JP4767684B2 - モニター用のフォトダイオードと一体型の発光ダイオードパッケージ - Google Patents
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Description
本発明は発光ダイオードパッケージに関し、より詳細には光出力を安定化するため実際出力される光量を検出するフォトダイオード及び一体化された発光ダイオードパッケージに関する。
最近、発光ダイオード(ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ)は、他の光源に比べて高出力、高効率が可能であるため、次世代照明用光源等として活用されている。一般的に、照明用光源は単純な表示装置(ｉｎｄｉｃａｔｏｒ)用光源と異なり、光出力の安定性が維持されることが要求される。しかし、発光ダイオードは、それ自体の発熱等による温度変化により、光出力と中心波長とが変化してしまう問題がある。
従って、実時間フィードバック制御を通じて、照明用光源等で使用される発光ダイオードの光出力と中心波長とを一定に維持することが可能である、フォトダイオードと結合したパッケージが要求されている。
従来には、単純に発光ダイオードが具備された同一リードフレーム上に、フォトダイオードを隣接して実装する形態が使用されてきた。特許文献１では、図１に図示するように２つのフォトダイオードを発光ダイオードに隣接した両側面に並べて配列する構造が提案されている。
特許文献１によると、リードフレーム上に実装された発光ダイオードに隣接した両側面各々に２つのフォトダイオードが配列され、幾何学的により隣接して配置された２つのフォトダイオードは、発光ダイオードの側面光を効率的に吸収することが可能であり、これを通じて発光ダイオードの光出力に対する正確なモニターリングを実現することが可能であると記載されている。
しかし、特許文献１による配列では、別途の発光ダイオードパッケージとフォトダイオードパッケージとが分離されてリードフレーム上に配置されているため、所定の物理的離隔が生じることを避けられず、これにより高い光接続効率を期待し難かった。また、その間に他の外部環境の変化により検出される光に多くのノイズが介入される余地があるため、高い信頼性を期待し難かった。本発明は上記の技術的問題を解決するために、光接続効率と光出力検出との信頼性を向上させるための発光ダイオードパッケージを提供することを目的とする。
本発明は上記の技術的問題を解決することを目的とし、光接続効率と光出力検出との信頼性を向上させるため、発光ダイオードパッケージングのためのサブマウント基板をシリコン基板に代替し、そのシリコン基板にフォトダイオードを導入することにより、フォトダイオードが一体化された発光ダイオードパッケージを提供する。
上記の技術的課題を実現するため、本発明はシリコン基板と、前記シリコン基板上部の一領域に形成されたフォトダイオードと、前記シリコン基板の上面領域に、少なくとも前記フォトダイオードの受光領域を除いて形成された絶縁層と、前記フォトダイオードに電気的に連結されるように前記絶縁層上に形成されたフォトダイオード用接続端子と、前記フォトダイオードの両側に配列されるように前記絶縁層上に形成された発光ダイオード用第１及び第２接続パッドと、前記第１及び前記第２接続パッドに接続されるように前記シリコン基板上に実装された前記発光ダイオードとを備えたフォトダイオード一体型の発光ダイオードパッケージを提供する。
好ましくは、前記発光ダイオードは、フォトダイオードに対する光接続効率をより向上させるため、その発光領域が前記フォトダイオードの前記受光領域上に位置するように実装されている。このようなフォトダイオードは、不純物拡散工程またはエピタキシャル層の成長工程により形成することが可能である。
また、本発明による発光ダイオードパッケージは、多様な構造の発光ダイオードに効果的に適用することが可能である。
本発明の第１実施形態において、前記発光ダイオードは、同一方向を向いている第１及び第２電極を有するプレーナー電極構造を有し、前記発光ダイオードの前記第１及び前記第２電極は、前記第１及び前記第２接続パッドにフリップチップボンディングすることが可能である。
本発明の第２実施形態において、前記発光ダイオードは、本発明の第１実施形態と類似するプレーナー電極構造を有し、前記発光ダイオードの第１及び第２電極は、前記第１及び前記第２接続パッドにワイヤボンディングされるように構成することが可能である。
本発明の第３実施形態においては、前記第２接続パッドは、前記絶縁層上から（において）前記発光ダイオードが実装される領域まで延長されて形成され、前記発光ダイオードは、対向する面に各々形成された第１及び第２電極を有するバーティカル（縦型）電極構造を有し、前記第１電極は前記第１接続パッドにワイヤボンディングされ、前記第２電極は前記第２接続パッドの延長された領域に接続されるように構成することが可能である。
また、前記フォトダイオードの前記受光領域には、所望の光量にするための低い光透過率を有する部分反射膜を形成することが可能である。本発明では、フォトダイオードと発光ダイオードとが単一のパッケージに具現されるため、前記部分反射膜を通じて一部の光のみ受光し、従来の形態より向上された光接続効率を期待することが可能である。
前記部分反射膜は、発光ダイオードの光抽出効率を低下させないように、７０％ないし９０％の反射率を有するようにすることが可能である。このような部分反射膜物質としては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、及び、ＨｆＯ2で構成されたグループから選択された物質であってもよく、適切な厚さに形成し所望の光学的特性を得ることが可能である。
前記部分反射膜は、絶縁物質であることが可能であり、前記部分反射膜が絶縁物質の場合、前記部分反射膜を、部分反射機能を有する絶縁層として接続端子と接続パッド形成のための絶縁層と一体で同時に形成されるように構成することが可能である。
本発明に採用されるフォトダイオードはシリコン基板に形成可能な多様な構造に具現することが可能であり、各構造によりフォトダイオードの接続端子を適切に変更することが可能である。
一例として、前記フォトダイオードは、前記シリコン基板上の一領域に形成された第１及び第２導電型不純物領域を含む構造であることが可能であり、前記フォトダイオード用前記接続端子は、格不純物領域に電気的に連結された第１及び第２接続端子を備えることが可能である。
前記シリコン基板は背面に電極が形成された第１導電型基板であり、前記フォトダイオードは、前記第１導電型シリコン基板上に第２導電型不純物領域をドープすることにより形成され、前記フォトダイオード用前記接続端子は、前記第２導電型不純物領域に電気的に連結されるように前記絶縁層上に形成された一つの接続端子であり得る。
本発明によると、フォトダイオードが形成されたシリコンサブマウント基板を利用し、多様な構造のＬＥＤをパッケージすることにより、光接続効率が優秀であるだけではなく、別個のパッケージに製造する形態から引き起こされ得るノイズ発生の問題を根本的に解決することが可能である。
以下、添付の図面を参照とし、本発明をより詳細に説明する。図２−１は本発明の第１実施形態による発光ダイオードパッケージを示す断面図である。
図２−１に図示された発光ダイオードパッケージ２０は、上部にフォトダイオード２２が提供されたシリコン基板２１と、シリコン基板２１上に搭載された発光ダイオード１０とを備える。フォトダイオード２２は、シリコン基板２１の上部の一領域に拡散工程を通じて形成されたｐ型及びｎ型不純物領域２２ａ、２２ｂを有するＰＩＮ構造であることが可能である。
本実施形態では、拡散工程を通じたダイオード形成を例示したが、当業者に自明なように、通常のエピタキシャル層の成長工程を通じて形成することも可能である。
発光ダイオード１０は、基板１１上に形成された第１導電型半導体層１２、活性層１３、及び、第２導電型半導体層１４を備える。本実施形態において、発光ダイオード１０は、第１及び第２電極１５ａ、１５ｂが全て一面を向く、すなわち同一方向を向いているプレーナー構造を有する。
シリコン基板２１の上面領域には、少なくともフォトダイオード２２の受光領域を除いて、絶縁層２３が形成されている。フォトダイオード２２の受光領域には、部分反射膜２４が形成されていてもよい。部分反射膜２４は、非常に隣接した発光ダイオード１０から発生した光を適切な範囲（光量）でフォトダイオード２２に提供することが可能であり、低い光透過率を有する物質で形成されている。
部分反射膜２４は、発光ダイオード１０の光効率を考慮し、７０〜９０％の反射率を有する物質で形成することが好ましい。このような部分反射膜物質としては、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、及び、ＨｆＯ2で構成されたグループから選択された物質であってもよい。また、このような部分反射膜２４を適切な絶縁物質で形成する場合、絶縁層２３と共に一体に形成することも可能であるという利点がある。
絶縁層２３は、フォトダイオード２２のための第１及び第２接続端子(図２−２の２６ａ、２６ｂ)と、上記発光ダイオード１０のための第１及び第２接続パッド２５ａ、２５ｂとを形成するための領域を提供している。第１及び第２接続パッド２５ａ、２５ｂは、各々フォトダイオード２２の両側に配列されていて、発光ダイオード１０は、接続パッド２５ａ、２５ｂ上にフリップチップボンディングされるように構成することが可能である。
すなわち、発光ダイオード１０の第１及び第２電極１５ａ、１５ｂは、各々第１及び第２接続パッド２５ａ、２５ｂにソルダ１６ａ、１６ｂにより電気的に連結される。ここで、第１及び第２接続パッド２５ａ、２５ｂは、フォトダイオード２２の両側に配列されているため、実装された発光ダイオード１０の発光領域とフォトダイオード２２の受光領域とが隣接されるように、これらを位置させることが可能である。
本実施形態に採用されたフォトダイオード２２のための接続端子２６ａ、２６ｂと、発光ダイオード１０のための接続パッド２５ａ、２５ｂとの配列を、図２−２を参照して説明する。
図２−２を参照すると、シリコン基板２１上に形成された絶縁層２３は、フォトダイオード形成領域Ｓが露出されるように形成されている。第１及び第２接続パッド２５ａ、２５ｂは、発光ダイオード１０の実装面の内部から外部にかけて位置するように両側に対向して形成されている。第１及び第２接続端子２６ａ、２６ｂは、フォトダイオード２２の各不純物領域２２ａ、２２ｂに電気的に連結されていて、発光ダイオード１０の実装面の外部まで延長されている。
このように、フォトダイオード２２が備えられたシリコン基板２１を、サブマウント基板として使用することを可能にするために、フォトダイオード２２とフリップチップ発光ダイオード１０とに適合した接続パターン構造をシリコン基板２１上に形成することが可能である。
本発明は、フリップチップボンディング発光ダイオードと異なる接続構造で電気的に連結されたパッケージ形態からも具現することが可能である。また、サブマウント基板として特定導電型であるシリコン基板を利用し、その基板自体をフォトダイオードとして具現することも可能である。
図３−１は、本発明の第２実施形態による発光ダイオードパッケージを示す断面図である。図３−１に図示された発光ダイオードパッケージ４０は、フォトダイオードとして具現されたシリコン基板４１と、シリコン基板４１上に搭載された発光ダイオード３０とを備える。第１導電型シリコン基板４１の上部の一領域に拡散工程を通じて真性領域とｎ型不純物領域とを形成することにより、シリコン基板４１自体をフォトダイオード４２として提供することが可能である。
発光ダイオード３０は、図２−１に例示された発光ダイオード１０に類似して基板３１上に形成された第１導電型半導体層３２、活性層３３、及び、第２導電型半導体層３４を備え、第１及び第２電極３５ａ、３５ｂが全て一面を向く（同一方向を向いている）プレーナー構造を有する。また、少なくともフォトダイオード４２の受光領域を除いたシリコン基板４１の上面領域には、絶縁層４３が形成されている。フォトダイオード４２の受光領域には、部分反射膜４４が形成されていてもよい。
図３−２に図示された通り、シリコン基板４１上に形成された絶縁層４３は、フォトダイオードのための受光領域を露出させるためのオープン領域Ｓを有する。第１及び第２接続パッド４５ａ、４５ｂは、発光ダイオード３０の実装面の外部に位置するように、対向する両側に形成されている。発光ダイオード３０の第１及び第２電極３５ａ、３５ｂは、各々ワイヤ３６ａ、３６ｂにより接続パッド４５ａ、４５ｂへ電気的に連結されている。
また、フォトダイオード４２は、シリコン基板４１の背面に形成された電極４６ａと、上記絶縁層４３上に形成されていて特定不純物領域（第２導電型不純物領域）と電気的に連結された接続端子４６ｂとを通じて作動するように構成ことが可能である。
上述の実施形態では、プレーナー電極配列を有する発光ダイオードに限定されているが、本発明は、第１及び第２電極が対向する両面に各々形成されたバーティカル電極構造（メサ型構造）を有する発光ダイオードに有益に適用することが可能である。
図４−１は、本発明の第３実施形態による発光ダイオードパッケージを示す断面図である。図４−１に図示された発光ダイオードパッケージ６０は、上部にフォトダイオード６２が提供されたシリコン基板６１と、シリコン基板６１上に搭載された発光ダイオード５０とを備える。フォトダイオード６２は、シリコン基板６１の上部の一領域に拡散工程を通じて形成されたｐ型及びｎ型不純物領域６２ａ、６２ｂを有するＰＩＮ構造であり得る。
発光ダイオード５０は、上記の実施形態と類似して、基板５１上に形成された第１導電型半導体層５２、活性層５３、及び、第２導電型半導体層５４を備えるが、本実施形態に採用された発光ダイオード５０は、第１及び第２電極５５ａ、５５ｂが対向する両面に各々配置されているバーティカル電極構造を有する。
少なくともフォトダイオード６２の受光領域Ｓ１を除いたシリコン基板６１の上面領域には、絶縁層６３が形成されている。フォトダイオード６２の受光領域には、部分反射膜６４が形成されていてもよい。部分反射膜６４は、非常に隣接した発光ダイオード５０から発生した光を適切な範囲（光量）でフォトダイオード６２に提供することが可能であり、低い光透過率を有する物質で形成されている。
本実施形態に採用されている接続パターンは、バーティカル電極構造に適合するように新たな形態を有する。すなわち、フォトダイオード６２の接続端子（第１及び第２接続端子）６６ａ、６６ｂと、発光ダイオード５０のための接続パッド６５ａ、６５ｂとは、絶縁層６３により分離された構造を有する。
より具体的に、図４−２に図示された通り、フォトダイオード６２の各不純物領域に接続された接続端子６６ａ、６６ｂは、シリコン基板６１上に形成されていて、その上に絶縁層６３が形成されている。絶縁層６３上には、第１及び第２接続パッド６５ａ、６５ｂが、フォトダイオード６２の両側に各々形成される。
また、バーティカル電極構造の発光ダイオード５０の下部電極との接続のため、第２接続パッド６５ｂは、絶縁層６３上の発光ダイオード５０が実装される領域(点線表示)まで、延長されて形成されている。本実施形態のように、第２接続パッド６５ｂの延長された部分は、受光領域を充分露出させることが可能な領域Ｓ２を有するとしても、可能な実装面積に相応するように、大きい面積で形成することが好ましい。
発光ダイオード５０の下面に備えられた第２電極５５ｂは、実装と共に第２接続パッド６５ｂと電気的に連結され、発光ダイオード５０の第１電極５５ａは、ワイヤを利用して第１接続パッド６５ａと電気的に連結されている構造を有することが可能である。
このように本発明によると、発光ダイオードパッケージングのためのサブマウント基板をシリコン基板で代替し、そのシリコン基板にフォトダイオードを導入することにより、多様なフォトダイオード一体型発光ダイオードパッケージを提供することが可能である。
本明細書にて提示された具体的な実施形態及び添付の図面は、好ましい実施形態に対する例示に過ぎなく、本発明は、添付の特許請求の範囲により限定される。また、本発明は、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的な思想を外れない範囲内で、多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは、当技術分野の通常の知識を有する者には自明なことである。
１０、３０、５０ 発光ダイオード
１１、３１、５１ 基板
１２、３２、５２ 第１導電型半導体層
１３、３３、５３ 活性層
１４、３４、５４ 第２導電型半導体層
１５ａ、３５ａ、５５ａ 第１電極
１５ｂ、３５ｂ、５５ｂ 第２電極
１６ａ、１６ｂ ソルダ
２０、４０、６０ 発光ダイオードパッケージ
２１、４１、６１ シリコン基板
２２、４２、６２ フォトダイオード
２３、４３、６３ 絶縁層
２４、４４、６４ 部分反射膜
２５ａ、４５ａ、６５ａ 第１接続パッド
２５ｂ、４５ｂ、６５ｂ 第２接続パッド
２６ａ、６６ａ 第１接続端子
２６ｂ、６６ｂ 第２接続端子
４６ａ 電極
４６ｂ 接続端子
１１、３１、５１ 基板
１２、３２、５２ 第１導電型半導体層
１３、３３、５３ 活性層
１４、３４、５４ 第２導電型半導体層
１５ａ、３５ａ、５５ａ 第１電極
１５ｂ、３５ｂ、５５ｂ 第２電極
１６ａ、１６ｂ ソルダ
２０、４０、６０ 発光ダイオードパッケージ
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２２、４２、６２ フォトダイオード
２３、４３、６３ 絶縁層
２４、４４、６４ 部分反射膜
２５ａ、４５ａ、６５ａ 第１接続パッド
２５ｂ、４５ｂ、６５ｂ 第２接続パッド
２６ａ、６６ａ 第１接続端子
２６ｂ、６６ｂ 第２接続端子
４６ａ 電極
４６ｂ 接続端子
Claims (10)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板上部の一領域に形成されたフォトダイオードと、
前記シリコン基板の上面領域に、少なくとも前記フォトダイオードの受光領域を除いて形成され、前記受光領域を露出させるためのオープン領域を有する絶縁層と、
前記フォトダイオードの受光領域に形成され、所望の光量を得るための低い光透過率を有し、絶縁物質からなり、前記絶縁層と共に一体に形成される部分反射膜と、
前記フォトダイオードに電気的に連結されるよう前記絶縁層上に形成された前記フォトダイオード用接続端子と、
前記フォトダイオードの両側に配列されるよう前記絶縁層上に形成された発光ダイオード用第１及び第２接続パッドと、
前記第１及び前記第２接続パッドに接続されるよう前記シリコン基板上に実装された前記発光ダイオードと、を含み、
前記発光ダイオードは、その発光領域が前記フォトダイオードの受光領域上に位置するように実装されることを特徴とする発光ダイオードパッケージ。 - 前記発光ダイオードは、同一方向を向いている第１及び第２電極を有し、
前記発光ダイオードの前記第１及び前記第２電極は、前記第１及び前記第２接続パッドにフリップチップボンディングされていること、
を特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記発光ダイオードは、同一方向を向いている第１及び第２電極を有し、
前記発光ダイオードの前記第１及び前記第２電極は、前記第１及び前記第２接続パッドにワイヤボンディングされていること、
を特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記第２接続パッドは、前記絶縁層上において前記発光ダイオードが実装される領域まで延長されて形成され、
前記発光ダイオードは、対向する面に各々形成された第１及び第２電極を有し、前記第１電極は前記第１接続パッドにワイヤボンディングされ、前記第２電極は前記第２接続パッドの延長された領域に接続されていること、
を特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記部分反射膜は、７０％ないし９０％の反射率を有すること、
を特徴とする請求項１〜４に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記部分反射膜は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＺｒＯ2、及び、ＨｆＯ2で構成されたグループから選択された物質であること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記絶縁層は、前記部分反射膜と同一物質で形成されたこと、
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記フォトダイオードは、前記シリコン基板上の一領域に形成された第１及び第２導電型不純物領域を備え、
前記フォトダイオード用前記接続端子は、前記各不純物領域に電気的に連結された第１及び第２接続端子を備えること、
を特徴とする請求項１、２及び４〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記シリコン基板は、背面に電極が形成された第１導電型基板であり、前記フォトダイオードは前記第１導電型シリコン基板の一領域に第２導電型不純物をドープすることにより形成され、
前記フォトダイオード用前記接続端子は、前記第２導電型不純物領域に電気的に連結されるよう前記絶縁層上に形成された一つの接続端子であること、
を特徴とする請求項１、３及び５〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。 - 前記フォトダイオードは、不純物の拡散工程または特定導電型のエピタキシャル層の成長工程を通じ形成されていること、
を特徴とする請求項１、２及び４〜７のいずれか１項に記載の発光ダイオードパッケージ。
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