのようにすれば、過渡電圧の存在によってＬＥＤデバイス３１０が損傷を受けることはほとんどないであろう。

図４は、本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が組み込まれている下層の基板またはプラットフォームに搭載されているＬＥＤデバイスを示す。一実施形態において、デバイス４００は、下層基板４２０に搭載されているか、さもなくは接続されているＬＥＤデバイス４１０を有する。ＬＥＤデバイス４１０は集積回路チップで与えられるような、半導体コンポーネントを有する。ＶＳＤ材料の層（ＶＳＤＭ層４１５）がＬＥＤデバイス４１０の下（例えばチップの下）に設けられる。

正常条件の下で、ＶＳＤＭ層４１５は誘電性であり、ＬＥＤデバイス４１０の動作に干渉しない。ＥＳＤまたはその他の電気的事象が生じると、ＶＳＤＭ層４１５はその事象で生じる電流を接地に流す。

一実施形態において、下層ＶＳＤＭ層４１５は基板４２０とＬＥＤデバイス４１０の間の接合材または固着機構としてはたらくという別の役割も果たす。例えば、接合材の特性を本質的に有するＶＳＤ材料がある。そのような場合、ＶＳＤＭ層４１５はＬＥＤデバイス４１０に対して下層接合層を提供する。

図５は、本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が設けられている基板またはその他の多素子プラットフォームに１つまたはそれより多くのＬＥＤデバイスが搭載されている、別の実施形態を示す。図５の実施形態において、基板５１０には、１つまたはそれより多くのＬＥＤデバイス５１４を含む、数多くのコンポーネント５１２が設けられる。１つまたはそれより多くの別の実施形態で説明されるように、基板５１０はＶＳＤ材料の層（ＶＳＤＭ層５２０）を有することができる。図８Ａ〜８Ｅの実施形態で説明されるように、ＶＳＤＭ層５２０は、ＶＳＤＭ層５２０と一体の態様で複合される、回路素子及び線路を含むその他の電気素子を形成するための一環として設けることができる。

あるいは、その他の電気コンポーネントの形成とは独立に、ＶＳＤ材料を基板５１０上に設けることができる。例えば、ＶＳＤ材料は、線路素子の形成とは独立に基板上に設けることができるが、ＶＳＤ材料によるＬＥＤデバイスの接地を可能にする態様でＬＥＤデバイスに結合される。

ＶＳＤ材料を有するＯＬＥＤデバイス
１つまたはそれより多くの実施形態では、ＶＳＤ材料がＯＬＥＤデバイスに組み込まれるかまたは一体化される。一実施形態にしたがえば、ＯＬＥＤデバイスの動作仕様をこえる過渡電圧及びその他の異常な電気事象の発生時に電流伝導路をＯＬＥＤデバイスから逸らすことができるように、ＯＬＥＤデバイスがＶＳＤ材料に結合される。

図６は本発明の一実施形態にしたがって構成されたＯＬＥＤデバイス６１０を示す。ＯＬＥＤデバイス６１０は、電流をデバイスに通すと発光するように組み合された様々な層を有することができる。一実施形態において、デバイス６１０は厚さをもつ層の積層構造体からなる。そのような積層構造体において、透明な第１の伝導体６１４が積層構造体の一端のアノード端子を提供し、第２の導電体６１５が積層構造体の他端のカソード端子を提供する。積層構造体は、第１の導電層６１４（アノード）に隣接して配置された導電ポリマー層及び第２の導電層６１５（カソノード）に隣接して配置された第２の導電ポリマー層を含む、１つまたはそれより多くの導電ポリマー層６１６を有する。有機ポリマー層６１６の間に有機発光体６２０を配置することができる。電位差６０２を印加するとともに、ドライバ６０８を積層構造体に接続して発光体６２０の電気的制御及び使用を可能にすることができる。通常の手法の下では、印加電位差６０２で生じる電流が有機発光体６２０を発光させる。

一実施形態において、ＶＳＤ材料６２０の層がドライバ６０８に接続される。ＶＳＤ材料は、不測の起因（例えばＥＳＤ事象）からの電流に遭遇したときに接地を提供することができる。電流がドライバ６０８に受けられるかまたはＯＬＥＤ６１０の積層構造体に向けられるのではなく、ＶＳＤが導電性になり、サージに対してＯＬＥＤデバイス６１０を接地する。ＶＳＤ材料は、ＯＬＥＤデバイス６１０の破壊電圧より低い（伝導性に状態遷移させる）特性電圧レベルを有し、よって，ＯＬＥＤデバイス６１０が破壊するかまたは動作不能になり得る前に、ＶＳＤ材料が導電性になってデバイスを接地するように構成するか、設計するかまたは選ぶことができる。

ＶＳＤ材料を有するデバイスの形成
図７は、本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が一体化されている発光デバイスを形成するための手法を示す。図７で説明されるような方法は、ボードまたは基板上に搭載されて他のコンポーネントとの電気的相互接続を有することができるコンポーネントを含む、ＬＥＤまたはその他の発光コンポーネントのようなデバイスを形成するために用いることができる。

ＶＳＤ材料を用いて電気回路及びコンポーネントを電気メッキするかまたは形成するための一般的手法は、１９９９年８月２７日に出願され、今は期限が切れている、米国仮特許出願第６０/１５１１８８号の優先権を主張する、１９９９年１１月１０日に出願され、今は放棄されている、米国特許出願第０９/４３７８８２号の継続出願である、レックス・コソウスキー（Lex Kosowsky）を単独の発明者として２００２年１２月９日に出願された、名称を「電圧感応状態遷移誘電体材料を用いる電流伝導構造（Current Carrying Structure Using Voltage Switchable Dielectric Material）」とする（米国特許出願第１０/３１５４９６号であった）米国特許第６７９７１４５号の継続出願である、レックス・コソウスキーを単独の発明者として２００４年９月１４日に出願された、名称を「電圧感応状態遷移誘電体材料を用いる電流伝導構造」とする、米国特許出願第１０/９４１２２６号の明細書に説明されている。上記出願の明細書の全ては、全ての目的に対してそれぞれの全体が本明細書に参照として含まれる。

工程７１０により、ＶＳＤ材料が基板または導電コンポーネント及び素子がその上に設けられるべき表面に被着される。基板上に被着することができるＶＳＤ材料の量は、説明されるプロセスの用途に応じて、１μｍ厚から１０００μｍ厚の範囲にある。

工程７２０において、ＶＳＤ材料を覆って非導電材料層が設けられる。例えば、ＶＳＤ材料を覆ってフォトレジスト材料を被着することができる。

工程７３０により、基板上の非導電材料層のパターン形成が行われる。パターン形成により、発光コンポーネントが含まれることになる電気コンポーネントの各領域を構成することになるその後の導電素子の形成と位置が一致する領域が露出される。例えば、発光コンポーネントのための電気リードまたは端子の形成と一致すべき露出領域を選択して指定するようにパターンを形成することができる。一実施形態において、非導電層のパターン形成のためにマスクを適用することができる。

１つまたはそれより多くの別の実施形態で説明されるような発光デバイスに対し、露出領域は、発光デバイスへのまたは発光デバイスからのリード、端子または相互接続素子のための線路が設けられるべき場所に一致させることができる。しかし、図３の実施形態で説明したように、例えば、ＶＳＤ材料を発光コンポーネントのリード間にまたがらせることができる。したがって、パターン形成プロセスにより、導電材料または線路を付加することなく、ＶＳＤ材料を以降の使用のために露出させることもできる。すなわち、パターン形成により、ＶＳＤ材料が露出されるべき領域を露出させることができる。

工程７４０において、ＶＳＤ材料の誘電状態から導電状態への状態遷移が起発される。ＶＳＤ材料に材料の特性電圧レベルをこえる電圧を印加することができる。この電圧は、ＶＳＤ材料を含む層に、あるいはＶＳＤ材料の下にある基板の一部に印加することができる。後者の場合、ＶＳＤ材料の下にある基板部分は電荷がＶＳＤ材料に運ばれるように導電性とする（例えば銅またはその他の金属で形成する）ことができる。基板の方向におけるＶＳＤ材料による線形伝導を回避するため、導電性基板への電圧の印加が望ましい場合があり得る。印加電圧は定常（例えばＤＣ）電圧またはパルス電圧とすることができる。

ＶＳＤ材料が導電性である間にパターンの露出領域内に導電素子（例えば線路）を形成するためのイオン被着プロセスが実施される、工程７５０が提供される。非導電層のパターンで定められた露出領域の少なくともいくつかの中に内にイオン性媒質を被着するための多くのプロセスのいずれをも実施することができる。一実施態様において、ＶＳＤ材料及びパターン形成されたフォトレジスト材料を有する基板が電解質溶液に浸漬される、電気メッキプロセスが実施される。

別の実施態様として、粉末コーティングプロセスを用いるイオン性被着が実施される。このプロセスでは、粉末粒子を帯電させて、パターンによって定められた露出領域に与える。粉末の被着は、露出領域上の粉末の堆積あるいは粉末浴内への基板の浸漬によって達成できる。

さらにまた別の実施態様では、エレクトロスプレイプロセスを用いることができる。イオン性媒質は荷電粒子の形態で溶液内に含めることができる。ＶＳＤ材料が導電性である間に、溶液を基板に与えることができる。スプレイの適用にはインクまたは塗料の使用を含めることができる。

他の被着手法、例えば物理的気相成長（ＰＶＤ）プロセスまたは化学的気相成長（ＣＶＤ）プロセスのような気相成長プロセスも、ＶＳＤ材料が導電状態にあるときにＶＳＤ材料上のイオン被着を実施するために用いることができる。ＰＶＤでは金属イオンがチャンバ内に導入されて気体イオンと結合する。基板上のＶＳＤ材料は、チャンバ内のイオンを引きつけてイオンと結合するように、導電性にして逆極性の電荷をもたせることができる。ＣＶＤでは基板表面上のＶＳＤ材料にイオン性材料の膜を被着させることができる。

工程７６０において、必要に応じて非導電性材料を基板から除去して、形成された導電素子を残すことができる。一実施態様において、フォトレジスト材料を除去するために、塩基性溶液（例えばＫＯＨ溶液）または水が基板に与えられる。導電素子は、基板の様々なコンポーネント及び／または領域を、相互に及び／または発光デバイスに、相互接続するように配置されたリード、線路及びその他の素子に相当することができる。

フォトレジスト層の除去に続いて、電気素子が形成されている基板に研磨工程が実施される、１つまたはそれより多くの実施形態が提供される。一実施形態において、基板を研磨するために化学的／機械的研磨が用いられる。

得られた基板は、過渡電圧及びＥＯＳに対処できる能力が内在する電気素子を有する。発光デバイス並びに発光デバイスを有する基板及びその他のデバイスに関しては、発光デバイスの端子及びリードを含む線路素子を、基板上のその他の素子及びその他の素子との相互接続素子とともに、形成するために、図７に説明されるようなプロセスを用いることができる。一実施態様において、例えば、基板が形成されると、マイクロチップのようなデバイス、メモリコンポーネント及びその他のデバイスを、導電コンポーネント及び素子のパターンと一致するあらかじめ定められた位置で、基板上に搭載することができる。

図８Ａ〜図８Ｅは、本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがう、ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスを示す。図８Ａ〜図８Ｅで説明されるようなプロセスは、ＶＳＤ材料をＬＥＤデバイスまたはＬＥＤを載せている基板（ＬＥＤ基板）の電気コンポーネント及び素子と一体形成するために実施することができる。ＬＥＤ基板は、単ＬＥＤデバイス、ＬＥＤデバイスアレイまたはその他の電気コンポーネント及び素子と複合されたＬＥＤに供することができる。後者の場合、例えば、回路基板上のコンポーネントの状態を示す光インジケータをＬＥＤで設けることができる。図８Ａ〜８Ｅは、本発明の一実施形態にしたがう、発光コンポーネント８５５が様々な他のコンポーネントまたは相互接続素子と複合されている実施態様を示す。

ＶＳＤ材料の使用により、とりわけ、ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスが簡単になり、同時にＬＥＤデバイスの電気コンポーネントまたは素子あるいはＬＥＤ基板にＥＯＳまたはＥＳＤ事象に対処できる能力を内在させることが可能になる点が有利である。特に、ＬＥＤ基板の電気コンポーネントへのＶＳＤ材料の一体化により、（ＥＳＤ事象がおこったときのような）過渡電圧が存在するときに、ＶＳＤ材料によるデバイスの接地が可能になる。

図８Ａに示される工程において、ＶＳＤ材料８１２を有する基板８１０が形成される。一実施態様にしたがえば、ＶＳＤ材料８１２は下層基板８０８を覆う層として被着される。

続いて、図８Ｂは基板８１０上に非導電層８２０が被着される工程を示す。非導電層８２０は、例えば、フォトレジスト材料に相当することができる。

図８Ｃに示される工程において、非導電層にパターンが形成されて、露出領域８３０が形成される。得られるパターンは、説明されている形成プロセスの結果としてＬＥＤ基板上に設けられることになる導電素子及びコンポーネントのパターンに相当する。

図８Ｄで説明される工程において、図８Ｃの工程で形成されたパターンによって定められる露出領域８３０上に導電素子８４０が形成される。一実施形態にしたがえば、ＶＳＤ材料８１２の特性電圧をこえる電圧が基板８１０に印加される。電圧印加の結果、ＶＳＤ材料８１２は誘電性から導電性に状態遷移する。電圧の印加によってＶＳＤ材料８１２が導電性になると、パターンで定められる露出領域にイオン性媒質が被着されて、電気素子及びコンポーネントが形成される。

一実施態様において、イオン性媒質被着は電気メッキプロセスを用いて実施される。電気メッキプロセスにおいては、基板８１０が電解質溶液に浸漬され、パターンで定められた露出領域において（導電状態にある）ＶＳＤ材料に溶液からイオン性媒質が結合する。この工程の結果、基板８１０上に導電材料８４０が形成され、ＶＳＤ材料８１２は、導電材料８４０の形成の結果得られるであろう導電素子またはコンポーネントの下になる。

図７の実施形態で説明したように、下層基板８０８は金属のような導電材料で形成することができる。電圧の印加は、ＶＳＤ材料８１２に直接ではなく、基板８０８と一致する接触点で行うことができる。例えば、電圧は基板８０８の下側に与えることができる。そのような電圧の印加は、例えばＶＳＤ材料の線形（すなわち横方向）伝導を回避するために実施することができる。

同じく説明したように、電圧の印加は定常電圧またはパルス電圧で行うことができる。

別のイオン性媒質被着プロセスを実施することができる。例えば、図７の実施形態で説明したように、パターンで定められる露出領域に粉末コーティングプロセスを用いて帯電粉末粒子を被着させることができる。あるいは、溶液内のイオン性媒質にエレクトロスプレイで力を加えて、パターンで定められる露出領域に電気材料を結合及び形成することができる。さらにまた、図７の実施形態で説明した気相成長法のいずれかを含む、その他の手法を用いることができる。

図８Ｅの工程において、非導電層８２０が除去され、基板上の導電層８４０が研磨されるかまたは別の方法で厚さが減じられて、ＬＥＤ基板の線路、リード及びコンポーネントのいくつかまたは全てが形成される。非導電層８２０の除去はそのような材料の層を保持することが望ましいいくつかの用途では省略することができる。

図８Ｅは、説明されるプロセスの結果、どのようにＬＥＤ基板のコンポーネント及び素子が形成され得るかを示す。一実施形態において、ＶＳＤ材料８１２は、例えば、（ｉ）発光コンポーネント８５５の正及び負の端子、（ii）端子への及び端子からのリード、（iii）ＬＥＤ基板のその他のコンポーネント及び素子への相互接続を形成する線路素子と一体化され、そのような線路素子の下にある。基板電力機構８６５（例えば、電池、あるいは電池または電力受取器へのリード）、または電力を与えるためにＬＥＤをその他のコンポーネントに相互接続する線路素子の下にある線路素子の下にＶＳＤ材料８１２がある、１つまたはそれより多くの実施形態も提供することができる。

図８Ａ〜８Ｅで説明されるような実施形態により、ＶＳＤ材料の上に重なる、ＬＥＤ基板内の電気コンポーネント及び素子の形成が可能になる。この態様において、ＬＥＤ基板は、例えばＥＳＤまたはＥＯＳで生じ得る過渡電圧を接地することができる能力を内蔵する。さらに、従来の手法に比較して、数の少ない製造工程を用いてＬＥＤ基板を作成することができる。

ＬＥＤ基板が、基板から分離されて個別に、または他のＬＥＤと組み合せて、用いられるように設計された、ＬＥＤコンポーネントのアレイを有する、１つまたはそれより多くの実施形態で提供される。

図８Ａ〜８Ｅ及び本明細書の他の所で説明されるような実施形態はＶＳＤ材料の使用を説明するが、単一のＬＥＤ基板に使用するためのＶＳＤ材料の別の組成及び配合が、１つまたはそれより多くの実施形態で提供される。例えば、基板上へのＶＳＤ材料８１２の被着（図８Ａ）は、それぞれの組成が異なる複数のＶＳＤ材料の被着を含むことができる。これにより、ＬＥＤまたはＬＥＤ基板の設計において特定の電気コンポーネントまたは素子に最も適する機械的特性または電気的特性をもつＶＳＤ材料の利用が可能になる。

図８Ａ〜図８ＥはＬＥＤまたはＬＥＤ基板の作成に特定されているが、本明細書の別の実施形態で説明されるような別の発光コンポーネントを、本明細書で説明されるようなプロセスによってある程度作成または形成することができる。

さらに、説明される実施形態のいずれに関しても、ＬＥＤ基板は多次元とすることができる。例えば、ＬＥＤ基板用コンポーネントを基板の両面上に組み込み、次いで１つまたはそれより多くのバイアを用いて電気的に相互接続することができる。導電バイアの形成は多くの従来手法のいずれかで実施することができる。あるいは、１つまたはそれより多くの実施形態では、図８Ａ〜８Ｅの実施形態に示されるような基板に、（ｉ）基板８０８を貫通する孔８０９（図８Ａ）をドリルで開けるかまたは形成し、（ii）ＶＳＤ材料被着時にＶＳＤ材料をバイア８０９に貫入させ、（iii）フォトレジストパターン形成時に、導電線路素子が孔８０９の境界に届く経路が形成されるようにパターンを形成し、（iv）バイア表面が導電材料で覆われて導電性のすなわち有効なバイア８０９が形成されるように、イオン性被着を実施し、（ｖ）説明したプロセスを基板の反対側にも電気素子及びコンポーネントが設けられるように繰り返す、バイアの形成が提供される。ＶＳＤ材料を用いるメッキバイア８１９形成のためのプロセスは、米国特許第６７９７１４５号明細書にさらに詳細に説明されている。この特許明細書はその全体が本明細書に参照として含まれる。

両面基板だけでなく、適切に設計された基板に対してバイアは複数の導電層を電気的に接続することができる。例えば、電気コンポーネント及び素子を有する中間層を有する基板がある。バイアは基板の総厚内に埋め込まれたそのような層に届いて接続することができる。このようにすれば、ＬＥＤ基板は、異なる平面または表面上で電気的に接続されたＬＥＤを、またＬＥＤに相互接続するコンポーネントまたは素子も、有することができる。

結言
添付図面を参照して説明した実施形態は例示的と見なされ、出願人
による特許請求の範囲はそのような例示的実施形態の詳細に限定されるべきではない。説明した実施形態には、相異なる例示的実施形態で個別に説明した特徴の組合せを含む、様々な改変及び変形を含めることができるであろう。したがって、本発明の範囲は添付される特許請求の範囲によって定められるとされる。さらに、個別に、またはある実施形態の一部として、説明される特定の特徴は別の個別に説明される特徴または他の実施形態の一部と、別の特徴及び実施形態ではその特定の特徴についての言及がなされていないとしても、組み合せることができると考えられる。

本発明の実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が組み込まれるかまたは一体化されるように構成された発光デバイスのブロック図である 本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料を有するように構成された発光ダイオードの簡単な略図である 本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料を有するように構成されたＬＥＤデバイスを示す 本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が組み込まれている下層基板またはプラットフォームに搭載されたＬＥＤデバイスを示す 本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が設けられている基板またはその他の多素子プラットフォームに１つまたはそれより多くのＬＥＤデバイスが搭載されている別の実施形態を示す 本発明の一実施形態にしたがって構成されたＯＬＥＤデバイス６１０を示す 本発明の一実施形態にしたがう、ＶＳＤ材料が組み込まれている発光デバイスを形成するための手法を示す 本発明の１つまたはそれより多くの実施形態にしたがう、ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスの一工程を示す ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスの、図８Ａの工程に続く、一工程を示す ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスの、図８Ｂの工程に続く、一工程を示す ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスの、図８Ｃの工程に続く、一工程を示す ＬＥＤデバイスを形成するためのプロセスの、図８Ｄの工程に続く、一工程を示す

符号の説明

１００ デバイス
１１０ 発光コンポーネント
１１２ 入力端子
１１４ 出力端子
１１６，１１８ リード
１２２，２２０，４２０，５１０ 基板
１２４ ケース
２１０，３１０，４１０，５１４ ＬＥＤデバイス
４１５，５２０，６２０，８１２ ＶＳＤ材料
６１０ ＯＬＥＤデバイス

Claims (20)

1. 発光デバイスにおいて、
   少なくとも第１の端子と第２の端子の間に電流を流すことによって発光するコンポーネント、及び
   材料であって、（ｉ）前記材料の特性電圧レベルをこえる電圧がない状態では誘電性であり、（ii）前記特性電圧レベルをこえる前記電圧の印加によって導電性になる特性を有する、電圧感応状態遷移誘電体（ＶＳＤ）材料、
   を有し、
   前記ＶＳＤ材料が、発光する前記コンポーネントに対して、前記ＶＳＤ材料の前記特性電圧レベルをこえるいかなる過渡電圧に対しても前記コンポーネントに接地を与えるように、配置されることを特徴とするデバイス。
2. 前記コンポーネントがダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記コンポーネントが半導体材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記コンポーネントが前記第１の端子から延びる第１のリード及び前記第２の端子から延びる第２のリードを有し、前記ＶＳＤ材料が前記第１のリードと前記第２のリードの間に前記第１のリード及び前記第２のリードと接して配置されることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記コンポーネントが基板上に設けられ、前記ＶＳＤ材料が前記基板によって与えられることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
6. 前記コンポーネントが有機ポリマーで形成されることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
7. 前記ＶＳＤ材料が、（ｉ）前記半導体材料、（ii）前記コンポーネントの前記第１の端子、（iii）前記コンポーネントの前記第２の端子、（iｖ）前記第１の端子の第１のリードまたは（ｖ）前記第２の端子の第２のリードの内のいずれか１つまたはそれより多くの下になるように、前記基板上に設けられることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
8. 前記ＶＳＤ材料が、（ｉ）前記半導体材料で形成された前記コンポーネント、（ii）前記コンポーネントの前記第１の端子、（iii）前記コンポーネントの前記第２の端子、（iｖ）前記第１の端子の第１のリードまたは（ｖ）前記第２の端子の第２のリードの内のいずれか１つまたはそれより多くの下になるように、基板上に設けられることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
9. 前記デバイスが前記コンポーネントに印加されると前記デバイスを故障させる最小電圧値に対応する特性破壊電圧を有し、前記ＶＳＤ材料の前記特性電圧レベルが前記特性破壊電圧より低いことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
10. 発光デバイスにおいて、
    電流が印加されると発光するように構成された半導体コンポーネント、及び
    前記半導体コンポーネントに結合された電圧感応状態遷移誘電体（ＶＳＤ）材料であって、（ｉ）前記ＶＳＤ材料の特性電圧レベルをこえる電圧がない状態では誘電性であり、（ii）前記特性電圧レベルをこえる前記電圧の印加によって導電性になる特性を有するように配置されるＶＳＤ材料、
    を有し、
    前記ＶＳＤ材料が導電性である間は電流を前記半導体コンポーネントから逸らして流すように、前記ＶＳＤ材料が配置されることを特徴とするデバイス。
11. 前記半導体コンポーネントがダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記デバイスが、前記コンポーネントに印加されると前記デバイスを故障させる最小電圧値に対応する特性破壊電圧を有し、前記ＶＳＤ材料の前記特性電圧レベルが前記特性破壊電圧より低いことを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記半導体コンポーネントが搭載されている基板上に前記ＶＳＤ材料が設けられることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
14. 前記ＶＳＤ材料が前記半導体コンポーネントを前記基板に接合するために用いられることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記半導体コンポーネントが第１の端子及び第２の端子を有し、前記ＶＳＤ材料が前記第１の端子及び前記第２の端子のいずれかに、またはいずれとも、電気的に接していることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
16. 前記ＶＳＤ材料が前記第１の端子から延びる第１のリードと前記第２の端子から延びるリードの間にまたがり、前記第１のリード及び前記第２のリードに接することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記デバイスがケースをさらに有し、前記ＶＳＤ材料が前記ケースによって、または前記ケースの一部として、与えられることを特徴とする請求項１０に記載のデバイス。
18. 発光デバイスにおいて、
    有機発光層を含む複数の層を有する積層構造体、及び
    前記積層構造体に結合された電圧感応状態遷移誘電体（ＶＳＤ）材料であって、（ｉ）前記ＶＳＤ材料の特性電圧レベルをこえる電圧がない状態では誘電性であり、（ii）前記特性電圧レベルをこえる前記電圧の印加によって導電性になる特性を有するように配置されるＶＳＤ材料、
    を有し、
    前記ＶＳＤ材料が導電性である間は、電流を前記積層構造体から逸らして流すように前記ＶＳＤ材料が配置されることを特徴とするデバイス。
19. 前記積層構造体が、それらの間に電位差が与えられるアノード端子及びカソード端子を有し、前記ＶＳＤ材料が前記端子の内の１つと、またはいずれとも、接して設けられることを特徴とする請求項１８に記載のデバイス。
20. 前記カソード端子がドライバ上に設けられ、前記ＶＳＤ材料が前記ドライバの下にあって、導電性になったときに、電流を前記積層構造体から逸らして流すことを特徴とする請求項１９に記載のデバイス。

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