JP7053841B2 - 蛍光体発光面の面積が低減されたセグメントledアレイアーキテクチャ - Google Patents

蛍光体発光面の面積が低減されたセグメントledアレイアーキテクチャ Download PDF

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Description

発光ダイオード(light emitting diodes,LED)、共振空洞発光ダイオード(resonant cavity light emitting diodes,RCLED)、垂直共振器レーザダイオード(vertical cavity laser diodes,VCSEL)、及び端面発光レーザ(edge emitting lasers)を含む半導体発光デバイスは、現在入手可能な、最も効率的な光源に入る。可視スペクトルにわたって動作可能な高輝度発光デバイスの製造において目下関心が持たれている材料系には、III-V族半導体、特に、III族窒化物とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の2元、3元、及び4元合金が含まれる。
通常、III族窒化物半導体デバイスは、有機金属気相成長法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)、分子線エピタキシー法(molecular beam epitaxy,MBE)、又は他のエピタキシャル技術によって、サファイア、炭化ケイ素、III族窒化物、又は他の適切な基板の上に異なる組成及びドーパント濃度の半導体レイヤのスタックをエピタキシャル成長させることで、作製される。スタックはしばしば、基板の上に形成された、例えばシリコンをドープされた1つ以上のn型層と、n型層の上に形成されたアクティブ領域内の1つ以上の発光層と、アクティブ領域の上に形成された、例えばマグネシウムをドープされた1つ以上のp型層とを含む。n型及びp型領域の上には電気コンタクトが形成される。
デバイスは、エピタキシャル層の上に波長変換層を含んでよい。波長変換層は、エピタキシャル層の幅に等しい幅を有する第1表面と、第1表面の幅よりも狭い幅を有する第2表面と、角度をつけられた側壁とを含んでよい。角度をつけられた側壁及びエピタキシャル層の側壁の上には、波長変換層の第2表面が露出されるように共形非発光層が形成されてよい。
より詳細な理解は、添付の図面とともに例として与えられている以下の説明から得られる。
LEDアレイの上面図を分解図とともに表す。 溝を備えたLEDアレイの断面図である。 溝を備えた他のLEDアレイの斜視図である。 ピクセルの断面図である。 予め形成されている波長変換層がエピタキシャル層の上に形成されることを示す。 波長変換層がエピタキシャル層に適用されることを示す。 波長変換層及びエピタキシャル層の上での非発光層の形成を示す。 波長変換層の上面を露出するよう非発光層の一部を除去することを示す。 成長基板がエピタキシャル層の上に残されている図1D~1Hの代替例を示す。 波長変換層がエピタキシャル層の上に形成されることを示す。 波長変換層がエピタキシャル層に適用されることを示す。 角度をつけられた側壁を形成するよう波長変換層の部分が除去されることを示す。 波長変換層及びエピタキシャル層の上での非発光層の形成を示す。 波長変換層の上面を露出するよう非発光層の一部を除去することを示す。 エピタキシャル層の上面の上に直接波長変換層を形成することを示す。 角度をつけられた側壁を形成するよう波長変換層の部分が除去されることを示す。 波長変換層及びエピタキシャル層の上での非発光層の形成を示す。 波長変換層の上面を露出するよう非発光層の一部を除去することを示す。 エピタキシャル層の上に波長変換層を形成する他の例を表す断面図である。 波長変換層をピクセルに貼り付けることを示す。 第2側壁を有する溝を形成するようピクセル間の溝を覆う波長変換層の部分を除去する任意のステップを示す。 溝を覆う波長変換層の部分を完全に除去する任意のステップを示す。 デバイスを形成する方法を説明するフローチャートである。 一実施形態で、LEDデバイス取り付け領域でLEDアレイが基板に取り付けられている電子ボードの上面図である。 電子部品が回路ボードの2つの面に実装されている2チャンネル集積LED照明システムの一実施形態の図である。 例となる車両ヘッドランプシステムである。 例となる照明システムを示す。
種々の光照射システム及び/又は発光ダイオード(“LED”)の実施例が、添付の図面を参照して以降で更に十分に説明される。これらの例は相互排他的ではなく、1つの例で見られる特徴は、更なる実施を実現するように、1つ以上の他の例で見られる特徴と組み合わされてもよい。従って、添付の図面に示されている例は、単に例示のために与えられており、それらは、決して本開示を制限するよう意図されないことが理解されるだろう。同じ番号は、全体を通して同じ要素を参照する。
「第1」、「第2」、「第3」などの語が様々な要素を記載するために本明細書中で使用されることがあるが、これらの要素は、それらの語によって制限されるべきではないことが理解されるだろう。それらの語は、1つの要素を他と区別するために使用され得る。例えば、本発明の範囲を逸脱せずに、第1要素は第2要素と称されてもよく、第2要素は第1要素と称されてもよい。本明細書中で使用されるように、語「及び/又は」は、関連する列挙されたアイテムのうちの1つ以上のありとあらゆる組み合わせを含み得る。
層、領域、又は基板などの要素が他の要素の“上に”あると、又は“上に”延在すると言及される場合に、それは他の要素の上に直にあるか、又はその上に直接に延在してよく、あるいは、介在する要素が存在してもよいことが理解されるだろう。対照的に、要素が他の要素の“上に直に”あると、又は“上に直接に”延在すると言及される場合には、介在する要素は存在し得ない。また、要素が他の要素へ“接続”又は“結合”されると言及される場合に、それは他の要素へ直接に接続若しくは結合されてよく、及び/又は1つ以上の介在要素を経由して他の要素へ接続若しくは結合されてよいことが理解されるだろう。対照的に、要素が他の要素へ“直接に接続”又は“直接に結合”されると言及される場合には、その要素と他の要素との間に介在要素は存在しない。これらの語は、図に表されている任意の向きに加えて、要素の種々の向きを包含するよう意図されることが理解されるだろう。
「~より下に」(below)、「~より上に」(above)、「上位の」(upper)、「下位の」(lower)、「水平な」(horizontal)又は「垂直な」(vertical)などの相対語は、図に表されいてる他の要素、層、又は領域に対する1つの要素、層、又は領域の関係を説明するために本明細書中で使用されることがある。これらの語は、図に表されている任意の向きに加えて、要素の種々の向きを包含するよう意図されることが理解されるだろう。
紫外線(UV)又は赤外線(IR)光出力を発するデバイスなどの半導体発光デバイス(LED)又は光出力放射デバイスは、現在入手可能な、最も効率的な光源に入る。これらのデバイス(以降「LED」)には、発光ダイオード(LED)、共振空洞発光ダイオード(RCLED)、垂直共振器レーザダイオード(VCSEL)、及び端面発光レーザ、などが含まれ得る。それらのコンパクトなサイズ及び低い電力要件により、例えば、LEDは、多種多様な用途にとって魅力的な候補となる。例えば、それらは、カメラ及び携帯電話機などの手持ち式のバッテリ駆動型デバイスのための光源(例えば、フラッシュ光及びカメラフラッシュ)として使用されることがある。それらはまた、例えば、自動車照明、ヘッドアップディスプレイ(HUD)照明、園芸用照明、街灯、ビデオ用のトーチ、一般的な照明(例えば、家、店、オフィス及びスタジオ照明、劇場/ステージ照明並びに建築照明)、拡張現実(AR)照明、仮想現実(VR)照明、ディスプレイ用バックライト、及びIRスペクトロスコピーのためにも使用されることがある。単一のLEDは、白熱光源よりも輝度が弱い光しか供給できないので、LEDの多接合デバイス又はアレイ(例えば、モノリシックLEDアレイ、マイクロLEDアレイ、など)が、更なる輝度が望まれる又は必要とされる用途のために使用されてよい。
開示される対象の実施形態に従って、LEDアレイ(例えば、マイクロLEDアレイ)は、図1A、図1B、及び/又は図1Cに示されるようなピクセルのアレイを含んでよい。LEDアレイは、LEDアレイセグメントの正確な制御を必要とする用途などのあらゆる用途にも使用され得る。LEDアレイ内のピクセルは、個別的にアドレッシング可能であってよく、グループ/サブセットにおいてアドレッシング可能であってよく、あるいは、アドレッシング可能でなくてもよい。図1Aには、ピクセル111を含むLEDアレイ110の上面図が示されている。LEDアレイ110の3×3部分の分解図も図1Aに示されている。3×3部分の分解図に示されるように、LEDアレイ110は、約100μm以下(例えば、40μm)の幅wを有するピクセル111を含んでよい。ピクセル間のレーン113は、約20μm以下(例えば、5μm)の幅wによって離されてよい。レーン113は、図1B及び図1Cに示されて本明細書中で更に開示されるように、ピクセル間に空隙を設けてよく、あるいは、他の材料を含んでもよい。1つのピクセル111の中心から隣のピクセル111の中心までの距離Dは、約120μm以下(例えば、45μm)であってよい。本明細書中で与えられている幅及び距離は、単なる例であり、実際の幅及び/又は距離は異なり得ることが理解されるだろう。
対称なマトリクスで配置された長方形ピクセルが図1A、図1B及び図1Cには示されているが、如何なる形状及び配置のピクセルも、本明細書で開示される実施形態に適用されてよいことが理解されるだろう。例えば、図1AのLEDアレイ110は、100×100マトリクス、200×50マトリクス、対称マトリクス、非対称マトリクス、などのような如何なる適用可能な配置でも10000個超のピクセルを含んでよい。また、複数の組のピクセル、マトリクス、及び/又はボードが、本明細書で開示される実施形態を実装するよう如何なる適用可能なフォーマットでも配置されてよいことも理解されるだろう。
図1Bは、例となるLEDアレイ1000の断面図を示す。図示されるように、ピクセル1010、1020、及び1030は、分離セクション1041及び/又はn型コンタクト1040がピクセルを互いから分離するように、LEDアレイ内の3つの異なるピクセルに対応する。実施形態に従って、ピクセル間の空間は空隙によって占有されてよい。図示されるように、ピクセル1010はエピタキシャル層1011を含む。エピタキシャル層1011は、例えば、サファイア基板などの如何なる適用可能な基板上にも成長されてよく、サファイア基板は、エピタキシャル層1011から除去されてよい。コンタクト1015から遠位にある成長層の表面は、略平面であってよく、あるいは、パターニングされてもよい。p型領域1012がpコンタクト1017に近接して位置づけられてよい。アクティブ領域1021は、n型領域及びp型領域1012に隣接して配置されてよい。代替的に、アクティブ領域1021は、半導体層又はn型領域とp型領域1012との間にあってもよく、アクティブ領域1021が光ビームを発するように電流を受け得る。pコンタクト1017は、SiO2層1013及び1014並びにメッキ金属(例えば、メッキ銅)層1016に接してよい。n型コンタクト1040は、Cuなどの適用可能な金属を含んでよい。金属層1016はコンタクト1015と接してよく、コンタクト1015は反射性であってよい。
特に、図1Bに示されるように、n型コンタクト1040は、ピクセル1010、1020及び1030の間に作られた溝1130内に堆積されてよく、エピタキシャル層1011を越えて広がってよい。分離セクション1041は、変換材1050の全部(図示せず。)又は部分を分離してよい。LEDアレイは、そのような分離セクション1041なしで実装されてもよく、あるいは、分離セクション1041は、空隙に対応してよいことが理解されるだろう。分離セクション1041は、分離セクション1041がn型コンタクト1040と同じ材料(例えば、銅)から形成されるように、n型コンタクト1040の延長であってもよい。代替的に、分離セクション1041は、n型コンタクト1040とは異なる材料から形成されてもよい。実施形態に従って、分離セクション1041は、反射材料を含んでよい。分離セクション1041及び/又はn型コンタクト1040の材料は、例えば、n型コンタクト1040及び/又は分離セクション1041の堆積を含むか又は可能にするメッシュ構造を適用することなどの如何なる適用可能な様態でも堆積されてよい。変換材1050は、図2Aの波長変換層205と同様の特徴/特性を有してよい。本明細書中で述べられるように、1つ以上の追加の層が分離セクション1041をコーティングしてもよい。このような層は、反射層、散乱層、吸収層、又は何らかの他の適用可能な層であってよい。1つ以上の不動態化層1019が、nコンタクト1040をエピタキシャル層1011から完全に又は部分的に分離してもよい。
エピタキシャル層1011は、サファイア、SiC、GaN、シリコーンを含め、励起されると光子を放出する如何なる適用可能な材料からも形成されてよく、より具体的には、制限なしに、AlN、AlP、AlA、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InAs、InSbを含むIII-V半導体、制限なしに、ZnS、ZnSe、CdSe、CdTeを含むII-VI半導体、Ge、Si、SiCを含むIV族半導体、及びそれらの混合又は合金から形成されてもよい。これらの例となる半導体は、それらが存在するLEDの典型的な放射波長で約2.4から約4.1の範囲に及ぶ屈折率を有し得る。例えば、GaNなどのIII族窒化物半導体は、500nmで約2.4の屈折率を有することができ、InGaPなどのIII族リン化物半導体は、600nmで約3.7の屈折率を有することができる。LEDデバイス200へ結合されるコンタクトは、AuSn、AuGa、AuSi、又はSACソルダなどの半田から形成されてよい。
n型領域は、成長基板の上に成長されてよく、例えば、バッファ若しくは核生成層などの準備層、及び/又は成長基板の除去を容易にするよう設計された層を含め、種々の組成及びドーパント濃度を含む半導体材料の1つ以上の層を含んでよい。これらの層は、n型であっても、又は意図的にドープされなくてもよく、あるいは、p型デバイス層であってもよい。層は、発光領域が有効に光を放射するのに望ましい特定の光学的、物質的又は電気的な特性のために設計され得る。同様に、p型領域1012は、意図的にドープされていない層、又はn型層を含め、種々の組成、厚さ、及びドーパント濃度の複数の層を含んでよい。電流は、(コンタクトを介して)p-n接合を流れるように生じ、ピクセルは、材料のバンドギャップエネルギによって少なくとも部分的に決定される第1波長の光を生成し得る。ピクセルは、直接に光を放射してよく(例えば、正規又は直接放射LED)、あるいは、第2波長の光を出力ように放射光の波長を更に変更する動作する波長変換層1050に光を放射してもよい(例えば、蛍光体変換LED(phosphor converted LED)、“PCLED”など)。
図1Bは、例となる配置でピクセル1010、1020及び1030を有しているLED1000を例示しているが、LEDアレイ内のピクセルは、多数の配置の中の任意の1つにおいて設けられてよいことが理解されるだろう。例えば、ピクセルは、フリップチップ構造、垂直注入薄膜(vertical injection thin film,VTF)構造、マルチ接合構造、薄膜フリップチップ(thin film flip chip,TFFC)、ラテラル(lateral)デバイスなどにあってもよい。例えば、ラテラルLEDピクセルは、フリップチップLEDピクセルと同様であり得るが、基板又はパッケージへの電極の直接的な接続のために逆さまにひっくり返されなくてもよい。TFFCも、フリップチップLEDピクセルと同様であり得るが、成長基板を除去されていることがある(薄膜半導体層を支持されないまま残す)。対照的に、成長基板又は他の基板は、フリップチップLEDの部分として含まれ得る。
波長変換層1050は、アクティブ領域1021によって発せられる光の経路内にあってよく、それにより、アクティブ領域1021によって発せられた光は1つ以上の中間装置(例えば、フォトニック層)を通って横断し得る。実施形態に従って、波長変換層1050はLEDアレイ1000に存在しなくてもよい。波長変換層1050は、例えば、透明又は半透明のバインダ又はマトリクス内の蛍光体粒子、又は1つの波長の光を吸収し別の波長の光を発するセラミック蛍光体要素などの、如何なる発光材料も含んでよい。波長変換層1050の厚さは、LEDアレイ1000又は個々のピクセル1010、1020及び1030が配置される用途/波長又は使用材料に基づき決定されてよい。例えば、波長変換層1050は、約20μm、50μm、又は200μmであってよい。波長変換層1050は、図示されるように、夫々の個別ピクセルの上に設けられてよく、あるいは、LEDアレイ1000全体を覆って設置されてもよい。
プライマリオプティック1022は、1つ以上のピクセル1010、1020及び/又は1030の上にあるか又はそれらを覆ってよく、光がアクティブ領域1021及び/又は波長変換層1050からプライマリオプティック1022を通ることを可能にし得る。プライマリオプティック1022を経由した光は、一般的に、ランバート分布(Lambertian distribution)パターンに基づき放射され得る。それによりプライマリオプティック1022を経由して放射される光の光度は、理想的な拡散放射体から観測される場合に、入射光の方向と表面法線との間の角度のコサインに直接比例する。プライマリオプティック1022の1つ以上の特性は、ランバート分布パターンとは異なる光分布パターンを生じるよう変更されてよいことが理解されるだろう。
レンズ1065及び導波路1062の一方又は両方を含むセカンダリオプティックが、ピクセル1010、1020、及び/又は1030とともに設けられてもよい。セカンダリは、複数のピクセルを有する図1Bに示された例に従って説明されるが、セカンダリオプティックは、単一のピクセルの場合に設けられてもよいこと理解されるだろう。セカンダリオプティックは、入来する光を広げるために(散開オプティック)、又は入来する光を平行ビームに集めるために(コリメートオプティック)、使用されてよい。導波路1062は、誘電材料、メタライゼーション層、などによりコーティングされてよく、入射光を反射するか又は向け直すよう設けられてよい。代替の実施形態では、照明システムは、次のもの:波長変換層1050、プライマリオプティック1022、導波路1062及びレンズ1065、のうちの1つ以上を含まなくてもよい。
レンズ1065は、例えば、制限なしに、SiC、酸化アルミニウム、ダイヤモンド、など又はそれらの組み合わせのような、如何なる適用可能な透明材料からも形成されてよい。レンズ1065は、レンズ1065に入力される光のビームを変更して、レンズ1065からの出力ビームが所望の光度使用を有効に満足するようにするために使用されてよい。更には、レンズ1065は、例えば、複数のLEDデバイス200Bの点灯及び/又は非点灯を決定することによって、1つ以上の審美的目的を果たし得る。
図1Cは、LEDアレイ1100の3次元図の断面を示す。図示されるように、LEDアレイ1100内のピクセルは、nコンタクト1140を形成するよう満たされている溝によって分離されてよい。ピクセルは、基板1114の上に成長されてよく、pコンタクト1113、p-GaN半導体層1112、アクティブ領域1111、及びn-Gan半導体層1110を含んでよい。この構造は、単に例として与えられており、1つ以上の半導体又は他の適用可能な層が、本明細書中で提供される開示を実施するよう付加され、削除され、又は部分的に付加若しくは削除されてよいことが理解されるだろう。半導体層1110(又は他の適用可能な層)の上には、変換材1117が堆積されてよい。
不動態化層1115が溝1130内に形成されてよく、nコンタクト1140(例えば、銅コンタクト)は、図示されるように、溝1130内に堆積されてよい。不動態化層1115は、nコンタクトの少なくとも一部を半導体の1つ以上の層から分離し得る。実施形態に従って、溝内のnコンタクト1140又は他の適用可能な材料は、nコンタクト1140又は他の適用可能な材料がピクセル間の完全又は部分的な光学的アイソレーションを提供するように、変換材1117内に及んでよい。
小さいアドレッシング可能な光LEDピクセルシステムを製造することは、ピクセルサイズに起因してコストがかかりかつ困難であり得る。ピクセル間の光クロストークは深刻な問題となり、ピクセルごとに所望の輝度を達成することは困難であり得る。続く説明は、LEDピクセル間の光クロストークを制限しながら、輝度を選択的に増大させる方法を含む。これは、半導体メサ自体よりも小さい面積を有している発光体デバイスの半導体メサに蛍光体キャップを取り付けることによって達成され得る。半導体メサの残りのエリアは、反射又は吸収層によりコーティングされ得る。
これより図1Dを参照すると、1つ以上のピクセル111の断面図が示されている。図1Dは、薄膜フリップチップデバイスを表すが、他のタイプのデバイス、例えば、n型コンタクト層及びp型コンタクト層がデバイスの両面に形成される垂直デバイス、両方のコンタクトがデバイスの同じ面に形成され、光がそれらのコンタクトを通って取り出されるデバイス、又は成長基板がデバイスの部分として残るフリップチップデバイスなどが、使用されてもよい。
各ピクセル111はエピタキシャル層122を含んでよい。エピタキシャル層122は1つの層として示されているが、それは、様々な組成の1つ以上の層を含んでもよい。エピタキシャル層122は、n型領域、発光又はアクティブ領域、及びp型領域を含んでよい。エピタキシャル層122は、図1Iに示されるように成長基板123の上に成長されてよい。成長基板123は、例えば、サファイア、SiC、GaN、Si、サファイアなどの成長基板の上に成長したひずみ軽減テンプレート、又は例えば、サファイアホストに接合されたInGaシード層などの複合基板を構成してよい。成長基板123は、各ピクセル111から放射される光に対して実質的に透過であり得る。一例において、成長基板123は、ピクセル111を形成するようエピタキシャル層122から取り除かれてよい。他の例では、図1Iに示されるように、成長基板123は、エピタキシャル層122に残ってもよい。
n型領域は最初に成長されてよく、例えば、n型であっても又は意図的にドープされていなくてもよいバッファ層又は核生成層などの準備層、基板除去後の半導体構造の薄化又は複合基板の後の剥離を助けるよう設計されたリリース層、及び発光領域が有効に光を発するのに望ましい特定の光学又は電気特性のために設計されたn型又はp型デバイス層を含め、異なる組成及びドーパント濃度の複数の層を含んでよい。発光又はアクティブ領域は、n型領域の上に成長されてよい。適切な発光領域の例には、単一の厚い若しくは薄い発光層、又はバリア層によって分離された複数の薄い若しくは厚い量子井戸発光層を含む複数の量子井戸発光領域が含まれる。p型領域は、発光領域の上に成長されてよい。n型領域と同様に、p型領域は、意図的にドープされていない層又はn型層を含め、異なる組成、厚さ、及びドーパント濃度の複数の層を含んでよい。
pコンタクト層124は、エピタキシャル層122のp型領域と接して形成されてよい。pコンタクト層124は、銀などの反射層を含んでよい。pコンタクト層124は、オーミック接触層及び、例えば、チタニウム及び/又はタングステンを含む保護シート層といった、他の任意の層を含んでもよい。図1Dには示されていないが、pコンタクト層124、p型領域及びアクティブ領域の一部は、nコンタクト層が形成され得るn型領域の部分を露出するよう除去されてもよい。
ピクセル111は、溝128によって他のピクセル111から分離されてよい。溝128は、エピタキシャル層122の厚さ全体に及んでよく、隣接するセグメントを電気的に絶縁するよう各ピクセル111間で形成され得る。溝128は、プラズマ強化化学蒸着(plasma enhanced chemical vapor deposition)によって形成される窒化ケイ素又は酸化ケイ素などの誘電材料により満たされてよい。溝128は、例えば、ピクセル111の間に領域を生じさせるエピタキシャル層122を形成するために使用される半導体材料へのドーパント原子の注入によって形成される分離材を含んでよい。
インターコネクト(図1Dに図示せず。)は、pコンタクト層124並びにnコンタクト層及び/又はマウントの上に形成されてよい。インターコネクトは、半田又は他の金属などの如何なる適切な材料であってもよく、材料の複数の層を含んでもよい。ボンディング層126はpコンタクト層124の上に形成される。ボンディング層126は、導電金属、例えば、金又はその合金を含んでよい。ボンディング層126は、マウント120に実装されてよい。マウント120は、例えば、シリコン、セラミック、AlN、及びアルミナを含む如何なる適切な材料であってもよい。例において、ピクセル111とマウント120との間の接着は、超音波ボンディングによって形成されてよい。超音波ボンディング中、ピクセル111は、マウント120上で位置合わせされてよい。ボンドヘッドが、ピクセル111の上面上で、例えば、成長基板の上面上で、位置合わせされてよい。ボンドヘッドは、超音波トランスデューサへ接続されてよい。超音波トランスデューサは、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(lead zirconate titanate,PZT)レーザであってよい。
システムを高調波共振させる周波数(しばしば数十又は数百kHzの周波数)で電圧がトランスデューサへ印加されると、トランスデューサは振動し始め、ボンドヘッド及びピクセル111を、しばしば数ミクロの大きさの振幅で、振動させる。振動は、nコンタクト層、pコンタクト層124、又はnコンタクト層及びpコンタクト層の上に形成されたインターコネクトなどのピクセル111上の構造の金属光子内の原子を、マウント120上の構造と相互拡散させて、結果として、冶金的に連続的なジョイントが得られる。熱及び/又は圧力がボンディング中に加えられてもよい。
ピクセル111がマウント120に接着された後、成長基板(図示せず。)の全部又は部分は除去されてよい。例えば、サファイア成長基板又は、複合基板の部分であるサファイアホスト基板は、サファイア基板とのインターフェイスでIII族窒化物又は他の層のレーザ溶融によって除去され得る。エッチングなどの他の技術又は研磨などの機械技術は、除去される基板に応じて、使用されてよい。成長基板が除去された後、エピタキシャル層122は、例えば、光電気化学(PEC)エッチングによって、薄くされてよい。エピタキシャル層122のn型領域の露出面は、例えば、ラフニングによって、又はフォトニック結晶を形成することによって、パターン129を形成するようテクスチャード加工されてよい。パターン129は、パターニングされたサファイア基板上でエピタキシャル層122を成長させた結果であってもよい。
これより図1E~図1Hを参照すると、エピタキシャル層122の上に波長変換層130を形成する第1の例を表す断面図が示されている。図1Eは、予め形成されている波長変換層130がエピタキシャル層122の上に形成されることを示す。波長変換層130は、1つ以上の波長変換材を含んでよい。1つ以上の波長変換材は、例えば、シリコーン又はエポキシなどの透明材に堆積されかつスクリーン印刷又は刷り込みによってLEDの上に堆積された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、電気泳動析出、噴霧、沈降、蒸着、又はスパッタリングによって形成された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、ピクセル111に接着又は結合された1つ以上のセラミック蛍光体であってよい。波長変換材は、発光領域によって発せられた光の一部が波長変換材によって変換されないように形成されてよい。いくつかの例で、変換されない光は青色であってよく、変換される光は黄色、緑色、及び/又は赤色であってよく、それにより、デバイスから発せられる未変換及び変換光の組み合わせは、白色に見える。波長変換層130は、各ピクセル111の上に個別的に形成されてよい。
波長変換層130は、元素蛍光体又はその化合物を含んでよい。波長変換層130は、1つ以上の蛍光体を含んでよい。蛍光体は、励起エネルギ(通常は放射エネルギ)を吸収し、次いで、吸収されたエネルギを、最初の励起エネルギとは異なるエネルギの放射線として発する発光材料である。蛍光体は、100%に近い量子効率を有することができ、すなわち、励起エネルギとして供給されたほぼ全ての光子が、蛍光体によって再放出され得る。蛍光体はまた、吸収性が高い。発光アクティブ領域は、光を、効率が高く、吸収率も高い波長変換層130内に放射し得るので、蛍光体は、デバイスから光を効率的に取り出し得る。波長変換層130で使用される蛍光体は、如何なる従来の緑色、黄色、赤色発光蛍光体も含んでよいが、これらに限られない。
波長変換層130は、蛍光体粒子を含んでよい。蛍光体粒子は、アクティブ領域から発せられた光が蛍光体粒子に直接結合され得るように、エピタキシャル層122と直接接触し得る。光結合媒質が、蛍光体粒子を適所に保つよう設けられてもよい。光結合媒質は、エピタキシャル層122の屈折率を大幅に超えずに可能な限り近い屈折率を有するよう選択されてよい。最も効率的な動作のために、無損失媒質が、エピタキシャル層122、波長変換層130の蛍光体粒子、及び光結合媒質の間に含まれてもよい。蛍光体粒子は、0.1μmから20μmの間の粒子サイズを有してよい。
波長変換層130は、セラミック蛍光体であってよい。セラミック蛍光体は、蛍光体粒子の表面が軟化及び融解し始めるまで高圧で粉末蛍光体を加熱することによって形成され得る。部分的に融解した粒子は、粒子の硬質の塊を形成するよう結束され得る。予め形成されている“素地”(green body)の一軸又は等方加圧ステップ及び真空焼結は、多結晶セラミック層を形成するために必須であり得る。セラミック蛍光体の半透明性(すなわち、それが生じさせる散乱の量)は、加熱又は圧力条件、作製方法、使用される蛍光体粒子前駆体、及び蛍光体材料の適切な結晶格子を調整することによって、高い不透明性から高い透明性まで制御され得る。蛍光体に加えて、アルミナなどの他のセラミック形成材料が、例えば、セラミックの屈折率を調整するために、又はセラミックの形成を容易にするために、含まれてもよい。他の例では、波長変換層130は、シリコーン及び蛍光体粒子の混合を含んでもよい。
波長変換層130は、型(モールド)を用いて形成されてよく、あるいは、プレートから四角く切り取られ、エピタキシャル層122の上面134と幅が略同じである下面132を有するようにエッチングされてもよい。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面134の幅よりも小さい上面136を有してよい。一例では、上面136は、上面136がエピタキシャル層122の上面134の約80%から約90%である総面積を有するような幅を有してよい。波長変換層130は、上面136及び下面132を接続する側壁138を有し得る。側壁138は角度をつけられ得る。一例では、側壁138は、エピタキシャル層122の上面134に対して約30度から約60度の間の角度にされてよい。側壁138は、波長変換層130内の反射を減らすほど十分に大きく、かつ、波長変換層130を厚くする必要性を減らすほど十分に浅い角度を有し得る。反射及び厚さの両方ともが効率を低下させる可能性がある。
図1Fは、波長変換層130がエピタキシャル層122に適用されることを示す。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面134に貼り付けられる。一例では、波長変換層130は、当該技術で知られている接着剤又はエポキシを用いて貼り付けられてよい。ボンディング層126及びpコンタクト層124は、Hの高さを有してよい。エピタキシャル層122は、Hの高さを有してよい。波長変換層130は、Hの高さを有してよい。一例では、Hは、Hよりも約5倍大きくてよい。その上、Hは、Hよりも約6倍大きくてよい。例えば、Hは、約47μmであってよく、Hは、約6μmであってよく、Hは、約30μmであってよい。他の例では、Hは、Hにおおよそ等しくてもよい。例えば、Hは、約6μmであってよく、Hは、約10μmであってよい。他の例では、Hは、Hよりも10倍大きくてもよい。例えば、Hは、約6μmであってよく、Hは、約60μmであってよい。Hは、約25μmから約100μmの範囲であってよい。Hは、約3μmから約20μmの範囲であってよい。H3は、約5μmから約100μmの範囲であってよい。
図1Gは、波長変換層130及びエピタキシャル層122の上での非発光層140の形成を示す。非発光層140は、エピタキシャル層122及び波長変換層130によって発せられた光を反射又は吸収し得る。非発光層140は、分布ブラッグ反射(distributed Bragg reflector,DBR)層、反射材(例えば、TiO)、吸収材、などのような1つ以上の光学的アイソレーション物質を含んでよい。非発光層140は、ピクセル111間の光学的アイソレーションを改善し、かつ、波長変換層130の露出された上面136を減らすように、DBR、吸収材、レーザ黒化(laser blackened)エリア、及びメタライゼーションの組み合わせを含んでもよい。
非発光層140は、例えば、原子層堆積法(atomic layer deposition,ALD)などの共形堆積(conformal deposition)プロセスを用いて形成されてよい。非発光層140は、エピタキシャル層122の側壁142、波長変換層130の側壁138、及び波長変換層130の上面136の上に形成されてよい。波長変換層130の側壁138及びエピタキシャル層122の側壁142は、非発光層140によって部分的に又は完全に覆われてよい。非発光層140は、波長変換層130の側壁138から溝128を越えて他の波長変換層130の側壁138まで延在してもよい。他の例では、非発光層140は、波長変換層130が貼り付けられる前に、アイソレーション層及びエピタキシャル層122の上に形成されてもよい。
図1Hは、波長変換層130の上面136を露出するよう非発光層140の一部を除去することを示す。非発光層の部分は、例えば、平坦化(planarization)及び化学機械研磨(chemical mechanical planarization,CMP)などの従来の研磨技法を用いて除去されてよい。任意に、非発光層140の部分は、非発光層の部分125が上面136に残るように、従来のパターニング及びエッチングプロセスを用いて上面136から除去されてもよい。これらの部分125は、本明細書で記載される実施形態のいずれでも残ってよいことが留意されるべきである。
図1Iは、成長基板123がエピタキシャル層122の上に残されている図1D~図1Hの代替例を示す。上記と同様の処理ステップが、ピクセル111を形成し、波長変換層130を形成し、非発光層140を形成するために実行されてよい。この例で、波長変換層130は、成長基板123の上に形成されてよい。下面132は、成長基板123の上面135と同じ幅を有してよい。上面136は、成長基板123の上面135の幅よりも小さい幅を有してもよい。一例では、上面136は、上面136が成長基板123の上面135の約80%から約90%である総面積を有するような幅を有してよい。波長変換層130は、上面136及び下面132を接続する側壁138を有し得る。側壁138は角度をつけられ得る。一例では、側壁138は、成長基板123の上面135に対して約30度から約60度の間の角度にされてよい。側壁138は、波長変換層130内の反射を減らすほど十分に大きく、かつ、波長変換層130を厚くする必要性を減らすほど十分に浅い角度を有し得る。反射及び厚さの両方ともが効率を低下させる可能性がある。
成長基板123は、エピタキシャル層122の上に残ってもよく、本明細書で記載される実施形態のいずれにおいても、エピタキシャル層122と波長変換層130との間にあってよいことが留意されるべきである。
これより図1J~図1Nを参照すると、エピタキシャル層122の上に波長変換層130を形成する他の例を表す断面図が示されている。図1Jは、波長変換層130がエピタキシャル層122の上に形成されることを示す。波長変換層130は、1つ以上の波長変換材を含んでよい。1つ以上の波長変換材は、例えば、シリコーン又はエポキシなどの透明材に堆積されかつスクリーン印刷又は刷り込みによってLEDの上に堆積された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、電気泳動析出、噴霧、沈降、蒸着、又はスパッタリングによって形成された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、ピクセル111に接着又は結合された1つ以上のセラミック蛍光体であってよい。波長変換材は、発光領域によって発せられた光の一部が波長変換材によって変換されないように形成されてよい。いくつかの例で、変換されない光は青色であってよく、変換される光は黄色、緑色、及び/又は赤色であってよく、それにより、デバイスから発せられる未変換及び変換光の組み合わせは、白色に見える。波長変換層130は、各ピクセル111の上に個別的に形成されてよい。
波長変換層130は、元素蛍光体又はその化合物を含んでよい。波長変換層130は、1つ以上の蛍光体を含んでよい。蛍光体は、励起エネルギ(通常は放射エネルギ)を吸収し、次いで、吸収されたエネルギを、最初の励起エネルギとは異なるエネルギの放射線として発する発光材料である。蛍光体は、100%に近い量子効率を有することができ、すなわち、励起エネルギとして供給されたほぼ全ての光子が、蛍光体によって再放出され得る。蛍光体はまた、吸収性が高い。発光アクティブ領域は、光を、効率が高く、吸収率も高い波長変換層130内に放射し得るので、蛍光体は、デバイスから光を効率的に取り出し得る。波長変換層130で使用される蛍光体は、如何なる従来の緑色、黄色、赤色発光蛍光体も含んでよいが、これらに限られない。
波長変換層130は、蛍光体粒子を含んでよい。蛍光体粒子は、アクティブ領域から発せられた光が蛍光体粒子に直接結合され得るように、エピタキシャル層122と直接接触し得る。光結合媒質が、蛍光体粒子を適所に保つよう設けられてもよい。光結合媒質は、エピタキシャル層122の屈折率を大幅に超えずに可能な限り近い屈折率を有するよう選択されてよい。最も効率的な動作のために、無損失媒質が、エピタキシャル層122、波長変換層130の蛍光体粒子、及び光結合媒質の間に含まれてもよい。蛍光体粒子は、0.1μmから20μmの間の粒子サイズを有してよい。
波長変換層130は、セラミック蛍光体であってよい。セラミック蛍光体は、蛍光体粒子の表面が軟化及び融解し始めるまで高圧で粉末蛍光体を加熱することによって形成され得る。部分的に融解した粒子は、粒子の硬質の塊を形成するよう結束され得る。予め形成されている“素地”(green body)の一軸又は等方加圧ステップ及び真空焼結は、多結晶セラミック層を形成するために必須であり得る。セラミック蛍光体の半透明性(すなわち、それが生じさせる散乱の量)は、加熱又は圧力条件、作製方法、使用される蛍光体粒子前駆体、及び蛍光体材料の適切な結晶格子を調整することによって、高い不透明性から高い透明性まで制御され得る。蛍光体に加えて、アルミナなどの他のセラミック形成材料が、例えば、セラミックの屈折率を調整するために、又はセラミックの形成を容易にするために、含まれてもよい。他の例では、波長変換層130は、シリコーン及び蛍光体粒子の混合を含んでもよい。波長変換層130は、型(モールド)を用いて形成されるか、あるいは、プレートから四角く切り取られてよい。
図1Kは、波長変換層130がエピタキシャル層122に適用されることを示す。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面134に貼り付けられる。一例では、波長変換層130は、当該技術で知られている接着剤又はエポキシを用いて貼り付けられてよい。
図1Lは、角度をつけられた側壁150を形成するように波長変換層130の部分が除去されることを示す。波長変換層130の部分は、従来のエッチング又は研磨プロセスを用いて除去されてよい。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面144と幅が略同じである下面146を有するようにエッチングされてよい。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面144の幅よりも小さい上面148を有してよい。一例では、上面148は、上面148がエピタキシャル層122の上面144の約80%から約90%である総面積を有するような幅を有してよい。波長変換層130は、上面148及び下面146を接続する側壁150を有し得る。側壁150は角度をつけられ得る。一例では、側壁150は、エピタキシャル層122の上面144に対して約30度から約60度の間の角度にされてよい。側壁150は、波長変換層130内の反射を減らすほど十分に大きく、かつ、波長変換層130を厚くする必要性を減らすほど十分に浅い角度を有し得る。反射及び厚さの両方ともが効率を低下させる可能性がある。
波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上で対称に中心を置かれ得る。他の例では、波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上でその位置に関して非対称であってもよい。上面148は、エピタキシャル層122と比較して、形状が同じようであるが、サイズが小さいエリアを有してよい。他の例では、波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122と比較して、形状が異なりかつサイズが小さいエリアを有してもよい。例えば、波長変換層130の上面148は、四角いエピタキシャル層122の上で、円形、三角形又は六角形であるエリアを有してよい。波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144に対して傾けられてよい。これは、側面(side-directed)照射を可能にし得る。波長変換層130の上面148は、照明用途によって必要とされるように、異なるピクセル111で異なる形状を有してもよい。例えば、高い輝度を有するアレイの中心にあるピクセル111での波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144よりも小さく、一方、アレイの端にあるピクセル111での波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144と同じ(又はそれよりも大きい)サイズであってよい。
効率は、波長変換層130の上面148での組み込まれた量子ドット材の使用を通じて高められ得る。代替的に、レンズ、金属レンズ、光導体、又は他の光学要素が、放射された光を方向づけるように波長変換層130の上面148の上に位置づけられ得る。
波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上で対称に中心を置かれ得る。他の例では、波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上でその位置に関して非対称であってもよい。上面148は、エピタキシャル層122と比較して、形状が同じようであるが、サイズが小さいエリアを有してよい。他の例では、波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122と比較して、形状が異なりかつサイズが小さいエリアを有してもよい。例えば、波長変換層130の上面148は、四角いエピタキシャル層122の上で、円形、三角形又は六角形であるエリアを有してよい。波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144に対して傾けられてよい。これは、側面(side-directed)照射を可能にし得る。波長変換層130の上面148は、照明用途によって必要とされるように、異なるピクセル111で異なる形状を有してもよい。例えば、高い輝度を有するアレイの中心にあるピクセル111での波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144よりも小さく、一方、アレイの端にあるピクセル111での波長変換層130の上面148は、エピタキシャル層122の上面144と同じ(又はそれよりも大きい)サイズであってよい。
効率は、波長変換層130の上面148での組み込まれた量子ドット材の使用を通じて高められ得る。代替的に、レンズ、金属レンズ、光導体、又は他の光学要素が、放射された光を方向づけるように波長変換層130の上面148の上に位置づけられ得る。
図1Mは、波長変換層130及びエピタキシャル層122の上での非発光層140の形成を示す。非発光層140は、エピタキシャル層122及び波長変換層130によって発せられた光を反射又は吸収し得る。非発光層140は、分布ブラッグ反射(DBR)層、反射材、吸収材、などのような1つ以上の光学的アイソレーション物質を含んでよい。非発光層140は、ピクセル111間の光学的アイソレーションを改善し、かつ、波長変換層130の露出された上面148を減らすように、DBR、吸収材、レーザ黒化(laser blackened)エリア、及びメタライゼーションの組み合わせを含んでもよい。
非発光層140は、例えば、原子層堆積法(ALD)などの共形堆積(conformal deposition)プロセスを用いて形成されてよい。非発光層140は、エピタキシャル層122の側壁152、波長変換層130の側壁150、及び波長変換層130の上面148の上に形成されてよい。波長変換層130の側壁150及びエピタキシャル層122の側壁152は、非発光層140によって部分的に又は完全に覆われてよい。非発光層140は、波長変換層130の側壁150から溝128を越えて他の波長変換層130の側壁150まで延在してもよい。他の例では、非発光層140は、波長変換層130が貼り付けられる前に、アイソレーション層及びエピタキシャル層122の上に形成されてもよい。
図1Nは、波長変換層130の上面148を露出するよう非発光層140の一部を除去することを示す。非発光層の部分は、例えば、平坦化(planarization)及び化学機械研磨(CMP)などの従来の研磨技法を用いて除去されてよい。
これより図1O~図1Rを参照すると、エピタキシャル層122の上に波長変換層130を形成する他の例を表す断面図が示されている。図1Oは、エピタキシャル層122の上面154上に直接波長変換層130を形成することを示す。
波長変換層130は、1つ以上の波長変換材を含んでよい。1つ以上の波長変換材は、例えば、シリコーン又はエポキシなどの透明材に堆積されかつスクリーン印刷又は刷り込みによってLEDの上に堆積された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、電気泳動析出、噴霧、沈降、蒸着、又はスパッタリングによって形成された1つ以上の粉末蛍光体であってよい。1つ以上の波長変換材は、ピクセル111に接着又は結合された1つ以上のセラミック蛍光体であってよい。波長変換材は、発光領域によって発せられた光の一部が波長変換材によって変換されないように形成されてよい。いくつかの例で、変換されない光は青色であってよく、変換される光は黄色、緑色、及び/又は赤色であってよく、それにより、デバイスから発せられる未変換及び変換光の組み合わせは、白色に見える。波長変換層130は、各ピクセル111の上に個別的に形成されてよい。
波長変換層130は、元素蛍光体又はその化合物を含んでよい。波長変換層130は、1つ以上の蛍光体を含んでよい。蛍光体は、励起エネルギ(通常は放射エネルギ)を吸収し、次いで、吸収されたエネルギを、最初の励起エネルギとは異なるエネルギの放射線として発する発光材料である。蛍光体は、100%に近い量子効率を有することができ、すなわち、励起エネルギとして供給されたほぼ全ての光子が、蛍光体によって再放出され得る。蛍光体はまた、吸収性が高い。発光アクティブ領域は、光を、効率が高く、吸収率も高い波長変換層130内に放射し得るので、蛍光体は、デバイスから光を効率的に取り出し得る。波長変換層130で使用される蛍光体は、如何なる従来の緑色、黄色、赤色発光蛍光体も含んでよいが、これらに限られない。
波長変換層130は、蛍光体粒子を含んでよい。蛍光体粒子は、アクティブ領域から発せられた光が蛍光体粒子に直接結合され得るように、エピタキシャル層122と直接接触し得る。光結合媒質が、蛍光体粒子を適所に保つよう設けられてもよい。光結合媒質は、エピタキシャル層122の屈折率を大幅に超えずに可能な限り近い屈折率を有するよう選択されてよい。最も効率的な動作のために、無損失媒質が、エピタキシャル層122、波長変換層130の蛍光体粒子、及び光結合媒質の間に含まれてもよい。蛍光体粒子は、0.1μmから20μmの間の粒子サイズを有してよい。
波長変換層130は、例えば、化学蒸着(chemical vapor deposition,CVD)、プラズマ強化化学蒸着(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、有機金属気相成長法(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)、ALD、蒸着、反応性スパッタリング、化学溶液堆積、スピンオン堆積、又は他の同様のプロセスなどの従来の堆積技法を用いて形成されてよい。
波長変換層130は、電気泳動析出、スピンコーティング、スプレーコーティング、スクリーン印刷、又は他の印刷技法を用いて形成されてもよい。スピンコーティング又はスプレーコーティングなどの技法では、蛍光体は、有機結合剤を含むスラリーにおいて処理され、次いで、例えば、加熱することによって、スラリーの沈澱後に蒸発され得る。任意に、光結合媒質が次いで適用されてもよい。蛍光体粒子は、それ自体ナノ粒子であってよい(すなわち、サイズが100nmから1000nmの範囲にある粒子)。通常は噴霧熱分解法又は他の方法によって生成される球状の蛍光体粒子が、適用可能であって、有利な散乱特性をもたらす高パッケージ密度の層が得られる。また、蛍光体粒子は、例えば、SiO、Al、MePO若しくはポリリン塩酸、又は他の適切な金属酸化物などの、蛍光体によって発せられる光よりも大きいバンドギャップを有する物質により、コーティングされてよい。波長変換層130がエピタキシャル層122の上面154のしか形成されないことを確かにするために、マスク層が使用されててもよい。
図1Pは、角度をつけられた側壁160を形成するように波長変換層130の部分が除去されることを示す。波長変換層130の部分は、従来のエッチング又は研磨プロセスを用いて除去されてよい。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面154と幅が略同じである下面156を有するようにエッチングされてよい。波長変換層130は、エピタキシャル層122の上面154の幅よりも小さい上面158を有してよい。一例では、上面158は、上面158がエピタキシャル層122の上面154の約80%から約90%である総面積を有するような幅を有してよい。波長変換層130は、上面158及び下面156を接続する側壁160を有し得る。側壁160は角度をつけられ得る。一例では、側壁160は、エピタキシャル層122の上面154に対して約30度から約60度の間の角度にされてよい。側壁160は、波長変換層130内の反射を減らすほど十分に大きく、かつ、波長変換層130を厚くする必要性を減らすほど十分に浅い角度を有し得る。反射及び厚さの両方ともが効率を低下させる可能性がある。
波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上で対称に中心を置かれ得る。他の例では、波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上でその位置に関して非対称であってもよい。上面158は、エピタキシャル層122と比較して、形状が同じようであるが、サイズが小さいエリアを有してよい。他の例では、波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122と比較して、形状が異なりかつサイズが小さいエリアを有してもよい。例えば、波長変換層130の上面158は、四角いエピタキシャル層122の上で、円形、三角形又は六角形であるエリアを有してよい。波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154に対して傾けられてよい。これは、側面(side-directed)照射を可能にし得る。波長変換層130の上面158は、照明用途によって必要とされるように、異なるピクセル111で異なる形状を有してもよい。例えば、高い輝度を有するアレイの中心にあるピクセル111での波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154よりも小さく、一方、アレイの端にあるピクセル111での波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154と同じ(又はそれよりも大きい)サイズであってよい。
効率は、波長変換層130の上面158での組み込まれた量子ドット材の使用を通じて高められ得る。代替的に、レンズ、金属レンズ、光導体、又は他の光学要素が、放射された光を方向づけるように波長変換層130の上面158の上に位置づけられ得る。
波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上で対称に中心を置かれ得る。他の例では、波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上でその位置に関して非対称であってもよい。上面158は、エピタキシャル層122と比較して、形状が同じようであるが、サイズが小さいエリアを有してよい。他の例では、波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122と比較して、形状が異なりかつサイズが小さいエリアを有してもよい。例えば、波長変換層130の上面158は、四角いエピタキシャル層122の上で、円形、三角形又は六角形であるエリアを有してよい。波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154に対して傾けられてよい。これは、側面(side-directed)照射を可能にし得る。波長変換層130の上面158は、照明用途によって必要とされるように、異なるピクセル111で異なる形状を有してもよい。例えば、高い輝度を有するアレイの中心にあるピクセル111での波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154よりも小さく、一方、アレイの端にあるピクセル111での波長変換層130の上面158は、エピタキシャル層122の上面154と同じ(又はそれよりも大きい)サイズであってよい。
効率は、波長変換層130の上面158での組み込まれた量子ドット材の使用を通じて高められ得る。代替的に、レンズ、金属レンズ、光導体、又は他の光学要素が、放射された光を方向づけるように波長変換層130の上面158の上に位置づけられ得る。
図1Qは、波長変換層130及びエピタキシャル層122の上での非発光層140の形成を示す。非発光層140は、エピタキシャル層122及び波長変換層130によって発せられた光を反射又は吸収し得る。非発光層140は、分布ブラッグ反射(DBR)層、反射材、吸収材、などのような1つ以上の光学的アイソレーション物質を含んでよい。非発光層140は、ピクセル111間の光学的アイソレーションを改善し、かつ、波長変換層130の露出された上面148を減らすように、DBR、吸収材、レーザ黒化(laser blackened)エリア、及びメタライゼーションの組み合わせを含んでもよい。
非発光層140は、例えば、原子層堆積法(ALD)などの共形堆積(conformal deposition)プロセスを用いて形成されてよい。非発光層140は、エピタキシャル層122の側壁162、波長変換層130の側壁160、及び波長変換層130の上面158の上に形成されてよい。波長変換層130の側壁160及びエピタキシャル層122の側壁162は、非発光層140によって部分的に又は完全に覆われてよい。非発光層140は、波長変換層130の側壁160から溝128を越えて他の波長変換層130の側壁160まで延在してもよい。他の例では、非発光層140は、波長変換層130が貼り付けられる前に、アイソレーション層及びエピタキシャル層122の上に形成されてもよい。
図1Rは、波長変換層130の上面158を露出するよう非発光層140の一部を除去することを示す。非発光層の部分は、例えば、平坦化(planarization)及び化学機械研磨(CMP)などの従来の研磨技法を用いて除去されてよい。
これより図1Sを参照すると、エピタキシャル層122の上に波長変換層130を形成する他の例を表す断面図が示されている。波長変換層130及び非発光層140は、上記の技術のうちのいずれかを用いて形成されてよい。しかし、図1Sに示されるように、波長変換層130の下面164は、エピタキシャル層122の上面166より狭い幅を有し得る。従って、非発光層140は、エピタキシャル層122の上面166の上にも形成され得る。
これより図1T~図1Vを参照すると、エピタキシャル層122の上に波長変換層130を形成する他の例を表す断面図が示されている。図1Tは、波長変換層130をピクセル111に貼り付けることを示す。波長変換層130は、図1E~1Mを参照して上述されたものと同様の技術を用いて貼り付けられてよい。従って、第1側壁168は、波長変換層130がピクセル111に貼り付けられる前又は後に、形成されてよい。しかし、波長変換層130は、1つよりも多いピクセル111の上にある1つの連続片であってよい。非発光層140は、上述されたものと同様の技術を用いて形成されてよい。
図1Uは、第2側壁170を有する溝172を形成するように、溝128を覆う波長変換層130の部分を除去する任意のステップを示す。部分は、従来のパターニング及びエッチングプロセスを用いて除去されてよい。溝172は、エッチングによって形成され得る如何なる形状であってもよい。非発光層140も、溝172において形成されてよい。
図1Vは、溝128を覆う波長変換層130の部分を完全に除去する任意のステップを示す。第2側壁170は、上記の角度をつけられた側壁のように見える。従って、非発光層140は、上述されたものと同様の技術を用いて、第2側壁170の上に形成されてよい。
これより図1Wを参照すると、デバイスを形成する方法を説明するフローチャートが示されている。ステップ190で、波長変換層がエピタキシャル層の上に形成されてよい。波長変換層は、エピタキシャル層の幅に等しい幅を有する第1表面と、第1表面の幅よりも狭い幅を有する第2表面と、角度をつけられた側壁とを含んでよい。ステップ192で、波長変換層の第2表面が露出されるように、共形非発光層が、角度をつけられた側壁及びエピタキシャル層の側壁の上に形成されてよい。任意のステップ194で、第1コンタクト層が、波長変換層より遠位のエピタキシャル層の第2表面の上に形成されてよい。第1コンタクト層は、ボンディング層を通じてマウントへ接続されてよい。一例では、波長変換層は、エピタキシャル層の上に直接形成されてよい。本明細書で使用される語「遠位」は、要素、デバイス、層、又は他の構造の空間的に反対の側を意味するように、方向を示す語として使用され得る。第3要素の遠位側にある第1要素及び第2要素は、第3要素の少なくとも一部によって互いから分離され得る。例えば、層の上面は、層の下面より遠位であり得る。
図2Aは、一実施形態において、LEDデバイス取り付け領域318でLEDアレイ410が基板に取り付けられている電子ボードの上面図である。電子ボードは、LEDアレイ410とともに、LEDシステム400Aに相当する。その上、電力モジュール312は、Vin497で入力される電圧と、接続及び制御モジュール316からトレース418Bを経由した制御信号を受け、トレース418Aを介してLEDアレイ410へ駆動信号を供給する。LEDアレイ410は、電力モジュール312からの駆動信号によりオン及びオフされる。図2Aに示される実施形態では、接続及び制御モジュール316は、センサモジュール314からトレース418Cを介してセンサ信号を受信する。
図2Bは、電子部品が回路ボード499の2つの面に実装されている2チャンネル集積LED照明システムの一実施形態を表す。図2Bに示されるように、LED照明システム400Bは、ディマー信号及びAC電力信号を受けるための入力部を備えた第1表面445Aを含み、その上には、AC/DCコンバータ回路412が実装されている。LEDシステム400Bは第2表面445Bを含み、その上には、ディマーインターフェイス回路415と、DC-DCコンバータ回路440A及び440Bと、マイクロコントローラ472を備えた接続及び制御モジュール416(本例ではワイヤレスモジュール)と、LEDアレイ410とが実装されている。LEDアレイ410は、2つの独立したチャンネル411A及び411Bによって駆動される。代替の実施形態では、単一のチャンネルが、LEDアレイへ駆動信号を供給するために使用されてよく、あるいは、任意数の多数のチャンネルが、LEDアレイへ駆動信号を供給するために使用されてもよい。
LEDアレイ410は、LEDデバイスの2つのグループを含んでよい。例となる実施形態では、グループAのLEDデバイスは、第1チャンネル411Aへ電気的に結合され、グループBのLEDデバイスは、第2チャンネル411Bへ電気的に結合される。2つのDC-DCコンバータ440A及び440Bの夫々は、LEDアレイ410内の各々のLEDグループA及びBを駆動するために、夫々単一のチャンネル411A及び411Bを介して各々の駆動電流を供給し得る。一方のLEDグループ内のLEDは、第2のLEDグループ内のLEDとは異なる色点を有する光を発するよう構成されてよい。LEDアレイ410によって発せられた光の複合色点の制御は、夫々単一のチャンネル411A及び411Bを介して個々のDC-DCコンバータ回路440A及び440Bによって印加される電流及び/又はデューティサイクルを制御することによって範囲内で調整されてよい。図2Bに示される実施形態はセンサモジュール(図2Aに記載。)を含まないが、代替の実施形態はセンサモジュールを含んでもよい。
表されているLED照明システム400Bは、LEDアレイ410及びLEDアレイ410を作動させる回路が単一の電子ボード上に設けられている集積システムである。回路ボード499の同じ面上のモジュール間の接続は、トレース431、432、433、434、及び435又はメタライゼーション(図示せず。)などの表面又は表面下の相互接続によって、例えば、モジュール間で電圧、電流、及び制御信号を交換するために、電気的に結合されてよい。回路ボード499の反対の面上のモジュール間の接続は、ビア及びメタライゼーション(図示せず。)などのボード貫通相互接続によって、電気的に結合されてよい。
実施形態に従って、LEDアレイがドライバ及び制御回路とは別の電子ボード上にあるLEDシステムが提供されてもよい。他の実施形態に従って、LEDシステムは、ドライバ回路とは別個の電子ボード上で電子機器のいくつかとともにLEDアレイを有してもよい。例えば、LEDシステムは、LEDアレイとは別の電子ボード上に位置する電力変換モジュール及びLEDモジュールを含んでもよい。
実施形態に従って、LEDシステムは、マルチチャンネルLEDドライバ回路を含んでもよい。例えば、LEDモジュールは、埋め込まれたLEDキャリブレーション及び設定データと、例えば、3つのLEDグループとを含んでよい。当業者ならば明らかなように、1つ以上の用途に応じて、LEDグループはいくつでも使用されてよい。各グループ内の個々のLEDは直列又は並列に配置されてよく、異なる色点を有している光が供給され得る。例えば、暖白色は第1LEDグループによって供給されてよく、冷白色は第2LEDグループによって供給されてよく、昼白色は第3LEDグループによって供給されてよい。
図2Cは、車両電力302及びデータバス304を含む車両ヘッドランプシステム300を例示する。センサモジュール314は、環境条件(例えば、周囲光条件、温度、時間、雨、霧、など)、車両条件(駐車中、運転中、速度、方向)、他の車両の存在/位置、歩行者、等に関するデータを供給するデータバス304へ接続されてよい。センサモジュール314は、図2Aのセンサモジュール314に類似し又はそれと同じであってよい。AC/DCコンバータ312は、車両電力302へ接続されてよい。
図2CのAC/DCコンバータ312は、図2BのAC/DCコンバータ412に類似し又はそれと同じであってよく、車両電力302からAC電力を受け取ってよい。それは、AC/DCコンバータ412に関して図2Bで記載されたように、AC電力をDC電力へ変換し得る。車両ヘッドランプシステム300は、AC/DCコンバータ312、接続及び制御モジュール316、及び/又はセンサモジュール314によって又はそれらに基づいて供給される1つ以上の入力を受けるアクティブヘッドランプ330を含んでよい。一例として、センサモジュール314は、歩行者の存在を検出し得る。歩行者が十分に照らし出されない場合に、これは、ドライバが歩行者を見る可能性を下げることがある。そのようなセンサ入力に基づいて、接続及び制御モジュール316は、AC/DCコンバータ312から供給される電力を用いてアクティブヘッドランプ330へデータを出力し得る。それにより、出力データは、アクティブヘッドランプ330内に含まれているLEDアレイ内のLEDのサブセットをアクティブにする。LEDアレイ内のLEDのサブセットは、アクティブにされると、センサモジュール307が歩行者の存在を検知した方向に光を放ち得る。車両ヘッドランプシステムを含む車両の経路内にもはや歩行者がいないことを確かめる更新されたデータをセンサモジュール314が供給した後、LEDのそれらのサブセットは非アクティブにされてよく、あるいは、それらの光ビーム方向は別なふうに変更されてよい。
図3は、アプリケーションプラットフォーム560、LEDシステム552及び556、並びにオプティック554及び558を含むシステム550を例示する。LEDシステム552は、矢印561a及び561bとの間に示されている光ビーム561を生成する。LEDシステム556は、矢印562a及び562bの間の光ビーム562を生成してよい。図3に示される実施形態では、LEDシステム552から発せられた光は、セカンダリオプティック554を通過し、LEDシステム556から発せられた光は、セカンダリオプティック558を通過する。代替の実施形態では、光ビーム561及び562は、如何なるセカンダリオプティックも通過しない。セカンダリオプティックは、1つ以上の光導体であってよく、あるいは、それを含んでもよい。1つ以上の光導体は、端面照光されてよく、あるいは、光導体の内部端を確定する内部開口を備えてもよい。LEDシステム552及び/又は556は、それらが1つ以上の光導体の内部端(内部開口型光導体)又は外部端(端面照光型光導体)に光を注入するように、1つ以上の光導体の内部開口に挿入されてよい。LEDシステム552及び/又は556のLEDは、光導体の部分であるベースの周囲に配置されてよい。実施に従って、ベースは熱伝導性であってよい。実施に従って、ベースは、光導体の上に配置されている放熱要素へ結合されてよい。放熱要素は、LEDによって発生した熱を熱伝導性ベースを経由して受け、受け取った熱を放散するよう配置されてよい。1つ以上の光導体は、LEDシステム552及び556によって発せられた光が、所望の様態で(例えば、傾いて、面取り分布で、狭い分布で、広い分布で、角分布で、など)成形されることを可能にし得る。
例となる実施形態では、システム550は、カメラフラッシュシステム付き携帯電話、屋内住居用又は商用照明、街灯などの屋外照明、自動車、医療デバイス、AR/VRデバイス、及びロボティックデバイスであってよい。図2Aに示されるLEDシステム400A及び図2Cに示される車両ヘッドランプシステム300は、例となる実施形態においてLEDシステム552及び556を表す。
アプリケーションプラットフォーム560は、本明細書で説明されるように、ライン565を介する電力バス又は他の適用可能な入力によりLEDシステム552及び/又は556へ電力を供給してよい。更に、アプリケーションプラットフォーム560は、LEDシステム552及びLEDシステム556の動作のためにライン565を介して入力信号を供給してよい。入力は、ユーザ入力/好み、検知読み出し、予めプログラムされた又は自律的に決定された出力、などに基づいてよい。1つ以上のセンサが、アプリケーションプラットフォーム560の筐体の中又は外にあってよい。代替的に、又はその上、図2AのLEDシステム400に示されるように、夫々のLEDシステム552及び556は、それ自体のセンサモジュール、接続及び制御モジュール、電力モジュール、並びに/又はLEDデバイスを含んでもよい。
実施形態において、アプリケーションプラットフォーム560のセンサ並びに/又はLEDシステム552及び/若しくは556のセンサは、視覚データ(例えば、LIDARデータ、IRデータ、カメラにより集められたデータ、など)、オーディオデータ、距離に基づくデータ、運動データ、環境データ、など又はそれらの組み合わせといったデータを収集してよい。データは、物、個人、車両、などのような物理的なアイテム又はエンティティに関係があってよい。例えば、検知装置は、物理的なアイテム又はエンティティの検出に基づいて検出及びその後の動作に優先順位をつけ得るADAS/AVに基づく応用のために、対象物近接データを収集してよい。データは、例えば、IR信号など、LEDシステム552及び/又は556によって光信号を発し、発せられた光信号に基づきデータを収集することに基づいて、収集されてよい。データは、データ収集のための光信号を発するコンポーネントとは異なるコンポーネントによって集められてもよい。例を続けると、検知装置は、自動車に配置されてよく、垂直共振器面発光レーザ(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)を用いてビームを放ってよい。1つ以上のセンサが、発せられたビーム又は任意の他の適用可能な入力への応答を検知してよい。
例となる実施形態で、アプリケーションプラットフォーム560は、自動車に相当してよく、LEDシステム552及びLEDシステム556は、自動車ヘッドライトに相当してよい。様々な実施形態で、システム550は、LEDが操縦可能な光を供給するよう選択的にアクティブにされ得る操縦可能光ビームを備えた自動車に相当してよい。例えば、LEDのアレイは、形状又はパターンを確定又は投影するか、あるいは、道路の選択された区間のみを照射するために、使用されてよい。例となる実施形態で、LEDシステム552及び/又は556内の赤外線カメラ又は検出器ピクセルは、照射を必要とする場面(道路、横断歩道、など)の部分を識別するセンサ(図2A及び図2Cのセンサモジュール314と同様)であってよい。
実施形態について詳細に記載してきたが、当業者ならば明らかなように、本明細書を鑑みて、発明概念の主旨を逸脱せずに、本明細書で記載されている実施形態は変更されてもよい。従って、本発明の範囲が図示及び記載されている具体的な実施形態に制限されることは意図されない。
本願は、2017年12月21日付けで出願された米国特許仮出願第62/609030号、2018年3月1日付けで出願された欧州特許出願第18159512.5号、及び2018年12月19日付けで出願された米国特許仮出願第16/226226号の優先権を主張する。なお、これらの特許出願の内容は、これをもって参照により本願に援用される。

Claims (19)

  1. 発光ダイオード(LED)アレイであって、
    前記LEDアレイの中心にある中心ピクセル及び前記LEDアレイの端にあるエッジピクセルを有するモノリシック構造であり、前記中心ピクセルは、第1エピタキシャル層を有する第1ピクセルを含み、前記エッジピクセルは、第2エピタキシャル層を有する第2ピクセルを含み、前記第1エピタキシャル層及び前記第2エピタキシャル層の夫々は、動作中に光を放ち、p型領域、該p型領域の上にあるアクティブ領域、及び該アクティブ領域の上にあるn型領域を有し、前記第1ピクセル及び前記第2ピクセルの夫々は、個別的にアドレッシング可能なピクセルである、前記モノリシック構造と、
    前記第1ピクセルの上にある第1波長変換層であり、前記第1波長変換層は、前記第1エピタキシャル層の上にあってそれと直接接しており、前記第1波長変換層は、前記第1エピタキシャル層の幅に等しい幅を有して前記第1エピタキシャル層に直接接する第1接触面と、該第1接触面の幅よりも狭い幅を有する第1発光面と、角度をつけられた側壁とを有する、前記第1波長変換層と、
    前記第2ピクセルの上にある第2波長変換層であり、前記第2波長変換層は、第2発光面と、前記第2エピタキシャル層の上にあってそれと直接接する第2接触面とを有し、前記第2接触面及び前記第2発光面は夫々、前記第2エピタキシャル層の幅に等しい幅を有する、前記第2波長変換層と、
    前記第1波長変換層の前記第1発光面を露出されたままにする、前記第1波長変換層の前記角度をつけられた側壁の上に配置された共形の層と
    を有するLEDアレイ。
  2. 前記第1波長変換層に対して遠位にある前記第1エピタキシャル層の第2表面のにある第1コンタクト層と、
    前記第2波長変換層に対して遠位にある前記第2エピタキシャル層の第2表面のにある第2コンタクト層と
    を更に有し、前記第1コンタクト層及び前記第2コンタクト層が夫々、ボンディング層を通じてマウントへ接続される、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  3. 隣接するピクセルの中心間の距離は、120μm以下である、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  4. 隣接するピクセルの端部間の幅は、20μm以下である、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  5. 前記第1波長変換層の厚さは、前記第1エピタキシャル層の厚さと同じ厚さである、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  6. 前記第1波長変換層の厚さは、5μmから100μmである、
    請求項5に記載のLEDアレイ。
  7. 前記第1波長変換層の厚さは、前記第1エピタキシャル層の厚さよりも5倍厚い
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  8. 前記第1エピタキシャル層の厚さは、3μmから20μmである、
    請求項7に記載のLEDアレイ。
  9. 前記第1発光面の幅は、前記第1発光面が、前記第1接触面が接している前記第1エピタキシャル層の上面に対して80%から90%の総面積を有するような幅である
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  10. 前記共形の層は、分布ブラッグ反射層を有する、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  11. 前記共形の層は、吸収材を有する、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  12. 前記角度をつけられた側壁は、前記第1接触面が接している前記第1エピタキシャル層の上面に対して30度から60度の間の角度を有する、
    請求項1に記載のLEDアレイ。
  13. 第1エピタキシャル層を有する第1ピクセル、及び第2エピタキシャル層を有する第2ピクセルであり、前記第1エピタキシャル層及び前記第2エピタキシャル層の夫々が動作中に光を放ち、p型領域、該p型領域の上にあるアクティブ領域、及び該アクティブ領域の上にあるn型領域を有する、前記第1ピクセル及び前記第2ピクセルと、
    前記第1ピクセル及び前記第2ピクセルの上にある連続的な波長変換層であり、前記連続的な波長変換層は、所定の厚さで前記第1ピクセルと前記第2ピクセルとの間のエリア全体にわたって延在し、前記連続的な波長変換層は、前記第1エピタキシャル層の幅と前記第2エピタキシャル層の幅との和よりも広い幅を有して前記第1エピタキシャル層及び前記第2エピタキシャル層の上にあってそれらと直接接する第1表面と、該第1表面の幅よりも狭い幅を有して前記第1表面に平行な第2表面と、第1の角度をつけられた側壁とを有する、前記連続的な波長変換層と、
    前記連続的な波長変換層の第2表面を露出されたままにする、前記第1の角度をつけられた側壁の上に配置された第1の薄い共形の層と
    を有する発光ダイオード(LED)アレイ。
  14. 前記連続的な波長変換層は、溝を有し、該溝の少なくとも一部は、前記第1ピクセルと前記第2ピクセルとの間に配置される、
    請求項13に記載のLEDアレイ。
  15. 前記溝の上に、第2の薄い共形の層が形成される、
    請求項14に記載のLEDアレイ。
  16. 前記第2の薄い共形の層は、前記第1の薄い共形の層に接しない、
    請求項15に記載のLEDアレイ。
  17. 前記溝は、第2の角度をつけられた側壁を有する、
    請求項14に記載のLEDアレイ。
  18. 前記第2表面の全体は、平坦である、
    請求項13に記載のLEDアレイ。
  19. 前記第1ピクセル及び前記第2ピクセルは、モノリシック構造に含まれる、
    請求項13に記載のLEDアレイ。
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