JP7361810B2 - 反射層を伴うマウント上の発光デバイス - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイスに隣接して配置された反射層を伴うマウントの上に配置された発光デバイスに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）、共振空洞発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）、垂直キャビティレーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ）、および、端面発光レーザーを含む、半導体発光デバイスは、現在利用可能な最も効率の良い光源である。可視スペクトルを横断してオペレーションできる高輝度発光デバイスの製造における現在の興味ある材料系は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体、特には、ガリウム、アルミニウム、インジウム、および窒素の２元、３元、および４元合金であり、ＩＩＩ族窒化物としても参照されるものである。典型的に、ＩＩＩ族窒化物の発光デバイスは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、または、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、または、他の適切なサブストレートの上で、異なる組成およびドーパント濃度の半導体層のスタックをエピタキシャルに成長させることによって製造される。スタックは、サブストレート上に形成され、例えば、ケイ素（Ｓｉ）を用いてドープされた一つまたはそれ以上のｎ型層、ｎ型層の上に形成された活性領域における一つまたはそれ以上の発光層、および、活性領域の上に形成され、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）を用いてドープされた一つまたはそれ以上のｐ型層を、しばしば、含んでいる。電気的接点が、ｎ型とｐ型領域の上に形成されている。

図１は、パッケージされた蛍光体変換半導体構造体デバイスを図示しており、より詳細には米国特許第８６８０５５６号明細書において説明されている。図２は、より詳細に、図１の複合反射層を図示している。図１のデバイスは、パッケージ３００の上に配置され、かつ、蛍光体を含むカプセル材３４０によってカバーされた、ＬＥＤ３０２を含んでいる。ＬＥＤ３０２から発せられた光、カプセル材３０４の中で蛍光体から発せられた光、および、カプセル材３０４の退出表面で反射された光は、サブストレート３００に向かって発せられ得る。この光の少なくとも一部分は、複合層３６２で反射されて、パッケージを出て行けるようにリダイレクトされる。

図２は、反射複合層３６２の一つの可能なコンフィグレーションを示している。このコンフィグレーションにおいては、一式の絶縁層（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌａｙｅｒ）３０８が一式の金属層の上に形成されている。金属層３１０に隣接する絶縁層３０８の部分は、接着層３１２であってよい。サブストレート３００に隣接する金属層３１０の部分も、また、接着層３１２であってよい。米国特許第８６８０５５６号明細書において説明される実施例において、サブストレート３００に最も近い複合層における材料は、銀である。

本発明の目的は、マウント上でＬＥＤに隣接して配置された反射層を伴う、マウントの上に配置されたＬＥＤを提供することである。

本発明の実施例は、マウントの上面に取り付けられた半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでいる。ＬＥＤに隣接するマウントの上面にマルチ層リフレクタが配置されている。マルチ層リフレクタは、低屈折率材料と高屈折率材料が交互に重なった層のペアを含む。マルチ層リフレクタと直接的に接触している上面の部分は無反射性である。

図１は、反射性パッケージ表面を伴う従来技術のパッケージされたＬＥＤの断面図である。 図２は、図１のデバイスにおける反射表面の一つの実施例の断面図である。 図３は、ＬＥＤの一つの実施例の断面図である。 図４は、マウントと直接的に接触しているマルチ層リフレクタを伴って、マウント上に配置されているＬＥＤの断面図である。 図５は、マウント上の導電性パッドと直接的に接触しているマルチ層リフレクタを伴って、マウント上に配置されているＬＥＤの断面図である。 図６は、マルチ層リフレクタと低屈折率層を伴って、マウント上に配置されているＬＥＤの断面図である。 図７は、低屈折率層を伴って、マウント上に配置されているＬＥＤの断面図である。

本発明の実施例においては、半導体発光ダイオードといった、発光デバイスが、少なくとも一つの反射層を伴いパッケージ上に配置されている。図３は、ＩＩＩ族窒化物ＬＥＤの一つの実施例を図示している。あらゆる適切な半導体発光デバイスが使用されてよく、かつ、本発明の実施例は、図３において説明されるＬＥＤに限定されるものではない。

図３のデバイスにおいて、光の大部分は、成長基板（ｇｒｏｗｔｈ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を通じてＬＥＤから引き出される。そうしたデバイスは、フリップチップデバイスとして参照されてよい。図３のＬＥＤは、従来技術において知られるように、成長基板１０の上でＩＩＩ族窒化物の半導体構造体を成長させることによって形成される。成長基板は、しばしば、サファイアであってよいが、例えば、非ＩＩＩ族窒化物材料、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、または複合サブストレート、といった、あらゆる適切なサブストレートであってよい。その上でＩＩＩ族窒化物の半導体構造体が成長させられる成長基板の表面は、成長の以前に、パターン化され、粗面化され、または、テクスチャ付けされてよく、デバイスからの光の抽出を改善することができる。成長表面とは反対側の成長基板の表面（つまり、フリップチップコンフィグレーションにおいて大部分の光がそこを通じて引き出される表面）は、成長の以前または成長の後で、パターン化され、粗面化され、または、テクスチャ付けされてよく、デバイスからの光の抽出を改善することができる。

半導体構造体は、ｎ型とｐ型領域との間に挟まれた発光または活性領域を含んでいる。ｎ型領域１６が、最初に成長されてよく、そして、異なる組成とドーパント濃度の複数の層を含んでいる。例えば、バッファ層または核形成層（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）といった準備層、ｎ型であるか又は意図的にドープされないでよいもの、および、効率的に光を発するのに発光領域について望ましい特定の光学的、材料的、または電気的な特性のためにデザインされたｎ型デバイス、または、ｐ型デバイスさえも、含むものである。発光または活性領域１８は、ｎ型領域の上に成長される。適切な発光領域の例は、単一の厚い又は薄い発光層、または、バリア層によって分離された複数の厚い又は薄い発光層を含んでいる、複数の量子井戸型（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）発光領域を含む。ｐ型領域２０が、次に、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、異なる組成、厚さ、およびドーパント濃度の複数の層を含んでよい。意図的にドープされないか叉はｎ型である層を含むものである。

半導体構造体の成長の後で、ｐ型領域の表面上に反射性ｐ接点が形成される。ｐ接点２１は、しばしば、反射性金属およびガード金属（ｇｕａｒｄ ｍｅｔａｌ）といった、複数の導電層を含む。反射性材料のエレクトロマイグレーションを妨げ又は低減し得るものである。反射性金属は、しばしば、銀であるが、あらゆる適切な材料が使用されてよい。ｐ接点２１の形成の後で、ｐ接点２１、ｐ型領域２０、および活性領域１８の一部が取り除かれ、その上にｎ接点２２が形成されるｎ型領域１６の一部が露出される。ｎ接点２２とｐ接点２１は、ギャップ２５によって相互に電気的に分離されており、ギャップは、ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ）の酸化物または他のあらゆる適切な材料といった絶縁体を用いて埋められてよい。複数のｎ接点ビア（ｖｉａ）が形成されてよい。ｎ接点２２とｐ接点２１は、図３に図示された配置に限定されるものではない。ｎ接点とｐ接点は、従来技術において知られるように、絶縁体／金属のスタックを用いて接合パッドを形成するように再配置されてよい。

ＬＥＤを別の構造体に対して電気的及び物理的に取り付けるために、一つまたはそれ以上のインターコネクト２６と２８が、ｎ接点２２とｐ接点２１の上に形成されるか、または、電気的に接続される。インターコネクト２６は、図３においてｎ接点２２に対して電気的に接続されている。インターコネクト２８は、ｐ接点２１に対して電気的に接続されている。インターコネクト２６と２８は、絶縁層２４とギャップ２７によって、ｎ接点２２とｐ接点２１から、および、相互に電気的に分離されている。インターコネクト２６と２８は、例えば、半田、スタッドバンプ（ｓｔｕｄ ｂｕｍｐ）、金（ｇｏｌｄ）層、または、あらゆる他の適切な構造体であってよい。多くの個別のＬＥＤが、一つのウェファ上に形成され、次に、デバイスのウェファから切り出される（ｄｉｃｅｄ）。サブストレート１０は、半導体構造体の成長の後で、または、個々のデバイスの形成の後で、薄くされてよい。いくつかの実施例において、サブストレートは、図３のデバイスから取り除かれる。図３のデバイスから抽出される大部分の光は、サブストレート１０（または、サブストレート１０を取り除くことによって露出された半導体構造体の表面）を通じて引き出される。

図４、５、６、および７は、マウント上に形成された異なる反射層を伴う、パッケージされたＬＥＤを示している。図４、５、６、および７のそれぞれにおいて、ＬＥＤ１は、マウント４０の上面４２に対して電気的および物理的に取り付けられている。

ＬＥＤ１は、表面４２の上に形成された導電性構造体４４に対して電気的に接続されてよい。導電性構造体４４は、典型的には、金属パッドである。金属パッドは、例えば、図４、において図示されるように、ＬＥＤ１と実質的に同じサイズであってよく、または、例えば、図５、において図示されるように、ＬＥＤ１によってカバーされない上面４２の全て又は一部をカバーしてよい。金属パッド４４は、例えば、上面４２の上、または、マウント４０の底面上、に形成された接合パッド（図に示されていない）に対して電気的に接続される。マウント４０の底面上の接合パッドは、例えば、マウントの中、または、あらゆる他の適切な構造体を通じて、形成されたビア、示されていないもの、を通じて、金属パッド４４に対して接続されてよい。

マウント４０は、例えば、セラミック構造体、プラスチック構造体、一つまたはそれ以上の電気的分離層を伴う金属層、リードフレーム、または、あらゆる他の適切な構造体であってよい。

図４、５、６、および７のそれぞれにおいては、ＬＥＤ１とマウント４０の上に透明カバー４６が配置されている。カバー４６は、しばしば、図４、５、６、および７に示されるように、ドームレンズ、フレネルレンズ、または、あらゆる他の適切な構造体といった、光学部品である。いくつかの実施例において、カバー４６は、単純に、等角で（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）、透明な材料シートである。カバー４６は、ＬＥＤとマウントから分離して形成され、そして、接着又はあらゆる他の適切な技術によって取り付けられてよく、もしくは、その場で、例えば、ラミネート、モールド、または、あらゆる他の適切なプロセスによって形成されてよい。いくつかの実施例においては、一つまたはそれ以上の材料が、カバー４６を形成する透明材料と混合されている。透明材料と混合される適切な材料の例は、一つまたはそれ以上の波長変換材料を含んでいる。パウダー状の蛍光体、屈折率を調整するための材料、散乱を生じさせるパーティクル、または、あらゆる他の適切な材料、といったものである。

図４、５、６、および７のそれぞれにおいては、ＬＥＤ１によってカバーされていないマウント４０の上面４２の全て又は一部が、一つまたはそれ以上の反射層によってカバーされている。反射層は、マウント４０によって光が吸収されるのを防ぐことができ、または、マウント４０によって吸収される光の量を削減することができる。ＬＥＤ１によって発せられた変換されていない光、及び/又は、カバー４６の中の蛍光体によって発せられた変換されている光、を反射することによるものである。反射層は、カバー４６からの抽出を増加し得るものであり、デバイスの効率を増加し得る。

図４と５においては、マルチ層リフレクタ（ｍｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）４８が、マウント４０の上面４２の上に配置されている。マルチ層リフレクタは、例えば、高屈折率と低屈折率材料が交互に重なった層に係るマルチ層のペアであってよい。低屈折率材料は、いくつかの実施例において少なくとも１．２の屈折率を有してよく、そして、いくつかの実施例においては１．６以上の屈折率を有してよい。高屈折率材料は、いくつかの実施例において少なくとも２の屈折率を有してよく、そして、いくつかの実施例においては３以上の屈折率を有してよい。低屈折率材料は、ＳｉＯ_２又はあらゆる他の適切な材料であってよい。高屈折率材料は、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、又はあらゆる他の適切な材料であってよい。

マルチ層リフレクタは、分布ブラッグリフレクタ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、ＤＢＲ）であってよい。あらゆる適切な数量の層のペアが使用されてよい。いくつかの実施例においては少なくとも２つのペア、いくつかの実施例においては５０以下の層のペア、いくつかの実施例においては少なくとも５つのペア、いくつかの実施例においては４０以下のペア、および、いくつかの実施例においては１２以下のペア、である。ＤＢＲの全体の厚さは、いくつかの実施例において少なくとも１００ｎｍ、いくつかの実施例において２μｍ以下、いくつかの実施例において少なくとも５００ｎｍ、および、いくつかの実施例において５μｍ以下、である。いくつかの実施例において、ＤＢＲにおける一つまたはそれ以上の層は、ポリマーである。

図４のデバイスにおいては、金属パッド４４が、ＬＥＤ１と実質的に同じサイズの領域に限定されている。マルチ層リフレクタ４８が、マウント４０の上面４２の上、に配置され、かつ、直接的に接触するようにである。いくつかの実施例において、マウント４０の上面４２は、反射性でない表面であってよい。図５のデバイスにおいては、金属パッド４４が、ＬＥＤ１のフットプリントより大きい上面４２の一部をカバーしている。マルチ層リフレクタ４８が、金属パッド４４の上に配置され、かつ、直接的に接触するようにである。金属パッドは、ＬＥＤ１によって発せられた光を実質的に反射性でない金属であってよい。そうした非反射性金属の例は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、これらの組み合わせ、または、あらゆる他の適切な金属又は伝導性材料を含んでいる。

図６においては、マルチ層リフレクタ４８が、低屈折率層５０と結合されている。マルチ層リフレクタ４８、図４と５に付属するテキストにおいて上記に説明されたあらゆるマルチ層リフレクタであってよいが、図示されるように、上面４２と直接的に接触するように配置され、または、図５に図示されるように、金属パッド４４と直接的に接触するように配置されている。低屈折率層５０は、マルチ層リフレクタ４８の上に形成されている。マウント４０と低屈折率層５０との間に、マルチ層リフレクタ４８が配置されるようにである。

低屈折率層５０は、いくつかの実施例においては１．４より小さい低屈折率を伴う材料であってよく、いくつかの実施例においては１．３以下であり、いくつかの実施例においては１．２以下であり、そして、いくつかの実施例においては少なくとも１．１である。いくつかの実施例において、低屈折率層５０は、空気であり、典型的には、屈折率が１である。低屈折率層５０とカバー４６との間のインターフェイスにおいては、これらの２つの層間における屈折率の差異（ｃｏｎｔｒａｓｔ）により、インターフェイスにおける少なくともいくらかの光インシデントが、全内部反射によって反射されるようにすることができる。カバー４６は、しばしば、シリコーン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）であり、一般的には、１．４と１．６との間の屈折率を有している。カバー４６を形成しているシリコーンに対して材料が加えられてよい。カバー４６の屈折率を増加させるためであり、低屈折率層とカバーとの間の差異を増すであろうものであって、反射される光の量を増やし得るものである。例えば、カバー４６の屈折率は、いくつかの実施例においては少なくとも１．５であり、いくつかの実施例においては少なくとも２であり、そして、いくつかの実施例においては２．５以下であってよい。

適切な低屈折率材料は、低屈折率ガラスを含んでいる。ＭｇＦ又は他のフッ化物ガラス、低屈折率ポリマー、および、多孔性ＳｉＯ_２といった多孔性材料、といったものである。低屈折率材料は、あらゆる適切なプロセスによって形成されてよい。多孔性または他の低屈折率材料は、例えば、ゾルゲル法（ｓｏｌ ｇｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）を使用してデポジットされてよい。

図７においては、マルチ層リフレクタなしで低屈折率層５０が使用されている。低屈折率層５０は、図６に付属するテキストにおいて上記に説明されたあらゆる低屈折率層であってよいが、図示されるように、上面４２と直接的に接触するように配置され、または、図５に図示されるように、金属パッド４４と直接的に接触するように配置されてよい。

図４、５、６、および７で説明された反射層は、あらゆる適切な技法によって形成されてよい。例えば、反射層は、ＬＥＤ１がマウントに取り付けられた後で、かつ、カバーが形成／取り付けられる前に、形成されてよい。例えば、ＬＥＤ１をマスキングすること、または、そうでなければ、反射層がＬＥＤ１の上に形成されるのを妨げることによるものである。反射層は、例えば、選択的な成長またはあらゆる他の適切な技法によって、後にＬＥＤ１が配置される領域においては形成されなくてよい。もしくは、反射層は、例えば、従来のフォトリソグラフィ技術によって、ＬＥＤ１が配置される開口部を形成するように変造されてよい。ＬＥＤ１と反射層との間にはギャップが存在してよく、または、図４、５、６、および７に示されるように、ＬＥＤ１と反射層はギャップなしで配置されてよい。反射層の上面は、ＬＥＤ１の上面と同じ高さであってよく、もしくは、反射層の上面が、ＬＥＤ１の上面より高いか、または、低くてよい。

いくつかの実施例においては、一つ以上のＬＥＤが、反射層を伴ってマウント上に配置されてよい。いくつかの実施例においては、ＬＥＤ以外のデバイスが、反射層を伴ってマウント上に配置されてよい。

上記の実施例において、半導体発光デバイスは、青色またはＵＶ光を発するＩＩＩ族窒化物であるが、レーザーダイオード、および、ＩＩＩ－Ｖ族材料、ＩＩＩ族リン化物、ＩＩＩ族ヒ化物、ＩＩ－ＶＩ族材料、ＺｎＯ、または、Ｓｉベース材料といった他の材料系から作られた半導体発光デバイス、といった半導体発光デバイスが、ＬＥＤの他にも使用されてよい。

本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本開示が与えられると、ここにおいて説明された発明のコンセプトの精神から逸脱することなく、本発明について変更がなされ得ることが正しく理解されよう。例えば、ここにおいて記述されたあらゆる実施例において説明されたあらゆる機能は、ここにおいて記述されたあらゆる実施例の中に含まれ、または、省略されてよい。従って、本発明の範囲は、図示され、かつ、説明された特定の実施例について限定されることが意図されているものではない。

Claims (15)

1. 上面を有するマウントと、
   前記マウントの上面の部分に取り付けられた半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
   前記ＬＥＤに隣接する前記マウントの前記上面に配置された、分布ブラッグリフレクタとしてのマルチ層リフレクタであり、屈折率が少なくとも１．２である低屈折率材料と屈折率が少なくとも２である高屈折率材料が交互に重なった少なくとも２つ以上の層を含み、全体の厚さが２μｍ以下である、前記マルチ層リフレクタと、
   前記ＬＥＤと前記マルチ層リフレクタの上に配置された、第１屈折率を有するレンズと、
   前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された低屈折率層であり、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、屈折率の差異によりインターフェイスにおいて全内部反射を生じる、前記低屈折率層と、を含み、
   前記マルチ層リフレクタは、少なくとも一つのポリマー層を含む、
   デバイス。
2. 前記マウントの上面の、前記マルチ層リフレクタと直接的に接触している部分は、金属である、
   請求項１に記載のデバイス。
3. 前記マウントの上面の、前記マルチ層リフレクタと直接的に接触している部分は、セラミック、プラスチック、および、リードフレームのうちの一つである、
   請求項１に記載のデバイス。
4. 前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された前記低屈折率層は、１．３以下の屈折率を有する、
   請求項１に記載のデバイス。
5. 前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された前記低屈折率層は、ガラス、フッ化物ガラス、フッ化マグネシウム、多孔性材料、および、多孔性二酸化ケイ素からなるグループから選択される、
   請求項１に記載のデバイス。
6. 前記デバイスは、さらに、
   前記レンズの中に配分された波長変換材料、を含む、
   請求項１に記載のデバイス。
7. 前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された前記低屈折率層は、空気を含む、
   請求項１に記載のデバイス。
8. マウントの上の第１領域に対して半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を取り付けるステップと、
   前記マウントの上の第２領域と直接的に接触している、分布ブラッグリフレクタとしてのマルチ層リフレクタを形成するステップであり、前記マルチ層リフレクタは、屈折率が少なくとも１．２である低屈折率材料と屈折率が少なくとも２である高屈折率材料が交互に重なった少なくとも２つ以上の層を含み、全体の厚さが２μｍ以下である、ステップと、
   前記マルチ層リフレクタの上に低屈折率層を形成するステップであり、前記低屈折率層は、第２屈折率を有する、ステップと、
   前記ＬＥＤ、前記低屈折率層、および前記マルチ層リフレクタにわたりレンズを配置するステップであり、前記レンズは、前記第２屈折率より高い第１屈折率を有し、屈折率の差異によりインターフェイスにおいて全内部反射を生じる、ステップと、
   を含み、
   前記マルチ層リフレクタは、少なくとも一つのポリマー層を含む、
   方法。
9. 前記マウントの前記第２領域は、金属を含む、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記マウントの前記第２領域は、セラミック、プラスチック、および、リードフレームのうちの一つを含む、
    請求項８に記載の方法。
11. 前記マルチ層リフレクタの上に前記低屈折率層を形成するステップは、ゾルゲル法によって、多孔性層を形成するステップ、を含む、
    請求項８に記載の方法。
12. 前記ＬＥＤ、前記低屈折率層、および前記マルチ層リフレクタにわたり前記レンズを配置するステップは、別個に形成されたレンズを接着するステップ、ラミネートするステップ、および、モールドするステップのうち一つを含む、
    請求項８に記載の方法。
13. 前記レンズは、波長変換材料を含む、
    請求項８に記載の方法。
14. 前記低屈折率層は、空気を含む、
    請求項８に記載の方法。
15. 上面を有するマウントと、
    前記マウントの上面の部分に取り付けられた半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）と、
    前記ＬＥＤに隣接する前記マウントの前記上面に配置された、分布ブラッグリフレクタとしてのマルチ層リフレクタであり、屈折率が少なくとも１．２である低屈折率材料と屈折率が少なくとも２である高屈折率材料が交互に重なった少なくとも２つ以上の層を含み、全体の厚さが２μｍ以下である、前記マルチ層リフレクタと、
    前記ＬＥＤと前記マルチ層リフレクタの上に配置された、第１屈折率を有するレンズと、
    前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された低屈折率層であり、前記第１屈折率より低い第２屈折率を有し、屈折率の差異によりインターフェイスにおいて全内部反射を生じる、前記低屈折率層と、を含み、
    前記マルチ層リフレクタと前記レンズとの間に配置された前記低屈折率層は、ガラス、フッ化物ガラス、フッ化マグネシウム、多孔性材料、および、多孔性二酸化ケイ素からなるグループから選択される、
    デバイス。

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