JP6325559B2 - 面照明用レンズ及び発光モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、実施例等の発光モジュールに関し、特に面照明用レンズ及びそれを備える面照明用発光モジュールに関する。
液晶ディスプレーをバックライティングするための発光モジュールや面照明装置に使われる面照明用発光モジュールは一般に回路基板上に発光素子を実装し、前記発光素子から放出される光を広い角度で分散するレンズを含む。前記レンズを用いて発光素子から放出された光を均等に分散することにより、個数の少ない発光素子で広い領域を均一に照射することができる。
図１ａ及び図１ｂは従来技術による発光モジュール及びレンズを説明するための概略的な断面図及び斜視図である。
図１ａ及び図１ｂを参照すると、発光モジュールは回路基板１００、発光素子２００及びレンズ３００を含む。回路基板１００は、発光素子２００に電力を供給するための回路が形成されたプリント回路基板である。
前記発光素子２００は一般に、発光ダイオードチップ２１０、発光ダイオードチップ２１０を覆うモールディング部２３０及びパッケージ基板２５０を含む。前記モールディング部２３０は、発光ダイオードチップ２１０で放出された光を波長変換させる蛍光体を含み、レンズの形象を有してもよい。パッケージ基板２５０は、発光ダイオードチップ２１０を実装するためのリセスを有してもよい。前記発光素子２００は、回路基板１００に電気的に繋がれる。
一方、前記レンズ３００は下部面３１０及び上面３５０を含み、さらにフランジ３７０及び橋部３９０を含んでもよい。橋部等３１０が回路基板１００上に附着されることにより、レンズ３００が発光素子２００の上部に配置される。図１ｂで示されるように、橋部等３１０は通常３箇所で構成され、正三角形の頂点等に配置される。
前記レンズ３００は発光素子２００から光が入射される入射面３３０と、入射された光が出射される出射面３５０を有する。入射面３３０はレンズ３００の下部面３１０に形成された砲弾型凹部３２０の内面である。前記凹部３２０が発光素子２００上部に配置されることにより、発光素子２００から放出された光が入射面３３０を通じてレンズ３００の内部に入射される。出射面３５０はレンズ３００の内に入射された光を広い指向角に出射させる。
従来技術による発光モジュールは発光素子２００から放出された光をレンズ３００を通じて分散させることにより、広い面積にかけて均一な光を具現することができる。しかし、回路基板１００上に実装される発光素子２００がパッケージ基板２５０を採択するため、発光素子２００の大きさが相対的に大きい。これによって、レンズ３００の入射面３３０を形成するための凹部３２０の入口及び高さも相対的に大きくなり、その結果、レンズ３００をスリム化しにくい。さらに、発光素子２００から放出される光の指向角が相対的に狭いため、レンズ３００を通じて光を分散させるのに限界がある。
さらに、発光素子２００がレンズ３００の下部面３１０の下に位置するので、発光素子２００から放出された光の一部はレンズ３００の内部に入射できずにレンズ３００の下部面の下で損失されやすい。
本背景技術欄に開示された前記情報は、本発明の背景技術に対する理解を高めるためのものであるだけで、それに応じて、これは、従来技術の一部を形成していない、または通常の技術者に従来技術の示唆を形成していない情報を含む。
本発明の実施例等は、面光源用レンズおよび発光モジュールをスリム化することができる技術を提供する。
本発明の実施例等は、発光素子から放出された光の損失を減少させることができるレンズと発光モジュールを提供する。
本発明の実施例等は、面光源に適した発光素子を採用して広い面積に渡って均一な光を提供することができる発光モジュールを提供する。
後述の本発明の付加的特徴等は、以下の詳細な説明で提示され、部分的に詳細な説明に基づいて明らかになったり、または本発明の実施によって分かることができる。
本発明の一実施例に係る発光モジュールは、回路基板と、前記回路基板に実装された発光素子と、前記回路基板上に位置し、前記発光素子から放出された光を分散させるレンズと、を含む。前記レンズは、前記発光素子から放出された光が入射される入射面を定義する凹部を含み、前記発光素子は、前記レンズの凹部内に配置されている。
以下の一般的な説明や詳細な説明は、典型的で説明的であり、請求された本発明の付加的な説明を提供するためのものであると理解すべきである。
添付の図面等は、本発明のより良い理解を提供するために含まれており、本明細書に含まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施例等を図示し、そして、詳細な説明と共に本発明の原理を説明する役割をする。
本発明は、以下、本発明の実施例等が示される添付図面を参照して、より完全に説明される。しかし、本発明は、多くの異なる形態に具体化されることができ、本明細書に示された実施例に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施例は、これらの開示を徹底するように提供され、本発明の範囲を当該技術における通常の技術者に完全に伝える。図面では、層、領域のサイズおよび相対サイズは、明確にするため誇張されてもいい。図面において、同様の番号は同様の要素を示す。
要素または層が異なる要素または層「上に」あるか、またはこれに「接続されている」と言及される場合、それは他の要素または層上に直接あるか、または、これに直接接続することができ、または、介在要素または層が存在することができるという点が理解される。対照的に、要素が他の要素または層「上に直接」あるか、または「直接接続されている」と言及される場合、介在要素または層が存在していない。本開示の目的のために、「Ｘ、Ｙ、およびＺのうち、少なくとも一つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみで、または、２つ以上の項目等Ｘ、Ｙ、およびＺの任意の組み合わせ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）と解釈されることがある点を理解されるだろう。
「底」、「下」、「下部」、「上」、「上部」などの空間的な相対用語は、本明細書で説明の容易性のために図面に例示されたような要素または特徴の関係を他の要素（等）または特徴（等）に説明するために使用することができる。空間的な相対用語は、図面に図示された配向に加えて使用または動作において、デバイスの異なる配向を網羅するように意図される点が理解されるだろう。たとえば、図面内のデバイスが反転されると、この時、他の要素または特徴等「下」または「底」と説明される要素は、他の要素または特徴等「上」に配向される。したがって、代表的な用語「下」は、上および下の配向の両方を含むことができる。デバイスは、（回転された９０度または他の配向に）他の方法で配向され、本明細書に使用される空間に関する技術語は、適切に解釈されることができる。
図２ａは、本発明の一実施例に係る発光モジュールを説明するための断面図であり、図２ｂは、前記発光モジュールのレンズ３００ａの斜視図であり、図２ｃは、レンズ３００ａの凹部３２０を説明するための概略図であり、図２ｄは、レンズ３００ａの下部面３１０を説明するための部分拡大断面図である。
まず、図２ａを参照すると、発光モジュールは、回路基板１００ａ、発光素子２００ａ、レンズ３００ａを含む。さらに、前記発光モジュールは、反射シート１１０を含んでもいい。
回路基板１００ａは、回路パターンが形成されたプリント回路基板である。ここで、回路基板１００ａ上に１つの発光素子２００ａが実装されたもので示したが、回路基板１００ａ上に複数の発光素子２００ａが整列されることがあり、各発光素子２００ａの上部にレンズ３００ａが配置されることがある。
発光素子２００ａは、従来の発光ダイオードパッケージとは異なり、発光ダイオードチップを実装するためのチップ実装部材を持たず、ボンディングワイヤを使用せずに直接、回路基板１００ａ上にフリップボンディングによって実装される。すなわち、前記回路基板１００ａが発光ダイオードチップを実装するためのチップ実装部材の機能を行う。ボンディングワイヤを使用しないので、ワイヤを保護するためのモールディング部を必要としない。本発明の実施例等に係る発光素子２００ａについては、図６を参照して、後部で詳細に説明する。
前記反射シート１１０は、レンズ３００ａと回路基板１００ａとの間に位置する。反射シート１１０は、可視領域の広い波長範囲の光を反射させるように反射率の高い白色反射物質がコーティングされることができる。反射シート１１０は、回路基板１００ａの側に進む光をレンズ３００ａの内部に反射させる。
レンズ３００ａは、下部面３１０と上面３３０を含み、さらにフランジ３７０および橋部等３９０を含んでもいい。前記下部面３１０は、凹部３２０、前記凹部３２０を囲む平らな面３１０ａ及び前記平らな面３１０ａを囲む斜面３１０ｂを含む。
前記凹部３２０は、発光素子２００ａから光がレンズ３００ａの内部に入射される入射面３３０を定義する。つまり、前記入射面３３０は、凹部３２０の内面である。入射面３３０は、側面３３０ａと上面３３０ｂを含む。前記凹部３２０は、入口から上にいくほど細くなる形状を有する。前記側面３３０ａは、入口から上面３３０ｂまで一定の傾きを有する斜面であることがあり、これとは異なって入口から上面３３０ｂまでの傾きが減少する斜面であることがある。すなわち、図２ｃに示されるように、側面３３０ａは、垂直断面図で直線または上に向かって凸面曲線である。
発光素子２００ａは、実質的に凹部３２０の内部に配置される。このために、凹部３２０の入口幅ｗ１は、発光素子２００ａの幅ｗよりも大きい。一方、凹部３２０の入口幅ｗ１は、発光素子２００ａの幅ｗの２倍以下である。本発明の実施例等において、発光素子２００ａは、従来の発光素子２００に比べて相対的に小さいサイズを有するため、発光素子２００ａとレンズ３００ａを精密に整列させる必要がある。したがって、凹部３２０の入口幅ｗ１を発光素子２００ａの幅ｗの２倍以下とすることにより、レンズ３００ａと発光素子２００ａの誤整列を防止することができる。さらに、発光素子２００ａと入射面３３０ａとの間が近づき、光が外部に出ることを減少させる効果もある。特に、前記凹部３２０の入口幅は３ｍｍ以下、または２ｍｍ以下であることがある。発光素子２００ａが凹部３２０の内に位置するため、発光素子２００ａから放出された光のうち、大部分がレンズ３００ａに投射されることができ、これにより、レンズ３００ａの下部面３１０の下で光が失われることを減少させることができる。
一方、前記入射面３３０の上面３３０ｂは、平らな形状を有する。上面３３０ｂの幅ｗ２は、入口幅ｗ１よりも小さい、さらに、発光素子２００ａの幅ｗよりも小さい。凹部３２０の入口中心から上面３３０ｂの縁を連結する直線と中心軸との角度αが、少なくとも３度以上、好ましくは６度以上になるように、上面３３０ｂの幅ｗ２が決定されてもいい。発光素子２００ａから出射される光のうち、+１５度〜−１５度の範囲の指向角を有する光が、少なくとも前記上面３３０ｂに入射されるようにして光の分散性を向上させることができる。
前記上面３３０ｂによって、発光素子２００ａとレンズ３００ａの中心軸が精密に整列されていない際、レンズ３００ａの外部に出射される光の指向分布に大きな変化が発生することが防止される。
一方、前記凹部３２０の高さＨは、発光素子２００ａの指向角、レンズ３００ａの上面３５０の形状、希望の光指向分布等に応じて調節することができる。ただし、本実施例において、前記凹部３２０の高さＨは、凹部３２０の入口幅ｗ１の減少に応じて、従来技術によるレンズに比べて相対的に小さい値を有することができる。特に、凹部３２０の高さＨは、フランジ３７０の厚さよりも小さいことがある。
再度、図２ａを参照すると、レンズ３００ａの上面３５０は、レンズ３００ａの内部に入射された光を広い指向分布を持つように分散させる形状を有する。例えば、前記レンズ３００ａの上面３５０は、中心軸の近くに位置する凹部３５０ａと、前記凹部から続く凸面３５０ｂを有することができる。前記凹部３５０ａは、レンズ３００ａの中心軸付近に進む光を外側に分散させ、前記凸面３５０ｂは、レンズ３００ａの中心軸外側に出射される光量を増加させる。
一方、前記フランジ３７０は、上面３５０と下部面３１０を連結し、レンズの外形サイズを限定する。フランジ３７０の側面と下部面３１０に凹凸パターンが形成される。一方、前記レンズ３００ａの橋部等３９０が回路基板１００ａに結合され、レンズ３００ａを固定する。橋部等３９０のそれぞれの先端が、例えば接着剤によって回路基板１００ａ上に接着することができ、または回路基板１００ａに形成されたホールに挟まれることができる。
一方、図２ｂに示されるように、橋部等３９０は、４つで構成される。しかし、橋部等３９０は、従来のように３つで構成されてもいい。前記橋部等３９０は、図２ｄに示されるように、斜面３１０ｂに形成される。
図２ａ及び図２ｄを参照すると、レンズ３００ａの下部面３１０は、凹部３２０を囲む平らな面３１０ａと、平らな面３１０ａを囲む斜面３１０ｂを含む。平らな面３１０ａは、回路基板１００ａまたは反射シート１１０に密着し、したがって、レンズ３００ａの下部面で光の損失を防止することができる。図２ｄにおいて、レンズ３００ａの半径をｄ／２に、入射面３３０ａから斜面３１０ｂまでの平らな面３１０ａの長さをｂ０に、斜面３１０ｂの放射長さをｂＸに示した。
一方、斜面３１０ｂは、前記平らな面３１０ａに傾斜角βを有し、上に傾いている。斜面３１０ｂは、レンズ３００ａの側面、例えばフランジ３７０の側面まで続く。したがって、レンズ３００ａの側面は、平らな面３１０ａからの高さＨで上部に位置する。前記斜面３１０ｂの傾斜角βは、１０度未満であることが好ましい。これについては、図１５及び図１６を参照して、後部で詳細に説明する。斜面３１０ｂを使用することにより、レンズ３００ａの内部で全反射によって失われる光を減少させることができ、光を広い指向分布に分散させることができる。
図３は、レンズの様々な変形例を説明するための断面図である。ここでは、図１の凹部３２０の様々な変形例を説明する。
図３ａにおいて、図１で説明した上面３３０ｂの中、レンズ３００ａの中心軸付近の一部が下に向かって凸面を形成する。この凸面によって中心軸の近くに入射される光を１次的に制御することができる。
図３ｂは、図３ａと類似であるが、図３ａの上面の中心軸において垂直である面が上に向かってぷっくりと形成されたことが相違する。上面が上に向かって凸面と、下に向かって凸面が混在しており、発光素子とレンズの整列誤差による光指向分布の変化を緩和することができる。
図３ｃにおいて、図１で説明した上面（３３０ｂ）の中心軸付近の一部が上に向かって凸面を形成する。この凸面によって中心軸の近くに入射される光をより分散させることができる。
図３ｄは、図３ｃと類似であるが、図３ｃの上面の中心軸に垂直な面が下にぶっくりと形成されたことが相異する。上面が上に向かって凸面と、下に向かって凸面が混在しており、発光素子とレンズの整列誤差による光指向分布の変化を緩和することができる。
図４は、本発明の実施例による他のレンズの変形例を説明するための断面図である。
図４を参照すると、上面３３０ｂに光散乱パターン３３０ｃが形成されている。前記光散乱パターン３３０ｃは、凹凸パターンで形成されることができる。
一般に、レンズの中心軸付近に比較的に多くの光束が集中する。さらに、本発明の実施例は、上面３３０ｂが中心軸に垂直な面なので、中心軸付近で光束がより集中される。したがって、前記上面３３０ｂに光散乱パターン３３０ｃを形成することにより、中心軸ｃの近くの光束を分散させることができる。したがって、発光素子２００ａの中心軸とレンズ３００ａの中心軸が整列されずにずれても、これらの非整列による光の指向分布への影響を減らすことができる。これにより、発光素子２００ａとレンズ３００ａとの整列誤差の許容範囲が増加される。
図５は、本発明の他のレンズの変形例を説明するための断面図である。
図５を参照すると、本実施例に係るレンズ４００ａは、図２ａ〜図２ｄを参照して説明したレンズ３００ａと概ね類似であるが、上面４５０の形状が相異し、さらに、橋部等４９０の位置が相異する。すなわち、図２ａの凹部３５０ａの代わりに、比較的に平らな面４５０ａがレンズ４００ａの中心軸の近くに配置され、凸面４５０ｂが平らな面４５０ａから外側に向かって続いている。一方、橋部等４９０がレンズ４００ａの側面の近くに配置される。
レンズの形状は、所望の光の指向分布などを考慮して多様に変形することができる。
図６は、本発明の実施例に係る発光素子２００ａを説明するための概略的な断面図である。
図６を参照すると、前記発光素子２００ａは、発光ダイオードチップ２１０および波長変換層２４０を含む。前記発光ダイオードチップ２１０は、基板２１１および半導体積層体２１３を含み、さらに、電極パッド２１５ａ、２１５ｂを含むことができる。
前記発光ダイオードチップ２１０は、フリップチップとして電極パッド２１５ａ、２１５ｂがチップの下部に位置する。発光ダイオードチップ２１０の幅（ｗ）は約０．７〜１．５ｍｍの範囲内であってもいい。
基板２１１は、半導体層を成長させるための成長基板であっても良く、例えば、サファイア基板または窒化ガリウム基板であってもいい。特に、前記基板２１１がサファイア基板である場合には、半導体積層体２１３、サファイア基板２１１、波長変換層２４０に屈折率が徐々に減少し、光抽出効率が向上されることができる。特定の実施例において、前記基板２１１は、省略されることができる。
半導体積層体２１３は、窒化ガリウム系の化合物半導体で形成され、紫外線または青色系の光を放出することができる。
発光ダイオードチップ２１０は、回路基板１００ａ上に直接実装される。発光ダイオードチップ２１０は、ボンディングワイヤを使用することなく、フリップボンディングされて直接、回路基板１００ａ上のプリント回路に連結されている。本発明は、発光ダイオードチップ２１０を前記回路基板１００ａ上にボンディングする際、ワイヤを使用しないので、ワイヤを保護するためのモールディング部を必要とせず、ボンディングパッドを露出するために波長変換層２４０の一部を除去する必要もない。したがって、フリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を採用することにより、ボンディングワイヤを使用する発光ダイオードチップを使用することに比べ、色ばらつきや輝度斑現象を除去し、モジュールの製造工程を簡略化することができる。
本発明の一実施例に係るフリップチップ型発光ダイオードチップについて図７図１２を参照して、後部で詳細に説明する。
一方、波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０を覆う。図示のように、コンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０、例えば蛍光体層が発光ダイオードチップ２１０上に形成されることができ、発光ダイオードチップ２１０から放出された光を波長変換することができる。波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０にコーティングされ、発光ダイオードチップ２１０の上面および側面を覆うことができる。特定の実施例において、波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０の上面のみを覆うこともできる。発光ダイオードチップ２１０から放出された光と波長変換層２４０を利用して、様々な色の光を実現することができ、特に白色光のような混合光を実現することができる。
本実施例において、コンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０は、発光ダイオードチップ２１０上にあらかじめ形成されて発光ダイオードチップ２１０と一緒に回路基板１００ａ上に実装されることができる。
以下では、発光ダイオードチップ２１０の理解に役立つように、その製造方法を説明する。
図７図１１は、本発明の一実施例に係るフリップチップ型発光ダイオードチップの製造方法を説明するための図面等として、各図面において、ａは平面図を、ｂは切取線Ａ‐Ａに沿って取られた断面図である。
まず、図７を参照すると、成長基板２１上に第１導電型半導体層２３が形成され、第１導電型半導体層２３上に互いに離隔した複数のメサ（ｍｅｓａ)（Ｍ）が形成される。複数のメサ（Ｍ）は、それぞれ活性層２５及び第２導電型半導体層２７を含む。活性層２５が第１導電型半導体層２３と第２導電型半導体層２７との間に位置する。一方、複数のメサ（Ｍ）上にそれぞれ反射電極３０が位置する。
複数のメサ（Ｍ）は、成長基板２１上に第１導電型半導体層２３、活性層２５及び第２導電型半導体層２７を含むエピタキシャル層を有機金属化学気相成長法などを利用して成長させた後、第１導電型半導体層２３が露出するように第２導電型半導体層２７および活性層２５をパターニングすることにより、形成することができる。複数のメサ（Ｍ）の側面は、フォトレジストリフローのような技術を使用することにより、傾斜するように形成されることができる。メサ（Ｍ）側の傾斜プロファイルは、活性層２５で生成された光の抽出効率を向上させる。
複数のメサ（Ｍ）は、図示したように、一側方向に互いに平行に延長する細長い形状を有することができる。これらの形状は、成長基板２１上で複数のチップ領域に同一な形状の複数のメサ（Ｍ）を形成することを簡素化させる。
一方、反射電極３０は、複数のメサ（Ｍ）が形成された後、各メサ（Ｍ）上に形成されることができるが、これに限定されるものではなく、第２導電型半導体層２７を成長させ、メサ（Ｍ）を形成する前に、第２導電型半導体層２７上にあらかじめ形成されることもある。反射電極３０は、メサ（Ｍ）の上面を大部分覆っており、メサ（Ｍ）の平面形状と大概同一な形状を有する。
反射電極３０は、反射層２８を含み、さらにバリアー層２９を含む。バリアー層２９は、反射層２８の上面と側面を覆うことができる。例えば、反射層２８のパターンを形成し、その上にバリアー層２９を形成することにより、バリアー層２９が反射層２８の上面と側面を覆うように形成されることができる。たとえば、反射層２８は、Ａg、Ａg合金、Ｎｉ／Ａg、ＮｉＺn／Ａg、ＴｉＯ／Ａg層を蒸着およびパターニングして形成されることができる。一方、バリアー層２９は、Ｎｉ、Ｃr、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｒｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＴｉＷまたはその複合層で形成することができ、反射層の金属物質が拡散したり、汚染されることを防止する。
複数のメサ（Ｍ）が形成された後、第１導電型半導体層２３の縁もエッチングすることができる。これにより、成長基板２１の上面が露出されることができる。第１導電型半導体層２３の側面も傾斜するように形成されることができる。
複数のメサ（Ｍ）は、図７に示されるように、第１導電型半導体層２３の上部領域内に限定されて位置するように形成されることができる。すなわち、複数のメサ（Ｍ）が第１導電型半導体層２３の上部領域上にアイルランド形態で配置することができる。これとは異なり、図１２に示されるように、一側方向に延長するメサ（Ｍ）は、第１導電型半導体層２３の上部の縁に達するように形成されることができる。つまり、複数のメサ（Ｍ）の下面の一側方向の縁は、第１導電型半導体層２３の一側方向の縁と一致している。これにより、第１導電型半導体層２３の上面は、複数のメサ（Ｍ）によって区画されている。
図８を参照すると、複数のメサ（Ｍ）及び第１導電型半導体層２３を覆う下部絶縁層３１が形成される。下部絶縁層３１は、特定の領域で第１導電型半導体層２３及び第２導電型半導体層２７に電気的接続を許容するための開口部等３１ａ、３１ｂを有する。例えば、下部絶縁層３１は、第１導電型半導体層２３を露出させる開口部３１ａと反射電極３０を露出させる開口部３１ｂを有することができる。
開口部３１ａは、メサ（Ｍ）との間の領域と成長基板２１の縁の近くに位置することができ、メサ（Ｍ）に沿って延長する細長い形状を有することができる。一方、開口部３１ｂは、メサ（Ｍ）の上部に限られて位置し、メサの同一段部側に寄って位置する。
下部絶縁層３１は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）などの技術を使用してSiO２などの酸化膜、SiNＸなどの窒化膜、ＳiＯｎ、MｇF２の絶縁膜に形成されることができる。下部絶縁層３１は、単一層で形成されることができるが、これに限定されるものではなく、多重層で形成することもある。さらに、下部絶縁層３１は、低屈折物質層と高屈折物質層が交互に積層された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）で形成することができる。例えば、SｉＯ２ ／ ＴｉＯ２やSｉＯ２ ／ Nｂ２O５などの誘電層を積層することにより、反射率の高い絶縁反射層を形成することができる。
図９を参照すると、下部絶縁層３１上に電流分散層３３が形成される。電流分散層３３は、複数のメサ（Ｍ）及び第１導電型半導体層２３を覆う。また、電流分散層３３は、それぞれのメサ（Ｍ）の上部領域内に位置し、反射電極を露出させる開口部３３ａを有する。電流分散層３３は、下部絶縁層３１の開口部に３１ａを介して第１導電型半導体層２３にオーミックコンタクトすることができる。電流分散層３３は、下部絶縁層３１によって、複数のメサ（Ｍ）及び反射電極３０から絶縁される。
電流分散層３３の開口部３３ａは、電流分散層３３が反射電極等３０に接続することを防止するように、それぞれ下部絶縁層３１の開口部等３１ｂよりも広い面積を有する。したがって、開口部等３３ａの側壁は、下部絶縁層３１上に位置する。
電流分散層３３は、開口部等３３ａを除いた下部絶縁層３１のほぼ全領域の上部に形成される。したがって、電流分散層３３を介して電流が容易に分散されることができる。電流分散層３３は、Ａｌ層のような高反射金属層を含んでも良く、高反射金属層は、Ｔｉ、ＣrまたはＮｉなどの接着層上に形成されることができる。また、高反射金属層上にＮｉ、Ｃr、Ａuなどの単層または複合層構造の保護層が形成されることができる。電流分散層３３は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層構造を有することができる。
図１０を参照すると、電流分散層３３上に上部絶縁層３５が形成される。上部絶縁層３５は、電流分散層３３を露出させる開口部３５ａと一緒に、反射電極等３０を露出させる開口部等３５ｂを有する。開口部３５ａは、メサ（Ｍ）の長さ方向に垂直な方向に細長い形状を有することができ、開口部等（３５ｂ）に比べて相対的に広い面積を有する。開口部等３５ｂは、電流分散層３３の開口部等３３ａ及び下部絶縁層３１の開口部等３１ｂを介して露出された反射電極３０を露出させる。開口部等３５ｂは、電流分散層３３の開口部等３３ａに比べて、より狭い面積を有し、かつ、下部絶縁層３１の開口部等３１ｂより広い面積を有することができる。これにより、電流分散層３３の開口部等３３ａの側壁等は、上部絶縁層３５によって覆うことができる。
上部絶縁層３５は、酸化物絶縁層、窒化物絶縁層、これらの絶縁層の混合層や交互層、またはポリイミド、テフロン（登録商標）、パリレンなどのポリマーを用いて形成されることができる。
図１１を参照すると、上部絶縁層３５上に第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂが形成される。第１パッド３７ａは、上部絶縁層３５の開口部３５ａを介して電流分散層３３に接続し、第２パッド３７ｂは、上部絶縁層３５の開口部等３５ｂを介して反射電極等３０に接続する。第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂは、発光ダイオードを回路基板等に実装するためにバンプを接続したり、ＳＭＴのためのパッドとして使用されることができる。
第１および第２パッド３７ａ、３７ｂは、同一工程で一緒に形成されることができ、例えば、写真やエッチング技術またはリフトオフ技術を使用して形成されることができる。第１および第２パッド３７ａ、３７ｂは、例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｎｉなどの接着層とＡｌ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕなどの高伝導金属層を含むことができる。第１および第２パッド３７ａ、３７ｂは、端部が同一平面上に位置するように形成されることができ、したがって、発光ダイオードチップ２２０が回路基板１００ａないし１００ｄ上に同一の高さで形成された導電パターン上にフリップボンディングされることができる。さらに、第１および第２パッド３７ａ、３７ｂは、同一の形状及びサイズを有するように形成されることができ、これにより、フリップチップボンディングが容易に行われることができる。
その後、成長基板２１を、個々の発光ダイオードチップ単位で分割することにより、発光ダイオードチップが完成される。成長基板２１は、個々の発光ダイオードチップ単位で分割される前、またはその後に発光ダイオードチップから除去されることもできる。
以下、本発明の一実施例に係る発光ダイオードチップの構造について図１１を参照して詳細に説明する。
発光ダイオードチップは、第１導電型半導体層２３、メサ（Ｍ）、反射電極３０、電流分散層３３を含み、成長基板２１、下部絶縁層３１、上部絶縁層３５と第１パッド３７ａと第２パッド３７ｂを含むことができる。
成長基板２１は、窒化ガリウム系エピタキシャル層を成長させるための成長基板、例えばサファイア基板または窒化ガリウム基板であることがある。前記基板２１は、例えばサファイア基板で、２００μｍ以上の厚さ、好ましく２５０μｍ以上の厚さを有することができる。
第１導電型半導体層２３は、連続的であり、第１導電型半導体層２３上に複数のメサ（Ｍ）が互いに離隔して位置する。メサ（Ｍ）は、図７を参照して、説明したように、活性層２５及び第２導電型半導体層２７を含み、一側に向かって延長する細長い形状を有する。ここで、メサ（Ｍ）は、窒化ガリウム系化合物半導体の積層構造である。メサ（Ｍ）は、図７に示されるように、第１導電型半導体層２３の上部領域内に限定されて位置することができる。これとは異なり、メサ（Ｍ）は、図１２に示されるように、一側方向に沿って第１導電型半導体層２３の上面の縁まで延長することができ、したがって、第１導電型半導体層２３の上面を複数の領域に区画することができる。これにより、メサ（Ｍ）の角の付近に電流が集中することを緩和し、電流分散性能をより高めることができる。
反射電極３０は、それぞれ複数のメサ（Ｍ）上に位置し、第２導電型半導体層２７にオーミックコンタクトする。反射電極等３００は、図７を参照して、説明したように反射層２８とバリアー層２９を含んでも良く、バリアー層２９が反射層２８の上面および側面を覆うことができる。したがって、反射層２８が外部に露出されることが防止され、これにより、反射層２８の損傷を防止することができる。
電流分散層３３は、複数のメサ（Ｍ）及び第１導電型半導体層２３を覆う。電流分散層３３は、それぞれのメサ（Ｍ）の上部領域内に位置し、反射電極等３０を露出させる開口部等３３ａを有する。電流分散層３３は第１導電型半導体層２３にオーミックコンタクトし、複数のメサ（Ｍ）から絶縁される。電流分散層３３は、Ａｌのような反射金属を含む。したがって、反射電極等３０によって誘発される光の反射に加えて、電流分散層３３によって誘発される光の反射が得られることができる。したがって、複数のメサ（Ｍ）の側面及び第１導電型半導体層２３を介して進む光を反射させることができる。
電流分散層３３は、下部絶縁層３１によって、複数のメサ（Ｍ）から絶縁される。例えば、下部絶縁層３１は、複数のメサ（Ｍ）と電流分散層３３との間に位置して電流分散層３３を複数のメサ（Ｍ）から絶縁させることができる。さらに、下部絶縁層３１は、それぞれのメサ（Ｍ）の上部領域内に位置し、反射電極等３０を露出させる開口部等３１ｂを有することができ、第１導電型半導体層２３を露出させる開口部等３１ａを有することができる。電流分散層３３は、開口部等３１ａを介して第１導電型半導体層２３に接続することができる。下部絶縁層３１の開口部等３１ｂは、電流分散層３３の開口部等３３ａよりも狭い面積を有し、開口部等３３ａによって全部露出される。
上部絶縁層３５は、電流分散層３３の少なくとも一部を覆う。また、上部絶縁層３５は、反射電極等３０を露出させる開口部３５ｂを有する。さらに、上部絶縁層３５は、電流分散層３３を露出させる開口部３５ａを有することができる。上部絶縁層３５は、電流分散層３３の開口部等３３ａの側壁等を覆うことができる。
第１パッド３７ａは、電流分散層３３上に位置することができ、例えば、上部絶縁層３５の開口部等３５ａを介して電流分散層３３に接続することができる。また、第２パッド３７ｂは、開口部等３５ｂを介して露出された反射電極等３０に接続する。第１パッド３７ａ及び第２パッド３７ｂは、図１１に示されるように、上部が同一の高さに位置することができる。したがって、電流分散層３３の開口部３５ａを介して露出される反射電極等３０に接続されるパッドを容易に形成することができる。
本発明の実施例等によれば、電流分散層３３がメサ等（Ｍ）とメサ（Ｍ）との間の第１導電型半導体層２３のほぼ全領域を覆う。したがって、電流分散層３３を介して電流が容易に分散されることができる。電流分散層が複数のメサ（Ｍ）及び第１導電型半導体層２３を覆うので、電流分散層３３を介して電流分散効率が向上されることができる。
さらに、電流分散層３３がＡｌのような反射金属層を含んだり、下部絶縁層を絶縁反射層で形成することにより、反射電極等３０によって反射されない光を電流分散層３３または下部絶縁層３１を利用して反射させることができ、光抽出効率を向上させることができる。
本実施例に係るフリップチップ型発光ダイオードチップは、比較的に広い指向分布を有することができる。
図１３は、従来の発光ダイオードパッケージ２００および本発明の一実施例に係る発光素子、すなわち、コンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０を有するフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０の指向分布を示すグラフである。
図１３ａを参照すると、従来の発光ダイオードパッケージ２００は、約１２０度の指向角を有する。一方、本実施例の発光素子は、図１３ｂに示されるように、約１４５度の指向角を示す。すなわち、本実施例のチップレベルの発光素子は、従来のパッケージレベルの発光素子に比べて約２５度の増加された指向角を示されることがわかる。
図１４ａは、１２０度の指向角を有する従来の発光ダイオードパッケージを使用した発光モジュールの指向分布を示し、図１４ｂは、本実施例の１４５度の指向角を有するコンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０を備えたフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を使用した発光モジュールの指向分布を示す。ここで、各方向に照度分布が同一の発光素子とレンズを使用して一軸方向の光指向分布をシミュレーションした。光指向分布は、各発光素子から５ｍ離れた地点での指向角に応じた光度を示すものである。ここで、レンズの下部面は、斜面３１０ｂの無い、全体的に平らなものとした。
このグラフで、最大光度値の間の角度が大きいほど、そして最大光度値に対する中心での光度の比率（Ｃ／Ｐ）が小さいほど、光がより広くて均一に分散される。図１４ａの場合、最大光度値の間の角度は１４６度であり、最大光度に対する中心での光度の比率は１０％であり、図１４ｂの場合、これらの値は、それぞれ１５２度及び４.５％であった。また、光度５０％での角度を対比すると、図１４ａの場合、６５度であり、図１４ｂの場合７０度であった。したがって、本実施例のコンフォーマルコーティングされた波長変換層２４０が形成されたフリップチップ型発光ダイオードチップ２１０を使用し、発光モジュールを製作する場合、従来の発光モジュールに比べて、より広くて均一に光を分散させることができる。
図１５ａ、図１５ｂおよび図１５ｃは、レンズの下部面の斜面３１０ｂの様々な傾きによる光出射方向を説明するための概略図等である。
発光素子２００ａの側面下部からレンズの下部面の平らな面３１０ａに対して０度３度の範囲内の角度で出射された光のビーム線をシミュレーションし、レンズ３００ａから出射される光がレンズの下部面の平らな面３１０ａとの角γを産出した。
図１５ａは、傾斜角βが約４度であり、レンズ３００ａを出射するビーム線の角γは９度であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角（９０−γ）は８１度である。
一方、図１５ｂの場合、傾斜角βが約９.５度であり、レンズ３００ａを出射するビーム線の角γは、２４度であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角（９０−γ）は６６度である。
一方、図１５ｃの場合、傾斜角βが約２３度であり、レンズ３００ａを出射するビーム線はレンズ３００ａの内部で内部全反射をして反対側の側面を介して出射した。この時の角γは、３９度であった。したがって、レンズの中心軸に対する出射角（９０−γ）は、５１度である。
前記シミュレーションを、様々な角度に対して実行し、レンズ下部面の斜面の様々な傾斜角βに沿ったビーム線の角γを算出し、図１６ａのグラフで示し、図１６ａのグラフを光出射角（９０−γ）に変換して図１６ｂのグラフに示した。
図１６ａまたは図１６ｂを参照すると、傾斜角βを増加させることにより、角γが徐々に増加し、傾斜角βが約２０度を超える場合、図１５ｃのように、レンズ内部で光の内部全反射が発生することがわかる。一方、傾斜角βが５度未満で、傾斜角βが増加するにつれて、角γが緩やかに増加するが、傾斜角βが５度を超えたときに、角γが相対的に急激に増加し、１５度以上ではほぼ直線に収斂した。
前記シミュレーション結果によれば、傾斜角βが２０度を超えた場合、レンズ３００ａの内部で内部全反射が発生するため、光の損失が発生した場合、また、出射角（９０−γ）が７０度未満の値を有するため、光がレンズの中心軸の近くに集束されて均一な光を実現することを阻む。
一方、傾斜角βが約１０度２０度である場合、ビーム線は、内部全反射せずにレンズの側面を介して外部に出射するが、出射角（９０−γ）が７０度未満の値を有するため、光がレンズの中心軸の近くに集束されて均一な光を実現することを阻む。
これに比べ、傾斜角βが１０度未満の場合、出射角（９０−γ）が約７０度を超えるため、光を広く分散させることができ、好ましい。
フリップチップ型発光ダイオードチップが回路基板上に直接実装されるため、パッケージ基板を用いる従来の発光素子と比較して、発光素子の大きさを減少させることができる。これにより、発光モジュールをスリム化することができる。さらに、発光素子２００ａの大きさが小さいので、レンズ３００ａの凹部３２０のサイズを減らすことができる。さらに、レンズ３００ａの全体の高さを減少させることができる。
以上、様々な実施例について説明したが、本発明は、特定の実施例に限定されるものではない。また、特定の実施例で説明した構成要素は、本発明の思想を外れない限り、他の実施例で同一、または類似して適用されることができる。
本発明の思想及び範囲を外れない限り、様々な変更及び変形等が可能であるのは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明は、それらが添付された請求項及びその均等物の範囲内にある場合は、本発明の変更及び変形を網羅するように意図される。
Claims (17)
- 回路基板と、
前記回路基板上に位置する発光素子と、
前記発光素子から放出された光を分散させ、前記基板上に位置するレンズと、を含み、
前記レンズは、前記発光素子から放出された光が入射される入射面を有する凹部と、前記凹部を含む第１面と、前記凹部の入射面に入射された光が出射される第２面と、を含み、
前記レンズの第１面は、前記凹部を囲む平らな面、及び前記平らな面を囲む斜面であり、
前記斜面は、前記平らな面に対して約１０度以下の傾斜になり、前記平らな面から上に向かって傾き、
前記発光素子は、前記凹部内に配置される
発光モジュール。 - 前記発光素子は、チップレベル発光素子を含む請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記チップレベル発光素子は、前記回路基板上に直接実装される請求項２に記載の発光モジュール。
- 前記チップレベル発光素子は、
発光ダイオードチップ及び前記発光ダイオードチップ上に位置する波長変換層を含み、
前記波長変換層は、前記発光ダイオードチップの少なくとも二面上に位置する請求項２に記載の発光モジュール。 - 前記レンズの凹部の入口幅は、前記発光素子の幅より大きい請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの凹部の入口幅は、前記発光素子の幅の２倍以下である請求項５に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの凹部の入口幅は３ｍｍ以下である請求項５に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの入射面は、前記凹部の内面である請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの入射面は、上面、及び前記上面から前記凹部の入口まで続く側面を含む請求項８に記載の発光モジュール。
- 前記凹部は、その入口から前記上面まで、上にいくほど幅が狭くなる形状を含む請求項９に記載の発光モジュール。
- 前記側面は、前記入口から前記上面まで一定の傾きを有する斜面、または前記入口から前記上面まで傾きが減少する屈曲した斜面を含む請求項１０に記載の発光モジュール。
- 前記上面は平らな面、凹面、または凸面を含む請求項９に記載の発光モジュール。
- 前記上面は、光散乱パターンを含む請求項９に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの第２面は、前記レンズの中心軸の近くに位置する凹面、及び前記凹面から延長される凸面を含む請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記レンズの第２面は、前記レンズの中心軸の近くに位置する平らな面、及び前記平らな面から延長される凸面を含む請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記回路基板上に位置する反射シートをさらに含む請求項１に記載の発光モジュール。
- 前記レンズは、前記斜面上に位置する橋部をさらに含み、前記橋部は、前記回路基板上に付着される請求項１に記載の発光モジュール。
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