JP2016521463A - 基板内に散乱機構を有するｌｅｄ - Google Patents

Abstract

一実施形態において、ＬＥＤダイの透明成長基板（３８）が、例えばレーザによって形成されたボイドなどの、光散乱領域（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４２Ａ、４２Ｂ）を有するように形成される。他の一実施形態において、成長基板（３８）が除去され、光散乱領域（４２Ａ、４２Ｂ、５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ）を有するように形成された別の基板（５７）で置き換えられる。一実施形態において、ＬＥＤダイの光吸収性領域（２８）の上に光散乱領域が形成されて、これら吸収性領域上への入射光の量が低減されるとともに、基板の側面にわたって光散乱領域が形成されて導光が抑制される。置換基板（５７）は、選択された領域に反射粒子を含むように形成され得る。反射領域を含有する基板層（８２、８４）を積層することによって３Ｄ構造が形成されてもよい。基板は、透明基板、又はＬＥＤの頂面に取り付けられた蛍光体タイルとし得る。

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、ＬＥＤダイ内で光を散乱する技術に関する。

青色光を発するＧａＮ系ＬＥＤにおいて、成長基板は典型的に、透明なサファイア基板、ＳｉＣ基板、又はＧａＮ基板である。フリップチップＬＥＤでは、光は活性層によって生成されて透明基板を通って出て行く。

図１は、従来のＧａＮ系フリップチップＬＥＤダイ１０を例示している。半導体層は、Ｎ型層１２、活性層１４（量子井戸を形成する）、及びＰ型層１６を含んでいる。これらの層は、典型的にはサファイアである透明な成長基板１８の表面上に成長される。基板１８の頂部上に蛍光体層２０が堆積される。蛍光体粒子２２が、活性層１４によって放出された青色光によって活性化されて、光を波長シフトさせる。蛍光体の発色が黄色である場合、黄色光と青色光との組み合わせが白色光を作り出す。このようにして、実質的に如何なる色の光も作り出され得る。

光取り出し効率は、生成された光子のうちＬＥＤダイ１０を脱出する割合に関係する。ＬＥＤダイを設計することにおける１つの目標は、光取り出し効率を高めるよう、光吸収を最小化することである。光吸収に対する１つの寄与は、基板１８の内部に捕捉されている光線２４によって示した、基板１８による全反射（total internal reflection；ＴＩＲ）であり、基板１８が導光体（光ガイド）として機能する。材料同士の境界面における一致しない屈折率が、浅い角度においてそのような反射を生じさせる。大雑把な近似として、ＧａＮの屈折率（ｎ）は２．５−３であり、サファイアの屈折率は１．７７であり、蛍光体の屈折率は１．６−１．８であり、空気の屈折率は１である。

さらに、ＬＥＤ半導体層、底部メタルコンタクト、及びコンタクト同士間の空間は、異なる反射率を有する。図１に示した例において、露出されたＰ型層１６に接触しているＰメタルコンタクト２６は銀（Ａｇ）であり、故に、高度に反射性（＞９５％）である。Ｐ型層１６及び活性層１４をエッチング除去して、Ｎメタルコンタクト２８とＮ型層１２との間のオーミックコンタクトを可能にした領域では、例えばアルミニウムなどの、より低い反射性の金属が使用されるとともに、これらのコンタクト領域では光は生成されない。コンタクト２６と２８との間にも、光を反射しない空間が存在する。光の吸収も行う半導体機構も存在し得る。蛍光体発光は概して等方的であり、故に、例えば光線３０など、それらの光のうちの有意な割合が、ＬＥＤダイ１０の光吸収のある領域に突き当たる。別の光線３２が、基板１８の側面でＬＥＤダイ１０内に戻るように全反射されて部分的に吸収されるとして示されている。光線３３が、Ｐメタルコンタクト２６によって効率的に反射されるとして示されている。

吸収のある領域の全てが、ＬＥＤダイの光取り出し効率を低下させる。

ＬＥＤダイ内での光の吸収を低減することによって光取り出し効率を高める技術が望まれる。

一実施形態において、ＬＥＤダイの透明成長基板が、例えばレーザ又はその他の方法を用いて形成されたボイド（空隙）などの、光散乱領域を有するように形成される。他の一実施形態において、成長基板が除去され、光散乱領域を含有した別の透明基板で置き換えられる。一実施形態において、光を生成しないＬＥＤダイの光吸収性領域の一部又は全ての上に光散乱領域が形成されて、これら吸収性領域上への入射光の量が低減されるとともに、基板の側面にわたって光散乱領域が形成されて導光（光ガイディング）が抑制される。

上記基板が成長基板を置き換える場合、上記基板は、選択された領域に、例えばＴｉＯ_２粒子又は反射金属フレーク（金属片）などの反射粒子を含むように形成され得る。反射領域を含有する基板層を積層することによって３Ｄ構造が形成されてもよい。

他の一実施形態において、上記基板は、光を散乱する側壁を有するように形成された不透明な蛍光体層である。

この蛍光体層は、ＬＥＤの頂部に取り付けられるタイルとすることができ、あるいは液体バインダ内の粒子として堆積されることができ、あるいは電気泳動法によって堆積されることができ、あるいはその他の方法によって堆積され得る。

その他の実施形態も記述される。

ＬＥＤダイによって光が吸収される様々なされ方を示すＬＥＤダイの断面図である。 本発明の一実施形態に従った光散乱領域を含有する基板を組み入れたＬＥＤダイの断面図である。 図２の構造において、光線がどのようにして、ＬＥＤダイの光吸収領域及び基板の側面を避けるように向け直されるかを例示する図である。 基板内の光散乱領域の代替パターンを示すＬＥＤダイの断面図である。 散乱領域を有する基板がどのようにしてＬＥＤ半導体層に取り付けられ得るかを例示する図である。 基板がどのようにして光散乱側壁を有するように形成され得るかを例示する図である。 バットウィング状の発光パターンを作り出す中央光散乱領域を有する基板を例示する図である。 ＬＥＤ半導体層に取り付けられた、光散乱側壁を有する蛍光体タイルを例示する図である。 基板がどのようにして、所望の光散乱領域を作り出すように複数層を用いて形成され得るかを例示する図である。 同じ又は同様である要素には同じ参照符号を付している。

図２は、基板３８を除いて図１のＬＥＤダイ１０と同じとし得るＬＥＤ３６を例示している。基板３８は、ＬＥＤ半導体が上にエピタキシャル成長されている基板とすることができ、あるいは、成長基板が除去された後にＬＥＤ半導体層に取り付けられた基板とし得る。基板３８内での導光（光ガイディング）を抑制するために、基板３８は、光吸収性の領域の一部又は全てにわたって光散乱領域４０Ａ、４０Ｂ及び４０Ｃを有するとともに、側壁の一部又は全てにわたって光散乱領域４２Ａ及び４２Ｂを有するように形成されている。散乱領域４２Ａ及び４２Ｂは、側壁を周る連続的な散乱領域リングの一部とし得る。

一実施形態において、基板３８は、ＬＥＤ半導体層が上にエピタキシャル成長されているサファイア成長基板である。散乱領域４０Ａ−４０Ｃ、４２Ａ及び４２Ｂは、半導体層が成長される前又は後に、ボイドのアレイとして形成され得る。散乱領域４０Ａ−４０Ｃ、４２Ａ及び４２Ｂは、例えば多面体又は丸みのあるものなど、如何なる３Ｄ形状を有していてもよい。ボイドを作製することにはパルスレーザを用い得る。透明材料内にドット（ボイド）を用いて像を書き込む又は作り出すためのパルスレーザの使用はよく知られているが、この技術は、ＬＥＤダイ内で光を散乱させることには使用されてこなかった。

他の一実施形態において、半導体層が成長された後に、例えばレーザリフトオフによってなどで成長基板が除去され、例えばＮ型層１２に対してなど半導体層に対して、別の基板が取り付けられる。このような基板は、例えば、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、プラスチック、エポキシ、又はセラミックとし得る。基板３８はＬＥＤ半導体層に、例えばエポキシ若しくはシリコーンなどの何らかの好適な接着剤によって取り付けられ、あるいは、基板材料を直接的にＬＥＤ半導体層に融合させることによって取り付けられ得る。取り付け基板では、散乱領域４０Ａ−４０Ｃ、４２Ａ及び４２Ｂは、ボイド又は光散乱粒子として形成され得る。基板３８は、選択された領域内にボイドを形成するようにパルスレーザ処理を受け、あるいは選択された領域内に光散乱粒子を含むようにモールド成形され得る。成形する場合、大判基板ウェハ金型が用意され、基板材料が液体形態にある間に、スクリーン印刷プロセス又はその他のプロセスを用いて、選択領域内に反射粒子が注入され得る。そして、成形された基板が硬化され、成長基板が除去された後のＬＥＤウェハに取り付けられる。例えばレイヤ積層（図９に示す）又は３Ｄプリント法を用いるなど、基板３８を形成するためのその他の手法も想定される。取り付けられた基板は、そして、残りのＬＥＤ製造プロセスにおいて機械的支持を提供する。その後、ＬＥＤウェハが個片化される。

反射粒子は、例えば、ＴｉＯ_２フレーク、又はＡｇフレークなどの反射金属フレークとし得る。一実施形態において、これらのフレークは０．１−１０ミクロン幅の範囲内とし得る。これらのフレークは光を散乱することを意図しているので、フレークの反射表面はランダムな角度にあるようにし得る。ＬＥＤダイの典型的な幅は１ｍｍ程度である。

図２の例において、散乱領域４０Ａ、４０Ｂ及び４０Ｃは概して、光が生成されないところであるＬＥＤダイの非活性部分の上に形成されている。故に、散乱領域４０Ａ−４０Ｃは、上向きに放射された光を阻止しない。散乱領域４０Ａ−４０Ｃはまた、好ましくは、例えばメタルコンタクト２６と２８との間又はＮメタルコンタクト２８の上など、反射性の乏しい表面である領域の上に形成される。コンタクト２６と２８との間を通る光は、典型的に劣った反射体である下に位置するサブマウント又は印刷回路基板によって上向きに反射されなければならないことになる。好ましくは、Ｐ型層１６とのコンタクトを取るために使用される高度に反射性の銀コンタクト２６の上には、散乱領域は存在しない。

各散乱領域４０Ａ−４０Ｃの形状は、下に位置する具体的な遮られるべき領域に合わせて調整され得る。それらの形状は、矩形、円形、等々とし得る。各散乱領域４０Ａ−４０Ｃの厚さは、散乱領域４０Ａ−４０Ｃの構造に依存する。例えば、散乱領域４０Ａ−４０Ｃが反射フレークを含有し、且つ、フレークの非常に薄い層のみが、下に位置する領域に光が突き当たることを十分に阻止するために必要な場合には、薄い層のみが必要とされる。この層は１０ミクロンほどの薄さとし得るが、典型的にはおおよそ５０ミクロン厚になる。

一実施形態において、基板３８はおよそ７５−３００ミクロン厚である。故に、基板３８の底部近くの散乱領域４０Ａ−４０Ｃは、蛍光体層２０から２５−２５０ミクロン離れ得る。

図２及び一部のその他の図において、蛍光体層２０はＬＥＤダイの頂部の上のみに示されている。しかしながら、蛍光体層は、全ての実施形態において、基板３８及び半導体層の側壁をも覆っていてもよい。

図３は、活性層１４及び蛍光体粒子２２によって生成されて散乱領域に突き当たる様々な光線を例示している。光線４６は、活性層１４によって生成され、散乱領域４２Ｂによって、入射角でというよりも、様々な方向に散乱され、故に、基板３８は非常に劣った導光体（光ガイド）になる（すなわち、光が２、３回のみの反射の後に脱出することになる）。

光線４８は、蛍光体粒子２２Ａから発せられ、散乱領域４０Ａによって、光吸収性の領域を避けるように向け直されている。光線５０は、蛍光体粒子２２Ｂによって発せられ、Ｐメタルコンタクト２６で反射されている。光線５２は、蛍光体粒子２２Ｃによって発せられ、散乱領域４２Ａ内の複数の反射表面によって、上向き及び下向きの双方に向け直されている。

図４は、ＬＥＤダイの吸収性の領域の上に位置した、あるいはＬＥＤダイの非光生成領域の上に位置した、基板５７の頂部付近に、散乱領域５６Ａ−５６Ｃが形成されてもよいことを例示している。光線５８が、散乱領域５６Ａで反射されて、半導体層又は下に位置する層による吸収を回避するとして示されている。

図５は、図４のＬＥＤ構造がどのようにして形成され得るかを例示している。ＬＥＤ半導体層が成長された後、成長基板が除去され、Ｎ型層１２の頂面に基板５７が取り付けられる。接着剤として、シリコーンの薄い層が使用され得る。この取付けは、真空環境内で熱及び圧力の下で実行され得る。他の例では、基板５７が軟化されてＮ型層１２に直接的に融合する。Ｎ型層１２は、光取り出しを高めるため、及び接着を支援するために、先ず粗面化されてもよい。

一実施形態において、散乱領域４２Ａ、４２Ｂ及び５６Ａ−５６Ｃは、基板ウェハが形成されるときに基板内に形作られる。

そして、基板５７の上に蛍光体層２０が形成される。蛍光体層２０はまた、基板５７及びＬＥＤ層の側面の上にも形成されてよい。一実施形態において、蛍光体層２０は、シリコーンの薄い層を用いて基板５７に取り付けられるタイルである。蛍光体層２０はまた、液体として堆積されて硬化されてもよいし、電気泳動法によって堆積されてもよい。

図６は、中央の散乱領域６０と、基板６４の側壁を形づくる散乱領域６２Ａ及び６２Ｂとを有する他の一実施形態を例示している。散乱領域６２Ａ及び６２Ｂは、側壁に沿った連続した散乱領域リングの一部とし得る。散乱領域は、光吸収を低減するための散乱領域の使用にとらわれずに、所望の発光パターンを達成するための場所に位置付けられてもよい。特定の発光パターンを達成することは、例えば放物面ミラー又はプロジェクタによってなどでＬＥＤ像が拡大されるときに特に重要である。散乱領域６２Ａ及び６２Ｂからの散乱が大きい場合、この実施形態は、蛍光体層２０を通って出て行く光の量を増大させるはずである。これは、デバイスの表面にわたっての色の均一性を向上させる。

中央散乱領域６０が排除されてもよく、散乱領域６２Ａ及び６２Ｂが、ＬＥＤダイからの側面放射を制限して正面放射を促進させる。

図７は、バットウィング（コウモリの翼）状の発光パターンを形成するための、別形状の散乱領域６８を例示している。散乱領域６８は、所望の発光パターンを提供するよう、上から下に眺めたときに、中央に正方形又は円形を形づくり得る。一実施形態において、散乱領域６８の直径は約３００ミクロンである。蛍光体層７０が、デバイスの側面を覆って下方にサブマウント７２又は印刷回路基板の表面まで延在するコンフォーマル（共形）層として示されている。基板７３はまた、その側壁の部分を形づくる散乱領域をも有してよい。

図８は、蛍光体タイル７８内に形成された側壁散乱領域７６Ａ及び７６Ｂを例示している。散乱領域７６Ａ及び７６Ｂは、側壁に沿った連続した散乱領域リングの一部とし得る。図８において、透明基板は使用されておらず、また、成長基板は除去されている。蛍光体タイル７８は、シリコーンバインダに蛍光体粉末が注入され、半導体層に取り付けられるのに先立ってそれがプリフォームされたものとし得る。蛍光体ウェハを形成するときに金型内に反射フレークがスクリーン印刷され得る。この蛍光体ウェハを、その後、シリコーンの薄い層（＜１０ミクロン）を用いてＬＥＤウェハの頂面に取り付けることができ、得られたウェハが最終的に個片化される。散乱領域７６Ａ及び７６Ｂは側面放射を制限する。この構造において、蛍光体タイル７８は基板としての役割も果たす。この構造は特に、自動車ヘッドライト及びプロジェクタに適し得る。

図９は、３Ｄ基板がどのようにして形成され得るかを例示しており、ここでは、散乱領域８０Ａ−８０Ｃが、例えばスクリーン印刷又は金型を使用することなどによって第１の基板層８２の頂面に形成され、続いて、熱及び圧力の下で第２の基板層８４へのラミネーションが行われる。第２の基板層８４は、その側壁を形づくる更なる散乱領域８６Ａ及び８６Ｂを有するように示されている。基板材料の層を積み重ねることによって散乱領域の３Ｄパターンが形成され得る。斯くして、散乱領域が基板の内部に形成され得る。

概して、散乱領域は、発光を整形するために当該散乱領域が使用されるのでない限り、性能にとって有害となる箇所には位置付けられない。シミュレーションを行って、光取り出し効率を最大化するのに最適な領域及び散乱領域形状を決定し得る。典型的に高度に吸収性であり且つ光を生成しない箇所は、ＬＥＤ半導体層のエッジを含む。一実施形態において、散乱領域は、光が生成されないところである半導体層のエッジの上に位置する基板の底部付近の単一のリングとして形成される。

一部の用途において、光を更に散乱させるため及び／又は光取り出しを向上させるために、基板表面がテクスチャ加工される。本発明は、そのような表面テクスチャ加工と、本発明の実施形態が光を散乱させるために（単に表面上ではなく）基板内に反射粒子又は反射ボイドの何れかを導入する点で異なる。

一実施形態において、取り付けられる基板は、例えば光拡散粒子（例えば、ＴｉＯ_２）を均一に注入された基板など、元来的に一部の光を散乱させるバルク材料で形成される。本発明の光散乱領域は、基板のバルク材料を変更することによって、特定の領域での散乱を促進させる。

ＬＥＤの特定の用途において、当該ＬＥＤダイは、他のＬＥＤダイを備えたシステム内、又は反射チャンバ内に置かれる。そのような場合においては、外部で生成された光が当該ＬＥＤダイに突き当たる。本発明はまた、外部で光が生成される場合の当該ＬＥＤダイによる光吸収を低減するために使用されてもよい。従って、システム効率が向上される。

本発明の特定の実施形態を示して説明したが、当業者に明らかなように、より広い観点での本発明を逸脱することなく変形及び変更が為され得るのであり、故に、添付の請求項は、その範囲内に、本発明の真の精神及び範囲に入るような全ての変形及び変更を包含するものである。

Claims (17)

1. 光を生成する発光ダイオード（ＬＥＤ）半導体層であり、発光面を有するＬＥＤ半導体層と、
   前記発光面の上に位置し、前記ＬＥＤ半導体層に取り付けられた基板と、
   前記基板内に形成された１つ以上の光散乱領域と、
   を有する発光デバイス。
2. 前記光散乱領域は、前記基板の全体ではなく前記基板の選択された領域のみで、前記基板内に反射粒子を有する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記光散乱領域は、前記基板内に形成された反射ボイドを有する、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記基板は、前記ＬＥＤ半導体層が上にエピタキシャル成長された成長基板である、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記基板は、接着剤を用いて前記ＬＥＤ半導体層の前記発光面に取り付けられている、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記光散乱領域は反射金属粒子を有する、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記光散乱領域のうちの少なくとも１つは、前記ＬＥＤ半導体層の中又は下に位置する光吸収性の領域の上に位置して形成されている、請求項１に記載のデバイス。
8. 当該デバイスは更に、前記ＬＥＤ半導体層のためのメタルコンタクトを有し、前記ＬＥＤ半導体層はＮ型層及びＰ型層を有し、少なくとも１つの光散乱領域が、前記Ｎ型層のためのメタルコンタクトの上に形成されている、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記ＬＥＤ半導体層は、光を生成する領域と、光を生成しない領域とを含み、前記光散乱領域は、光を生成しないＬＥＤ半導体層領域のうちの少なくとも１つの上に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記光散乱領域は、光を生成するＬＥＤ半導体層領域の上には形成されていない、請求項９に記載のデバイス。
11. 前記光散乱領域は、前記基板の側壁に沿って形成されている、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記基板は波長変換材料を有する、請求項１に記載のデバイス。
13. 前記ＬＥＤ半導体層は、光を生成する領域と、光を生成しない領域とを含み、前記光散乱領域は、光を生成しない前記ＬＥＤ半導体層の少なくとも一部の上に形成されるとともに、前記基板の側壁に沿って形成されている、請求項１に記載のデバイス。
14. 当該デバイスは更に、前記基板の上に位置する蛍光体層を有し、前記光散乱領域は、前記ＬＥＤ半導体層に向けて放射された前記蛍光体層からの光を散乱するよう位置付けられ、それにより、該光の一部が前記蛍光体層の方に反射されて戻る、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記光散乱領域のうちの少なくとも１つは、前記ＬＥＤ半導体層に近接した前記基板の底面の近傍に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
16. 前記光散乱領域のうちの少なくとも１つは、前記ＬＥＤ半導体層から離れた前記基板の頂面の近傍に配置されている、請求項１に記載のデバイス。
17. 前記基板は、前記光散乱領域を除いて透明である、請求項１に記載のデバイス。

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