JP2015531995A - 発光ダイオード装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリは、光透過性材料で作られたサブマウントの第１表面に取り付けられるＬＥＤ半導体を含み得る。サブマウントは、ＬＥＤ半導体光によって放出される裏側光の方向を、ＬＥＤ半導体を避けるように変更し、裏側光の回収を増加させることができる。サブマウントは外部のバルク反射要素とともに用いられてよい。サブマウント自体が、第１表面と反対側の第２表面において反射コーティングを含み、反射基板上に実装されてもよい。サブマウントは、第１表面又は第２表面を形成する蛍光体を含み得る。第１表面又は第２表面はテクスチャ加工表面であってよい。ＬＥＤ半導体のアレイがサブマウントに実装されてよい。ＬＥＤ半導体のアレイは、ＬＥＤアセンブリの総光出力を最適化する配列でサブマウント上に配置されてよい。

Description

本開示は発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）に関し、より詳細には、ＬＥＤ装置用のパッケージに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、さまざまな他の産業用及び民生用の照明用途における光学ディスプレイインジケータとしてよく用いられている。近年、高出力ＬＥＤが種々の用途において使用されることが多くなっている。通常、高出力ＬＥＤは、基板に実装されたＬＥＤ半導体を含むパッケージ又は他のアセンブリの一部として提供されている。ＬＥＤ半導体の裏側から放出された光は、装置パッケージによって方向を変更され、後方反射して出力光パワーに寄与しない限り、失われてしまう場合がある。光はパッケージ内の界面において起こる内部反射、及びＬＥＤ半導体による吸収のせいで一部失われる場合もある。
１つの態様では、開示されているＬＥＤアセンブリ組み立て方法は、サブマウントの第１表面にＬＥＤ半導体を取り付けることを含む。ＬＥＤ半導体は、光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成するｐ形半導体及びｎ形半導体を含んでよい。サブマウントは光透過性材料を含んでよい。第１表面にＬＥＤ半導体を取り付けることは、活性領域において生成する光に、第１表面におけるサブマウントへの光路を提供することを含んでよい。
別の態様では、開示されているＬＥＤアセンブリは、ＬＥＤ半導体と、コンタクト層と、サブマウントとを含む。ＬＥＤ半導体は、光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成するｐ形半導体及びｎ形半導体、並びにｐ形半導体及びｎ形半導体のうちの一方と接触するコンタクト層を含んでよい。コンタクト層はｐ形半導体及びｎ形半導体のうちの一方と接触していてよく、透明な低抵抗材料を含んでよい。サブマウントは第１表面においてＬＥＤ半導体に取り付けられてよく、光透過性材料を含んでよい。サブマウントの厚さは、熱抵抗パラメータに適合するように選択されてよい。活性領域において生成された光は、第１表面におけるサブマウントへの光路を辿る。
更に別の態様では、開示されているＬＥＤ照明モジュールはＬＥＤアセンブリとバルク反射器とを含む。ＬＥＤアセンブリは、第１ＬＥＤ半導体を含む、ＬＥＤ半導体のアレイを含んでよい。第１ＬＥＤ半導体は、光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成するｐ形半導体及びｎ形半導体を含んでよい。ＬＥＤアセンブリは、第１表面においてＬＥＤ半導体のアレイを支持するサブマウントを含んでもよい。サブマウントは光透過性材料を含んでよい。ＬＥＤ半導体のアレイは、サブマウントに関するＬＥＤ半導体のアレイ内のＬＥＤ半導体の各々の内縁部に隣接する第１表面の規定の露出表面面積を維持することによってＬＥＤアセンブリの総光出力を最大化するように第１表面上に配置されてよい。活性領域において生成された光は、第１表面におけるサブマウントへの光路を辿る。
以下の記載では、開示されている主題の説明を容易にするために、例を用いて詳細が説明される。しかし、開示されている実施形態は例示的なものであり、あり得る実施形態を全て網羅するものではないことは当業者には明らかであろう。
従来技術のＬＥＤアセンブリの一実施形態の選択要素である。 ＬＥＤアセンブリの一実施形態の選択要素である。 ＬＥＤアレイの一実施形態の選択要素である。 ＬＥＤアレイレイアウトの一実施形態の選択要素のブロック図である。 ＬＥＤ照明モジュールの一実施形態の選択要素のブロック図である。 ＬＥＤ照明モジュールの実施形態のイメージである。 ＬＥＤアセンブリの組み立て方法の一実施形態の選択要素である。 ＬＥＤアセンブリの一実施形態の選択要素である。
ＬＥＤは、半導体材料であって、材料内を比較的自由に移動することができる電気的に移動可能な電子及び／又は正孔を半導体に添加する不純物を外部からドープされた半導体材料を含む。不純物の種類に応じて、外部からドープされた半導体の領域はｎ形又はｐ形半導体領域のいずれかになることができる。ＬＥＤ半導体（「ＬＥＤ装置」、「ダイ」、「チップ」、又は「装置」とも呼ばれる）では、半導体は、ｐ形領域と接触するか又はそれに近接したｎ形領域と、ｐ形領域とを含む。２つの領域の間の接合部における逆方向電界によって、電子と正孔は接合部から遠ざかる方向に移動し、本明細書において「活性領域」と呼ばれる空乏領域を形成する。逆方向電界に打ち勝つのに十分な順方向電圧がｐ−ｎ接合間に印加されると、電子と正孔は活性領域内へ強制移動され、結合する。電子が正孔と結合すると、光子の形のエネルギーが放出される。半導体のバンドギャップが特定の範囲内にあれば、放出されるエネルギーはスペクトルの可視部分（すなわち、光）の範囲内になる。
「外部量子効率」として知られる、ＬＥＤが電気を光に変換する効率は、内部量子効率、光取り出し効率、及び電気抵抗による損失の積によって決まり得る。「内部量子効率」は、ＬＥＤ装置の構築に用いられる半導体層の質及び半導体材料のエネルギーバンド構造によって決まり得る。「光取り出し効率」は、活性領域内で生成される光に対する、ＬＥＤ装置を出ていく光の比として定義される。光取り出し効率は、ＬＥＤ装置の幾何形状、半導体層内における光の自己吸収、電気的コンタクトによる光吸収、及び／又はパッケージ内に装置を実装するために用いられるＬＥＤ装置と接触した材料による光吸収によって決まり得る。半導体層は比較的高い屈折率を有し、その結果、活性領域内で生成される光は、脱出するまでに何度もダイの表面によって内部反射され得る。
ＬＥＤ装置が通電されると、活性層からあらゆる方向に光が発し、ＬＥＤ装置表面にさまざまな角度で衝突する。典型的な半導体材料は、周囲空気（ｎ＝１．０）又は封入エポキシ（ｎ?１．５）と比べて高い屈折率を有する。スネルの法則によれば、屈折率、ｎ１、を有する材料から、より低い屈折率、ｎ２、を有する材料へ、面法線方向に対して或る臨界角θｃよりも小さい角度で進む光は、より屈折率の低い領域へ通過することになる。ここで、
θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ１／ｎ２） 式（１）
θｃよりも大きい角度で半導体表面に到達する光は内部全反射を経験することになる。この光はＬＥＤ装置内へ後方反射され、そこで、光は装置の半導体及び／又は金属層内に吸収され得る。従来のＬＥＤでは、構造内で生成される大部分の光は、半導体装置から脱出するまでに少なくとも一度、内部全反射を受ける可能性がある。
図面では、ＬＥＤ装置及びＬＥＤアセンブリの一部の要素が材料層として示されており、固体ＬＥＤアセンブリがどのように構築され得るのかを示している。説明を簡潔にし、理解を容易にするために、コンタクト層、リード線、ヒートシンクなど等の、実際のＬＥＤアセンブリ内の一部の要素は図から省略されている場合がある。図中に示されているいくつかの層は便宜的に、単純化した矩形の形として断面で示すことができる。一方、物理的装置内の実際のレイアウト及び／又は層の形は、形状、サイズ、厚さ等が異なっている場合がある。以下の図に示されている要素は必ずしも原寸に比例して描かれてはおらず、動作可能な装置構成を大まかに表している。図には特定の配向及び装置極性が示されているが、本開示の本発明の態様は、図に示されていない実施形態を含むさまざまな種類のＬＥＤ装置及びＬＥＤアセンブリとともに実施されてよいことにも留意されたい。特に、本明細書において開示されているＬＥＤ装置及びＬＥＤアセンブリは、種々の実装配向、並びにフリップチップ、ダイ接着、表面実装、ワイヤボンディング、及びそれらの組み合わせ等の実装技法を用いて実装されてよい。
次に図１を参照すると、従来技術のＬＥＤアセンブリ１００の実施形態の選択要素が示されている。図示のように、ＬＥＤアセンブリ１００は、反射性マウント１２０が実装されているＬＥＤ半導体１１０と、高反射性金属コーティング１０４及び支持層１０２を含む基板１０１と、を含む。支持層１０２はＬＥＤアセンブリ１００の支持構造を表すことができる。特定の実施形態では、基板１０１は熱的かつ／又は電気的に伝導性であってよく、ＬＥＤ半導体１１０によって生成される熱を放散する役目を果たしてよい。
ＬＥＤ半導体１１０は、ｎ形半導体１１８に隣接するｐ形半導体１１４を含み、更に、それらの間に活性領域１１６が形成される。種々の実施形態では、ｐ形半導体１１４及び／又はｎ形半導体１１８はＧａＮベースのエピタキシャル層であり得る。活性領域１１６は、ＬＥＤアセンブリ１００の動作の間に光子が最初に生成されるエリアを表してもよい。活性領域１１６はＬＥＤ半導体１１０内の中心部に埋め込まれているので、放出された光は、有用となって総光出力に寄与するには、ＬＥＤ半導体１１０を脱出しなければならない。これに応じて、上側光１３０は、活性領域１１６内で生成される光であって、上側（すなわち、露出した）表面においてＬＥＤ半導体１１０を脱出する光を表すことができる。光は物理的には側面等の他の露出表面においてＬＥＤ半導体１１０から脱出することができることに留意されたい（不図示）。しかし、本開示のためには、上側光１３０が、ＬＥＤ半導体１１０の露出表面において出てくる光を表してもよい。図１に示されるように、ＬＥＤ半導体１１０は、ＬＥＤ半導体１１０の裏面（又は底面）に対する電気接触を可能とするための、半導体でなくてもよい透明低オーミックコンタクト層１１２を含むように示されている。説明を簡潔にするために、図１からは種々の他のコンタクト要素が省略されている。透明低オーミックコンタクト層１１２の配置及び配列は実施形態によって異なってよいことに留意されたい。
図１では、反射性マウント１２０はＬＥＤ半導体１１０の裏面（又は底面）上の反射性要素として設けられており、例えばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：indium tin oxide）等の、透明導電材料の層を表し得る低オーミックコンタクト１１２に隣接して示されている。反射性マウント１２０は、誘電体１２４のそばに並んだ分布型ブラッグ反射器（Distributed Bragg Reflector）、ＤＢＲ層１２２を含むように示されている。したがって、反射性マウント１２０は、光が脱出してＬＥＤアセンブリ１００による総光出力に寄与することを可能にするべく、裏側光１４０を反射することができる。反射性マウント１２０がなければ、裏側光１４０はほとんど又は全て回収されないまま残り、かつ／又は失われる可能性があり、これは、ＬＥＤアセンブリ１００の全効率を低下させる場合がある。しかし、反射性マウント１２０と相互作用した裏側光１４０のさまざまな経路は、ＬＥＤ半導体１１０の中を後方に案内する可能性があり、これも、ＬＥＤアセンブリ１００を脱出し、総光出力に寄与する光の量を低下させる場合がある。例えば、ＬＥＤ半導体１１０は、活性領域１１６内で生成される光に対する吸収性が高い場合がある。更に、裏側光１４０の一部の経路は、ＬＥＤ半導体１１０内における内部反射及び／又は内部全反射に導き得る。ＬＥＤ半導体１１０の中を戻る裏側光１４０が採る反射経路の結果、裏側光１４０の一部は回収されないまま残る場合があり、総光出力に寄与しない場合がある。それ故、ＬＥＤ半導体１１０を通る裏側光１４０の方向を反射性マウント１２０によって変更しても、回収されないまま残り、総光出力効率に寄与しない裏側光１４０の損失がなおいくらか伴う場合がある。加えて、反射性マウント１２０は、種々の相対的及び／又は絶対的因子の中でも、コストの高さ、製造時間の長さ、製造資源の大量使用、信頼性の低さ、精度の乏しさ、及び性能特性の大きなばらつきの等の他の不利点も伴う可能性がある。
次に図２を参照すると、ＬＥＤアセンブリ２００の実施形態の選択要素のブロック図が示されている。図２に示されるように、ＬＥＤアセンブリ２００は、ＬＥＤ半導体２１０と、裏側サブマウント２０１と、反射コーティング２０４とを含む。ＬＥＤ半導体２１０は、ｎ形半導体１１８、活性領域１１６、ｐ形半導体１１４、及び低オーミックコンタクト１１２を含む。図示のように、ＬＥＤ半導体２１０はＬＥＤ半導体１１０（図１参照）とほぼ同様であり得る。コスト及び性能の一定の改善を達成するために、ＬＥＤアセンブリ２００は反射性マウントを含むのではなく、代わりに、これより更に詳細に説明されるように、ＬＥＤ半導体２１０が実装される独自の裏側サブマウント２０１（本明細書においては単に「サブマウント」とも呼ばれる）を組み込む。
実施形態によっては、裏側サブマウント２０１は、高い屈折率を望ましくは有する光透過性材料の層として実装される。裏側サブマウント２０１が製作され得る材料の例としては、サファイア、ダイヤモンド、シリカ、ガラス及び／又はそれらの種々の合成物が挙げられる。図示のように、裏側サブマウント２０１は、低損失接着剤２０６を用いて、裏側サブマウント２０１の第１表面２０２においてＬＥＤ半導体２１０に取り付けることができる。低損失接着剤２０６は、裏側光２４０の良好な透過（すなわち、低い吸収損失）を呈する材料であってよく、裏側サブマウント２０１の第１表面２０２へのＬＥＤ半導体２１０の機械的接合を可能にする。１つの実施形態では、低損失接着剤２０６はシリコーン接着剤である。一部の実施形態では、低損失接着剤２０６は、熱伝導率等の熱的特性に一部基づいて選択されてよい。
図２に示されるように、裏側サブマウント２０１は厚さ２０８を有する。厚さ２０８は、ＬＥＤアセンブリ２００の材料及び特定の構成に応じて、種々の因子に基づいて選択されてよい。例えば、厚さ２０８を増加させると、ＬＥＤ半導体２１０を避けるように裏側光２４０を案内する光学効率の向上をもたらすことができる。高い屈折率を有する一部の光透過性材料の場合のように、裏側サブマウント２０１が、中程度の熱伝導率を有する材料から作られている場合には、厚さ２０８が規定の閾値を超えると、ＬＥＤ半導体２１０から遠ざかる方向の熱伝導が不十分になる場合があり、ＬＥＤアセンブリ２００の動作温度が推奨又は規定限度を超える原因となる可能性がある。一部の例では、例えば特定の設計用の工業規格等の熱抵抗パラメータに適合するように、サブマウントの最大厚さが選択される。所与の実施形態では、ＬＥＤ半導体２１０が約１５０μｍの厚さである場合には、厚さ２０８は約２００μｍ以上となってよく、約２００〜６００μｍの範囲内となってよい。
ＬＥＤアセンブリ２００の種類によっては、裏側サブマウント２０１は第２表面２０３上に反射コーティング２０４を含んでよい。反射コーティング２０４は、金又は銀あるいは別の金属合金を含む、高反射性の金属コーティングであってよい。一部の実施形態では、反射コーティング２０４は省略されてよいことに留意されたい。第１表面２０２及び第２表面２０３並びに側面を含む裏側サブマウント２０１の表面は、裏側光２４０の損失を低減するために、滑らかな平坦面及び／又は研磨面であってよい。例えば、裏側サブマウント２０１の第１表面２０２及び／又は他の表面は、およそ３ｎｍ未満の二乗平均粗さを有するように制御可能に形成されてよい。一部の実施形態では、ＬＥＤ半導体２１０を避けて反射されるように裏側光２４０に追加の経路を提供するために、第２表面２０３は、規則的及び／又は不規則に隆起のある表面等の、テクスチャ加工表面（図２では示さず）であってよい（図３も参照）。
ＬＥＤアセンブリ２００の動作時、ＬＥＤ半導体２１０が順方向にバイアスされると、活性領域１１６は光源になる。１つの例では、ＬＥＤ半導体２１０がＧａＮベースの半導体を用いて形成される場合には、半導体材料のバンドギャップに対応する約４５０ｎｍの波長を有する青色光が活性領域１１６において放出され得る。上側光２３０は、露出表面においてＬＥＤ半導体２１０を脱出し、総光出力に寄与することができる。図示のように、裏側光２４０は、低オーミックコンタクト層１１２を通り抜け、裏側サブマウント２０１に入り、反射コーティング２０４においてＬＥＤ半導体２１０を避けるように反射することができる。このようにして、裏側光２４０は第１表面２０２において裏側サブマウント２０１への光路を提供され、裏側光２４０はそこから回収されてＬＥＤアセンブリ２００の総光出力に寄与することができる。第１表面２０２において、裏側サブマウント２０１の、ＬＥＤ半導体２１０に隣接する露出エリアの量も、回収される裏側光２４０の量に寄与することができる。ＬＥＤ半導体２１０の各縁部に隣接する第１表面２０２における裏側サブマウント２０１の露出エリアの最適値は、ＬＥＤ半導体２１０の面積及び／又は幅ぐらいであってよいことに留意されたい（図４Ａも参照）。単一のＬＥＤ半導体２１０を有するＬＥＤアセンブリでは、裏側サブマウント３０１に対してＬＥＤ半導体２１０を同心状に配置すると、回収光の最適化の点で有利になり得ることにも留意されたい。したがって、裏側サブマウント２０１を用いるＬＥＤアセンブリ２００の実施形態が、放出された光を、ＬＥＤ半導体２１０を直接避けるように案内し、半導体層及び／又は他の要素内における再吸収を防ぐことによって、同等の条件下における従来技術のＬＥＤアセンブリ１００と比べて、総光出力を増加させること（すなわち、光損失を低減すること）が確認された。
次に図３を参照すると、ＬＥＤアセンブリ３００の実施形態の選択要素のブロック図が示されている。図３に示されるように、ＬＥＤアセンブリ３００は、裏側サブマウント３０１上に実装された４つのＬＥＤ半導体３１０−１、３１０−２、３１０−３、３１０−４を有するアレイ３１２を含む。図３に示されているＬＥＤ半導体３１０は、例としてＬＥＤ半導体２１０及び８１０（図２及び８参照）を含む、アレイ３１２の形成に用いられ得るさまざまな種類のＬＥＤ半導体又は半導体装置のいずれを表していてもよい。アレイ３１２の配列は、更に詳細に説明されるように、回収される光の量を最適化するように選択されてよい。ＬＥＤアセンブリ３００は、第１表面３０６を形成する裏側サブマウント３０１の最上層として、蛍光体３０２も用いる。裏側サブマウント３０１は、蛍光体３０２が上に配置される光透過性材料３１０も含む。ＬＥＤアセンブリ３００とともに同様に示されているのは、裏側サブマウント３０１の第１表面３０６の反対側にある第２表面３０８において形成されるテクスチャ加工反射コーティング３０４−１である。テクスチャ加工反射コーティング３０４−１のイメージ例３０４−２が、反射コーティングと組み合わせて、所望の粗さ特性を提供することができる、規則的な隆起アレイを示している。種々の実施形態では、テクスチャ加工コーティング（すなわち、表面粗さ）は、反射コーティングにかかわらず第２表面３０８又は第１表面３０６のいずれかに施されてよいことに留意されたい。裏側サブマウント３０１は、反射性であってよい第２表面３０８において基板１０１（図１参照）に実装されるものとして示されている。
図３において、４つのＬＥＤ半導体３１０−１、３１０−２、３１０−３、３１０−４のアレイ３１２は、ＬＥＤ半導体３１０の間の交差反射及び交差吸収を低減するように設計された配列で第１表面３０６上に実装されてよい。配列は、変化し得る、アレイ３１２内のＬＥＤ半導体３１０の数によって決まり得る。第１表面３０６において、例えば、ＬＥＤ半導体３１０−２の（裏側サブマウント３０１に関する）外縁部において放出される裏側光３４０−１は、脱出し、隣接するＬＥＤ半導体３１０−１及び３１０−３への後方反射を回避する可能性がより高くなり得る。同様に、裏側光３４０−２は、裏側サブマウント３０１の縁部における、基板１０１へ直接向かう光経路を辿ってよい。光はそこからも脱出し、ＬＥＤアセンブリ３００の総光出力に寄与し得る。したがって、以下のものに限定されるわけではないが、ヒートシンク、コネクタ、ワイヤ等を含むＬＥＤアセンブリ３００の他の構成要素（不図示）の設置及び／又は取り付けを可能にすること等の、いくつかの制約の範囲内で、ＬＥＤ半導体３１０は第１表面３０６の縁部又はその近傍に配置されてよい。ＬＥＤ半導体３１０の（裏側サブマウント３０１に関する）内縁部間では、第１表面３０６の露出エリアが、例えばテクスチャ加工反射コーティング３０４によって、隣接するＬＥＤ半導体３１０へ後方反射される（不図示）代わりに、脱出する機会を裏側光３４０に提供する。一部の実施形態では、ＬＥＤ半導体３１０のアレイ３１２の配列は、アレイ３１２内の個々のＬＥＤ半導体３１０の内縁部に隣接する第１表面３０６の露出エリアを最大化するように選択されてよい（図４Ａも参照）。
図３に示されるように、蛍光体３０２は裏側サブマウント３０１の第１表面３０６を形成する。すなわち、蛍光体３０２は、ともに裏側サブマウント３０１を形成する光透過性材料３１０の上方の材料層として施されてよい。一部の実施形態では、蛍光体３０２自体が接着剤の役割を果たし、かつ／又はＬＥＤ半導体３１０を取り付ける役割を果たしてよい。先に述べたように、ＬＥＤ半導体３１０は、バンドギャップが活性領域における青色光の放出を可能にし得るＧａＮベースの半導体を用いて形成されてよい（図２も参照）。図３において、上側光３３０は、ＬＥＤ半導体３１０によって直接放出される青色光を表してよい。ＬＥＤ半導体３１０のすぐそばに接触して配置され、かつ／又はそれに直接隣接している結果、蛍光体３０２は青色の裏側光（視界からは隠れている）を、別の色である裏側光３４０に変換してよい。図３に示される例では、蛍光体３０２は、ＬＥＤ半導体３１０から放出される青色の裏側光を吸収し、黄色である裏側光３４０放出する、青色−黄色蛍光体を表している。青色光と黄色光が組み合わされ、一部の照明用途に望ましい場合がある、より白い光を作り出してよいことに留意されたい。それ故、蛍光体３０２の使用により、蛍光体３０２がない場合よりも白く見える光をＬＥＤアセンブリ３００が出力することが可能となってよい。
図３に示されるように、裏側サブマウント３０１とともに蛍光体３０２を含めると、総光出力の増加、及び青色光から白色光への変換効率の増大など数多くの利点が提供され得る。蛍光体３０２を裏側サブマウント３０１とともに用いることで得られる１つの恩恵は、青色光が蛍光体に到達するのにもっと遠回りの経路が提供され得る他の配列（不図示）と比べて、裏側青色光（視界からは隠れている）がＬＥＤ半導体３１０から蛍光体３０２に到達し、黄色光に変換される経路が短いことによってもたらされ得る。ＬＥＤアセンブリ４００では、ＬＥＤ半導体３１０による最初の放出からの光経路において、蛍光体３０２へ入射する裏側青色光の強度が比較的高い早期に裏側光３４０（黄色）が形成されるため、他の配列（不図示）を用いるよりも蛍光体３０２の変換効率が大きくなり得る。同様に、青色光から黄色光への早期の変換は、他の配列（不図示）と比べて、ＬＥＤアセンブリ３００において、より高い割合の黄色光がいつでも存在するという結果をもたらしてよく、これも有利な点となり得る。特に、ＬＥＤアセンブリ３００の種々の構成要素、とりわけ、ＬＥＤ半導体３１０、金配線等で用いられる材料の吸収性は、青色光に対するよりも黄色光に対する方が低くてよいため、失われる光が全体として少なくなってよく、総光出力が増加され得る。その結果、ＬＥＤアセンブリ３００は、裏側サブマウント３０１を使用しない同等の従来技術の設計を用いる場合よりも全体として向上した総光出力を呈することができる。図３では、蛍光体３０２は第１表面３０６を形成するように示されているが、裏側サブマウント３０１との蛍光体３０２の他の構成が実施されてもよいことに留意されたい。１つの例示的な実施形態では、蛍光体３０２が、例えば、バルク反射性要素（図５参照）と併用される場合には、第２表面３０８を形成してよい。
次に図４Ａを参照すると、アレイレイアウト４００の一実施形態の選択要素の平面図が示されている。アレイレイアウト４００はサブマウント表面４０２において２つのＬＥＤ半導体４１０−１、４１０−２の配列を含む。図４Ａの平面図において、サブマウント表面４０２は第１表面２０２、３０６の一実施形態を表し得る（図２〜３参照）。図４Ａに同様に示されているのは、ＬＥＤ半導体４１０−１、４１０−２の内縁部に隣接する露出エリア４２０−１、４２０−２である。図４Ａに示されている要素は正方形として示されているが、本明細書において記載されているレイアウト方法は異なる形状に適用されてもよいことは理解されよう。
図示されているアレイレイアウト４００では、ＬＥＤ半導体４１０−１、４１０−２は、上述した縁部の制約の範囲内で、サブマウント表面４０２の隅縁部に配置される。
複数のＬＥＤ半導体（すなわち、アレイ）が裏側サブマウントとともに用いられる場合には、サブマウントの、ＬＥＤ半導体によって覆われていない露出エリアの量及び配列が総光出力に影響を与える可能性がある。サブマウント上の利用可能な露出エリアの量は、因子の中でもとりわけ、サブマウントの全体的サイズ、並びにＬＥＤ半導体のサイズ及び数によって決まる。第１ＬＥＤ半導体から放出され、第２の隣接するＬＥＤ半導体へ後方反射されない裏側光の量は、二者の間の露出エリアが十分大きい場合に増加する可能性がある。裏側光がアレイ内の隣接ＬＥＤ半導体へ後方反射されると、反射された裏側光は吸収されて、回収されないままとなり得る。
図４Ａに示されるように、露出エリア４２０−１はＬＥＤ半導体４１０−１、４１０−２の両方の内縁部に隣接する。同じことが露出エリア４２０−２にも言える。同様に、露出エリア４２０は、ＬＥＤ半導体４１０の幅と少なくとも同じ大きさである幅を有する。サブマウント表面４０２の、個々のＬＥＤ半導体４１０の内縁部に隣接する露出エリア４２０は、サブマウント表面４０２の境界内で最大化されているので、この特定のアレイレイアウト４００は最適な総光出力を提供することができる。換言すれば、アレイレイアウト４００は、ＬＥＤ半導体４１０−１、４１０−２によって放出される裏側光の交差反射（及び故に交差吸収）を最小限に抑える独自の構成を表すことができる。
次に図４Ｂを参照すると、アレイレイアウト４０１の一実施形態の選択要素の平面図が示されている。アレイレイアウト４０１は、サブマウント表面４０２における６つのＬＥＤ半導体４１０−３、４１０−４、４１０−５、４１０−６、４１０−７、４１０−８の配列を示している。図４Ｂの平面図において、サブマウント表面４０２は第１表面２０２、３０６の一実施形態を表してよい（図２〜３参照）。アレイレイアウト４０１に示されているように、ＬＥＤ半導体４１０−３、４１０−４、４１０−５、４１０−６、４１０−７、４１０−８は、上述した縁部制約及びサブマウント表面４０２の境界の範囲内で、それぞれ及び／又は全ての個々のＬＥＤ半導体４１０の内縁部に隣接するサブマウント表面４０２の露出エリア（図４Ｂには示されず、図４Ａ参照）を最大化するように、サブマウント表面４０２の縁部に配置される。したがって、アレイレイアウト４０１は、本明細書において説明されているように、裏側サブマウントと併せて総光出力を最適化する構成を表すことができる。
次に図５に進むと、ＬＥＤ照明モジュール５００の一実施形態の選択要素のブロック図が示されている。図示のように、ＬＥＤ照明モジュール５００は、第１表面５０４においてサブマウント５０１に取り付けられるＬＥＤ半導体５１０を含む。図５に示されているＬＥＤ半導体５１０は、例として、ＬＥＤ半導体２１０及び８１０（図２及び８参照）を含む、さまざまな種類のＬＥＤ半導体又は半導体装置のいずれを表していてもよい。加えて、ＬＥＤ照明モジュール５００は、バルク反射器５２０を有し、サブマウント５０１の第２表面５０６において反射コーティングを有しない実装構成で示されている。図示のように、第１表面５０４及び第２表面５０６は、サブマウント５０１を形成するために用いられる光透過性材料の滑らかな表面であり、非常に粗さの低い特性を有する高度に研磨された表面であってよい。他の実施形態（不図示）では、第１表面５０４又は第２表面５０６はテクスチャ加工表面であってよい（図８も参照）。バルク反射器５２０は、ＬＥＤ照明モジュール５００によって提供される光から所望の出力光ビームを生成するための放物線状要素を表すことができる。それ故、ＬＥＤ照明モジュール５００では、裏側光（不図示）は第２表面５０６から出てきて、バルク反射器５２０によって外へ反射される。種々の実施形態では、ＬＥＤ照明モジュール５００は、本明細書において記載されている他の要素を組み込んでよい。例えば、ＬＥＤ半導体５１０によって生成される光とは色が異なる光を生成するために、サブマウント５０１は第１表面５０４における又は第２表面５０６における蛍光体（図５には示されず）とともに用いられてよい（図３及び８も参照）。
次に図６を参照すると、ＬＥＤ照明モジュール６００の一実施形態の選択要素のイメージが提供されている。ＬＥＤ照明モジュール６００は、さまざま又は種類の、異なるＬＥＤ照明モジュールを表していてよく、ＬＥＤアセンブリ６１０及びバルク反射器６１２の実装例を表している。ＬＥＤアセンブリ６１０は、単独のＬＥＤ半導体、又はＬＥＤ半導体のアレイを含んでよい、ＬＥＤアセンブリ２００、３００、及び／又は８００の一実施形態を表していてよい（図２、３、及び８参照）。１つの実施形態では、バルク反射器６１２がＬＥＤアセンブリ６１０の背後に延在して凹状構造を形成せず、なお、少なくともある程度、開放しているかつ／又は中空であってよい場合には、ＬＥＤアセンブリ６１０は、反射コーティング２０４及び／又は基板１０１（図３参照）等の反射要素を含んでよい。別の実施形態では、ＬＥＤアセンブリ６１０は反射性要素が無くてもよく、その一方で、バルク反射器６１２がＬＥＤアセンブリ６１０の背後に（例えば、それを覆うように又は囲むように）延在し、ＬＥＤアセンブリ６１０の裏側から出てくる光を反射する凹状及び／又は放物線状反射性要素（同様に視界からは隠れている、図５参照）を形成する。種々の実施形態において、ＬＥＤ照明モジュール６００は追加の実装要素、コンタクト要素、及び制御回路（不図示）を含んでよい。
次に図７を参照すると、ＬＥＤアセンブリの組み立て方法７００の一実施形態の選択された作業が示されている。方法７００において説明されている一部の作業は任意選択的なものであってよいこと、及び作業の順序は並べ換えてもよいことに留意されたい。
方法７００は、所望のＬＥＤ半導体を製作すること（作業７０４）によって開始することができる。作業７０４と並行して、所望の面積及び厚さを有するサブマウントが製作されてよい（作業７０２）。作業７０２におけるサブマウントは蛍光体を含んでよい。一部の実施形態では、作業７０２及び／又は７０４における製作は調達作業と置き換えられてもよい。サブマウント上のＬＥＤ半導体のアレイのレイアウトが、所望の光出力を最適化するように設計されてよい（作業７０６）。作業７０６における設計作業は、反射層、バルク反射器、及び／又は蛍光体の規定を含んでよい。１つの実施形態では、ＬＥＤアセンブリの総光出力は、サブマウントの第１表面の規定の露出エリアを維持することによって最大化されるか、最適化されるか、又は別の仕方で制御されてよい。規定の露出表面エリアは、ＬＥＤ半導体間の光の交差反射を最小限に抑えるために、ＬＥＤアセンブリ内の各ＬＥＤ半導体の（サブマウントに関する）内縁部に隣接していてよい（図４Ａ参照）。一部の実施形態では、露出表面エリアは、ＬＥＤ半導体の幅に大体等しい幅を有してよい。ＬＥＤ半導体のアレイがサブマウント上に実装されてよい（作業７０８）。作業７０８は低損失接着剤の使用を含んでよい。ＬＥＤアセンブリの残りの構成要素が組み立てられてよい（作業７１０）。ＬＥＤアセンブリは、エポキシ及び／又はシリコーン等の透明ポリマーを用いて密閉されてよい。ＬＥＤアセンブリを用いて、ＬＥＤ照明モジュールが組み立てられてよい（作業７１２）。
次に図８を参照すると、ＬＥＤアセンブリ８００の一実施形態の選択要素のブロック図が示されている。図８に示されるように、ＬＥＤアセンブリ８００は、ＬＥＤ半導体８１０と、裏側サブマウント８０１と、蛍光体８０４とを含む。ＬＥＤ半導体８１０は、透明基板８０８、ｎ形半導体８１８、活性領域８１６、ｐ形半導体８１４、及び低オーミックコンタクト８１２を含む。透明基板８０８は、ｎ形半導体８１８を堆積させる（すなわち、エピタキシャルに成長させる）ための基板として用いられる非導電性光透過性材料を表していてよく、その上に他の半導体層が連続的に堆積される。
図８では、裏側サブマウント８０１は、低損失接着剤８０６を用いて、裏側サブマウント８０１の第１表面８０２においてＬＥＤ半導体８１０に取り付けられてよい。低損失接着剤８０６は低損失接着剤２０６（図２参照）と同様のものであってよい。図示のように、第１表面８０２は、裏側サブマウント８０１のテクスチャ加工部を表し得るテクスチャ加工表面８１２を含む。実施形態によっては、第１表面８０２の代わりに、第２表面８０３がテクスチャ加工部を含んでよい。同様に示されているのは、第１表面８０２の反対側にある第２表面８０３を形成する蛍光体８０４である。一部の実施形態（図８には示されず）では、第２表面８０３の代わりに第１表面８０２において蛍光体が用いられてよい。他の実施形態（不図示）では、第１表面８０２又は第２表面８０３のいずれかにおいてテクスチャ加工部及び蛍光体の両方が用いられてよい。図示のように、裏側サブマウント８０１は第２表面８０３において反射コーティングを含んでおらず、ＬＥＤアセンブリ８００を、一部のバルク反射要素（図５及び６参照）とともに使用するのに適したものにしてよいことに留意されたい。裏側サブマウント８０１が第２表面８０３において反射コーティング（不図示、図２参照）とともに用いられる場合には、ＬＥＤアセンブリ８００は支持基板及び／又は反射層に実装されてよい。
ＬＥＤ半導体８１０は、同様に動作するＬＥＤ半導体２１０（図２参照）に対する代替実施形態を示していることに留意されたい。同様に、裏側サブマウント２０１、３０１、５０１（図２、３、及び５参照）、並びに裏側サブマウント８０１はさまざまな種類のＬＥＤ半導体とともに相互交換されてよく、便宜的に例示的な実施形態の形で示されている。
法律で許される最大限まで、本開示の範囲は、添付の請求項及びそれらの均等物の許容可能な最も広い解釈によって決まるべきであり、上述の詳細な説明に記載されている特定の実施形態に制限又は限定されるものではない。
本開示は発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）に関し、より詳細には、発光ダイオード装置およびその製造方法に関する。

Claims (28)

  1. 光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成する、ｐ形半導体と、ｎ形半導体と、を含むＬＥＤ半導体を、光透過性材料を含むサブマウントの第１表面に取り付け、
    前記第１表面における前記サブマウントへの光路を、前記活性領域において生成される前記光に提供する発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリの組み立て方法。
  2. 前記ＬＥＤ半導体は、前記第１表面に実装される透明基板を含む請求項１記載の方法。
  3. 前記ＬＥＤ半導体を実装することは、前記第１ＬＥＤ半導体と前記第１表面との間に接着剤を施すことを含む請求項１記載の方法。
  4. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、前記第２表面において反射コーティングを更に有し、
    前記方法は、前記サブマウントを前記ＬＥＤアセンブリの基板に実装することを更に含む請求項１記載の方法。
  5. 前記ＬＥＤ半導体は、第１ＬＥＤ半導体を含み、
    前記方法は、前記第１表面に第２ＬＥＤ半導体を取り付けることを更に含み、
    前記第１ＬＥＤ半導体と前記第２ＬＥＤ半導体との間の間隔は、前記サブマウントに関する前記第１ＬＥＤ半導体の内縁部及び前記第２ＬＥＤ半導体の内縁部に隣接する前記サブマウントの露出エリアを最大化するように選択される請求項１記載の方法。
  6. 熱抵抗パラメータに適合する前記サブマウントの最大厚さを選択することを更に含む請求項１記載の方法。
  7. 前記光透過性材料は、サファイア、ダイヤモンド、シリカ、及びガラスから選択される請求項１記載の方法。
  8. 光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成するｐ形半導体及びｎ形半導体を含むＬＥＤ半導体と、
    前記ｐ形半導体及び前記ｎ形半導体のうちの一方と接触し、透明の低オーミック材料を含むコンタクト層と、
    第１表面において前記ＬＥＤ半導体に取り付けられ、光透過性材料を含むサブマウントと、
    を備え、
    前記サブマウントの厚さは、熱抵抗パラメータに適合するように選択され、
    前記活性領域において生成された前記光は、前記第１表面における前記サブマウントへの光路を辿る発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリ。
  9. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記第１表面及び前記第２表面のうちの少なくとも一方は、前記光透過性材料の滑らかな表面である請求項８に記載のＬＥＤアセンブリ。
  10. 前記ＬＥＤ半導体は、前記第１表面に実装される透明基板を含む請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  11. 前記ＬＥＤ半導体は、第１ＬＥＤ半導体を含み、
    前記ＬＥＤアセンブリは、前記第１表面に取り付けられる第２ＬＥＤ半導体を含み、
    前記第２ＬＥＤ半導体に対する前記第１ＬＥＤ半導体の位置は、前記サブマウントに関する前記第１ＬＥＤ半導体の内縁部及び前記第２ＬＥＤ半導体の内縁部に隣接する前記サブマウントの露出エリアを最大化するように選択される請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  12. 前記第１ＬＥＤ半導体を含む複数のＬＥＤ半導体は、前記サブマウントに関する前記複数のＬＥＤ半導体の各々の内縁部に隣接する前記第１表面の露出表面エリアを最大化するように前記第１表面上に配置される請求項１１記載のＬＥＤアセンブリ。
  13. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記ＬＥＤアセンブリは、
    前記サブマウントの前記第２表面における反射コーティングと、
    前記サブマウントの第２表面が実装される基板と、
    を含む請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  14. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方がテクスチャ加工表面である請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  15. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記サブマウントは、前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方を形成する蛍光体層を含む請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  16. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記サブマウントは、前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方を形成する蛍光体によって覆われるテクスチャ加工表面を含む請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  17. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記ＬＥＤアセンブリは、前記第２表面の上方に延在するバルク反射性要素を含み、
    前記サブマウントは、前記第２表面を形成する蛍光体層を含む請求項１６記載のＬＥＤアセンブリ。
  18. 前記光透過性材料は、サファイア、ダイヤモンド、シリカ、及びガラスから選択される請求項８記載のＬＥＤアセンブリ。
  19. ＬＥＤアセンブリと、
    バルク反射器と、
    を備え、前記ＬＥＤアセンブリは、
    光が生成される活性領域を画定するｐ−ｎ接合を形成するｐ形半導体及びｎ形半導体を含む第１ＬＥＤ半導体を含むＬＥＤ半導体のアレイと、
    第１表面においてＬＥＤ半導体の前記アレイを支持し、光透過性材料を含むサブマウントと、を含み、
    前記ＬＥＤ半導体の前記アレイは、前記サブマウントに関し、前記ＬＥＤ半導体のアレイ内の各ＬＥＤ半導体の内縁部に隣接する前記第１表面の所定の露出表面エリアを維持することによって、前記ＬＥＤアセンブリの総光出力を最大化するように前記第１表面上に配置され、
    前記活性領域において生成された前記光は、前記第１表面における前記サブマウントへの光路を辿る発光ダイオード（ＬＥＤ）照明モジュール。
  20. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記第２表面における反射コーティングと、前記第２表面が実装される基板と、
    を含む請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  21. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方がテクスチャ加工表面である請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  22. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記バルク反射器は、前記第２表面の上方に延在する請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  23. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面とを含み、
    前記サブマウントは、前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方を形成する蛍光体層を含む請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  24. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記サブマウントは、前記第１表面及び前記第２表面のうちの一方を形成する蛍光体によって覆われるテクスチャ加工表面を含む請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  25. 前記サブマウントは、前記第１表面と反対側の第２表面を含み、
    前記第１表面及び前記第２表面のうちの少なくとも一方は、前記光透過性材料の露出表面である請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  26. 前記光透過性材料は、サファイア、ダイヤモンド、シリカ、及びガラスから選択される請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  27. 前記規定の露出表面エリアは、前記第１ＬＥＤ半導体の幅に大体等しい幅を有する請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
  28. 前記ＬＥＤ半導体は、前記第１表面に実装される透明基板を含む請求項１９記載のＬＥＤ照明モジュール。
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