KR101228849B1 - 발광 디바이스를 위한 냉광 세라믹 - Google Patents

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저드 오 뮬러
레기나 비. 뮬러-마흐
마이클 알. 크램스
피터 제이. 슈미트
헬무트 베크텔
저그 메이어
잔 데 그래프
데오 아놀드 캅
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광층을 포함하는 반도체 발광 디바이스는, 발광층에 의해 방출된 광의 경로 내에 배치된 세라믹층과 결합된다. 세라믹층은 인광체와 같은 파장 변환 재료로 이루어지거나 그를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 냉광 세라믹층은 종래의 인광체층보다 온도에 덜 민감하고 더 강건할 수 있다. 또한, 냉광 세라믹은 더 적은 산란을 나타내며, 따라서 종래의 인광체층에 비해 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
반도체 발광 디바이스, 냉광 세라믹, 파장 변환 재료, 발광체층

Description

발광 디바이스를 위한 냉광 세라믹{LUMINESCENT CERAMIC FOR A LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 파장 변환형(wavelength converted) 반도체 발광 디바이스에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 광 스펙트럼의 특정 영역 내에서 피크 파장을 갖는 광을 발생시킬 수 있는 공지된 고체 상태 디바이스이다. LED들은 일반적으로 조명기, 인디케이터 및 디스플레이로서 사용된다. 전통적으로, 가장 능률적인 LED는 광 스펙트럼의 적색 영역에서 피크 파장을 갖는 광, 즉 적색 광을 방출한다. 그러나, 스펙트럼의 UV 내지 녹색 영역에서 피크 파장을 갖는 광을 효율적으로 방출할 수 있는 3족 질화물(Ⅲ-nitride) LED가 개발되어 있다. 3족 질화물 LED는 전통적인 LED보다 훨씬 밝은 출력 광을 제공할 수 있다.
또한, 3족 질화물 디바이스로부터의 광은 일반적으로 적색 광보다 짧은 파장을 갖기 때문에, 3족 질화물 LED에 의해 발생된 광은 보다 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 쉽게 변환될 수 있다. 본 기술 분야에서는, 냉광(luminescence)/형광(fluorescence)으로 알려진 프로세스를 이용하여, 제1 피크 파장을 갖는 광("1차 광")이 더 긴 피크 파장을 갖는 광("2차 광")으로 변환될 수 있다는 것이 잘 알려 져 있다. 형광 프로세스는 인광체(phosphor)와 같은 파장 변환 재료에 의해 1차 광을 흡수하고, 2차 광을 방출하는 인광체 재료의 냉광 중심(luminescent)을 여기시키는 것을 포함한다. 2차 광의 피크 파장은 인광체 재료에 따라 달라질 것이다. 인광체 재료의 유형은 특정 피크 파장을 갖는 2차 광을 발생시키도록 선택될 수 있다.
도 1을 참조하면, 미국 특허 제6,351,069호에 개시된 종래 기술의 인광체 LED(10)가 도시되어 있다. LED(10)는 활성화된 때에 청색 1차 광을 발생시키는 3족 질화물 다이(12)를 포함한다. 3족 질화물 다이(12)는 반사기 컵형 리드 프레임(14) 상에 배치되고, 리드(16 및 18)에 전기적으로 연결된다. 리드(16 및 18)는 전기 전력을 3족 질화물 다이(12)로 전도한다. 3족 질화물 다이(12)는 투명 수지인 경우가 많은 층(20)으로 덮이며, 이 층(20)은 파장 변환 재료(22)를 포함한다. 층(20)을 형성하기 위해 사용되는 파장 변환 재료의 유형은, 형광 재료(22)에 의해 생성될 2차 광의 원하는 스펙트럼 분포에 따라 달라질 수 있다. 3족 질화물 다이(12) 및 형광층(20)은 렌즈(24)에 의해 캡슐화된다. 렌즈(24)는 전형적으로 투명 에폭시 또는 실리콘(silicone)으로 이루어진다.
동작시에, 전기 전력이 3족 질화물 다이(12)에 공급되어 다이를 활성화한다. 활성화되면, 다이(12)는 다이의 상부 표면으로부터 1차 광을 방출해낸다. 방출된 1차 광의 일부는 층(20) 내의 파장 변환 재료(22)에 의해 흡수된다. 그러면, 파장 변환 재료(22)는 1차 광의 흡수에 대응하여, 2차 광, 즉 보다 긴 피크 파장을 갖는 변환 광을 방출한다. 방출된 1차 광의 흡수되지 않은 나머지 부분은 2차 광과 함 께 파장 변환층을 투과한다. 렌즈(24)는 흡수되지 않은 1차 광 및 2차 광을 출력 광으로서 화살표(26)로 표시된 일반적인 방향으로 향하게 한다. 따라서, 출력 광은 다이(12)로부터 방출된 1차 광과 파장 변환층(20)으로부터 방출된 2차 광으로 이루어진 합성 광이다. 또한, 파장 변환 재료는, 1차 UV 광을 방출하는 다이가 2차 가시 광을 방출하는 하나 이상의 파장 변환 재료와 결합된 경우에서와 같이, 1차 광이 디바이스를 전혀 탈출하지 못하거나 아주 적게 탈출하도록 구성될 수 있다.
3족 질화물 LED는 보다 높은 전력 및 보다 높은 온도에서 동작하기 때문에, 층(20)에서 사용되는 유기 인캡슐런트(encapsulant)의 투명도가 저하되는 경향이 있고, 이것은 바람직하지 못하게도 디바이스의 광 추출 효율을 감소시키며, 잠재적으로는 디바이스로부터 방출되는 광의 외양(appearance)을 변경시킬 수도 있다. 미국 특허 제6,630,691호에 기재되어 있는 단결정 냉광 기판 상에서의 LED 디바이스의 성장, 미국 특허 제6,696,703호에 기재되어 있는 박막 인광체층, 및 미국 특허 제6,576,488호에 기재된 전기이동 적층(electrophoretic deposition)이나 미국 특허 제6,650,044호에 기재된 스텐실(stenciling)에 의해 적층된 컨포멀층(conformal layer)과 같이, 파장 변환 재료에 대하여 몇가지 대안적인 구성이 제시되어 왔다. 그러나, 종래의 해결안들의 한가지 주된 단점은 인광/인캡슐런트 시스템의 광학적 이질성이며, 이것은 산란을 유발하고, 잠재적으로는 변환 효율의 손실을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광층을 포함하는 반도체 발광 디바이스에서 그 발광층에 의해 방출된 광의 경로 내에 배치된 세라믹층과 결합된다. 세라믹층은 인광체와 같은 파장 변환 재료로 이루어지거나 그를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 냉광 세라믹층(luminescent ceramic layer)은 종래의 인광체층보다 온도에 덜 민감하고 더 강건할 수 있다. 또한, 냉광 세라믹은 보다 적은 산란을 나타내며, 따라서 종래의 인광체층에 비해 변환 효율을 증가키실 수 있다.
도 1은 종래의 인광체-변환 반도체 발광 디바이스.
도 2는 세라믹 인광체층을 포함하는 플립칩 반도체 발광 디바이스.
도 3은 본딩된 호스트 기판 및 세라믹 인광체층을 포함하는 반도체 발광 디바이스.
도 4는 세라믹 인광체층 내의 도핑 프로파일의 일례.
도 5는 다수의 세라믹층을 포함하는 반도체 발광 디바이스.
도 6은 성형된 세라믹 인광체층을 포함하는 반도체 발광 디바이스.
도 7은 디바이스 내의 에피텍셜층보다 넓은 세라믹 인광체층을 포함하는 반도체 발광 디바이스.
도 8은 세라믹 인광체층 및 열 추출 구조를 포함하는 반도체 발광 디바이스.
앞에서 언급한 박막 또는 컨포멀 인광체층을 갖는 디바이스들은, 그 인광체 층이 깨지기 쉽기 때문에 다루기 어려울 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 인광체와 같은 파장 변환 재료는 세라믹판(ceramic slab)의 형태로 형성되며, 이것은 "냉광 세라믹(luminescent ceramics)"이라고 칭해진다. 세라믹판은 일반적으로 반도체 디바이스와는 따로 형성된 후 완성된 반도체 디바이스에 부착되거나 반도체 디바이스를 위한 성장 기판으로서 사용되는 자기 지지층(self-supporting layer)이다. 세라믹층은 반투명하거나 투명할 수 있으며, 이것은 컨포멀층과 같은 불투명한 파장 변환층에 관련된 산란 손실을 감소시킬 수 있다. 냉광 세라믹층은 박막 또는 컨포멀 인광체층보다 더 강건할 수 있다. 또한, 냉광 세라믹층은 고체이기 때문에, 마찬가지로 고체인 렌즈 및 보조 광학계 등의 추가 광학 소자들에 대한 광학적 접촉이 보다 더 용이해지게 할 수 있다.
냉광 세라믹층이 될 수 있는 인광체의 예로는, 황색-녹색 범위의 광을 방출하는 일반식 (Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb[여기에서, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z ≤ 0.1, 0 < a ≤ 0.2, 0 < b ≤ 0.1; 예를 들어 Lu3Al5O12: Ce3+ 및 Y3Al5O12:Ce3+]; 및 적색 범위의 광을 방출하는 일반식 (Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+[여기에서, 0 ≤ a < 5, 0 < x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 < z ≤ 1; 예를 들면 Sr2Si5N8:Eu2+]을 갖는 알루미늄 가넷 인광체(aluminum garnet phosphor)가 포함된다. 적합한 Y3Al5O12:Ce3+ 세라믹판은 노스캐롤라이나주 샬롯 소재의 Baikowski International사로부터 구매할 수 있다. 예를 들어, SrSi2N2O2:Eu2+ 등을 포함하는 (Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+(a=0.002-0.2, b=0.0-0.25, c=0.0-0.25, x=1.5-2.5, y=1.5-2.5, z=1.5-2.5); SrGa2S4:Eu2+ 등을 포함하는 (Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+; Sr1-xBaxSiO4:Eu2+; 및 CaS:Eu2+ 및 SrS:Eu2+ 등을 포함하는 (Ca1-xSrx)S:Eu2+ (0 < x ≤ 1)을 비롯하여, 다른 녹색, 황색 및 적색 방출 인광체도 적합할 수 있다.
냉광 세라믹은, 분말 인광체를 인광체 입자의 표면이 부드러워지고 용해되기 시작할 때까지 고압에서 가열함으로써 형성될 수 있다. 부분적으로 용해된 입자들은 서로 달라붙어서 단단한 입자 덩어리를 형성한다. 광학적으로 광학적 불연속성을 갖지 않는 단일의 큰 인광체 입자로서 거동하는 박막과는 달리, 냉광 세라믹은 단단하게 포장된(tightly packed) 개별 인광체 입자로서 거동하여, 서로 다른 인광체 입자들 간의 계면에서 작은 광학적 불연속성이 존재하게 된다. 따라서, 냉광 세라믹은 광학적으로 거의 균등질(homogeneous)이며, 냉광 세라믹을 형성하는 인광체 재료와 동일한 굴절률을 갖는다. 컨포멀 인광체층 또는 수지와 같은 투명 재료 내에 배치된 인광체층과는 달리, 냉광 세라믹은 일반적으로 인광체 자체 이외의 바 인더 재료(binder material)(예를 들어, 유기 수지 또는 에폭시)를 필요로 하지 않기 때문에, 개별 인광체 입자들 간에는 상이한 굴절률의 공간 또는 재료가 거의 존재하지 않는다. 결과적으로, 냉광 세라믹은 컨포멀 인광체층과는 달리, 투명하거나 반투명하다.
냉광 세라믹층들은 예를 들어 웨이퍼 본딩, 소결(sintering), 에폭시나 실리콘과 같은 공지된 유기 접착제로 이루어진 얇은 층과의 접착, 높은 인덱스의 무기 접착제와의 접착, 및 졸-겔 유리(sol-gel glass)와의 접착에 의해 발광 디바이스에 부착될 수 있다.
높은 인덱스의 접착제의 예로는, Schott 유리 SF59, Schott 유리 LaSF 3, Schott 유리 LaSF N18 및 이들의 조합과 같은 높은 인덱스의 광학 유리가 포함된다. 이러한 유리들은 펜실베니아 듀리에 소재의 Schott Glass Technologies사로부터 입수할 수 있다. 다른 높은 인덱스의 접착제의 예로는, (Ge, Sb, Ga)(S, Se) 칼코겐화 유리와 같은 높은 인덱스의 칼코겐화 유리(chalcogenide glass); 제한적인 것은 아니지만 GaP, InGaP, GaAs 및 GaN을 포함하는 Ⅲ-Ⅴ반도체; 제한적인 것은 아니지만 ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe 및 CdTe를 포함하는 Ⅱ-Ⅵ 반도체; 제한적인 것은 아니지만 Si 및 Ge를 포함하는 Ⅳ족 반도체 및 화합물; 유기 반도체; 제한적인 것은 아니지만 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 지르코늄 산화물, 인듐 주석 산화물 및 크롬 산화물을 포함하는 금속 산화물; 제한적인 것은 아니지만 마그네슘 불화물 및 칼슘 불화물을 포함하는 금속 불화물; 제한적인 것은 아니지만 Zn, In, Mg 및 Sn을 포함하는 금속, 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet, YAG); 인화물 화합물; 비화물 화합물; 안티몬화물 화합물; 질화물 화합물; 높은 인덱스의 유기 화합물; 및 이들의 혼합물 및 합금이 포함된다. 높은 인덱스의 무기 접착제와의 접착은, 2000년 9월 12일자 미국 출원 제09/660,317호 및 2001년 6월 12일자 미국 출원 제09/880,204호에 더 상세하게 설명되어 있으며, 이들은 여기에 참조로서 포함된다.
졸-겔 유리와의 접착은 여기에 참조로서 포함된 미국 특허 제6,642,618호에 더 상세하게 설명되어 있다. 냉광 세라믹이 졸-겔 유리에 의해 디바이스에 접착되는 실시예들에서, 티타늄, 세륨, 납, 갈륨, 비스무스, 카드뮴, 아연, 바륨 또는 알루미늄의 산화물과 같은 하나 이상의 재료가 SiO2 졸-겔 유리에 포함되어, 유리의 굴절률이 냉광 세라믹과 발광 디바이스의 굴절률에 더 잘 일치되도록 유리의 굴절률을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, Y3A15O12:Ce3+ 세라믹층은 약 1.75와 1.8 사이의 굴절률을 가질 수 있고, 반도체 발광 디바이스의 사파이어 성장 기판에 부착될 수 있으며, 이 사파이어 기판은 약 1.8의 굴절률을 갖는다. 접착제의 굴절률을 Y3Al5O12:Ce3+ 세라믹층 및 사파이어 성장 기판의 굴절률에 일치시키는 것이 바람직하다.
몇몇 실시예들에서, 냉광 세라믹은 반도체 발광 디바이스를 위한 성장 기판의 역할을 한다. 격자 부정합 기판(예를 들어, 사파이어 또는 SiC) 상에 성장가능하여, 높은 전위(dislocation) 밀도를 발생시키면서도 여전히 LED에서 높은 외적 양자 효율(external quantum efficiency)을 나타내는 InGaN과 같은 3족 질화물 발광층에서 특히 그러하다. 따라서, 반도체 발광 디바이스는 마찬가지의 방식으로 냉광 세라믹 상에 성장될 수 있다. 예를 들어, 3족 질화물 핵층은, 금속 유기 화학 기상 에피텍시(metal-organic chemical vapor-phase epitaxy) 또는 다른 에피텍시 기술을 이용하여, 전형적으로 저온(~ 550℃)에서 냉광 세라믹 기판 상에 직접 적층된다. 그 다음, 전형적으로 더 높은 온도에서 더 두꺼운 GaN층('버퍼'층)이 3족 질화물 핵층 상에 적층되어, 단결정막으로 유착된다. 버퍼층의 두께를 증가시키면, 총 전위 밀도를 감소시키고 층의 질을 향상시킬 수 있다. 마지막으로, n형 층과 p형 층이 적층되며, 그들 사이에 발광 3족 질화물 활성층이 포함된다. 3족 질화물 성장 환경(예를 들어 1000℃보다 높은 온도 및 NH3 환경)을 견딜 수 있는 능력이 성장 기판으로서의 냉광 세라믹의 선택을 좌우할 것이다. 세라믹은 다결정이고, 결과적인 3족 질화물층은 단결정이어야 하기 때문에, 특수한 성장 고려사항이 추가로 적용될 수 있다. 예를 들어, 앞에서 기술한 상황에 대하여, GaN 버퍼층에 다수의 저온 중간층을 삽입하여, GaN 성장을 '리셋'하고, 세라믹 결정체 배향 효과(ceramic grain orientation effect)가 3족 질화물 디바이스층들에 전파되는 것을 방지할 필요가 있을 수 있다. 이러한 기술들과 그 이외의 기술은 격자 부정합 기판 상에서의 성장에 관한 기술분야에 알려져 있다. 적합한 성장 기술은, 예를 들어 본 출원의 양수인에게 양도되고 여기에 참조로서 포함된 Goetz 등의 미국 특허 제6,630,692호에 설명되어 있다.
아래의 예들은 3족 질화물 발광 다이오드를 언급하지만, 본 발명의 실시예들은 Ⅲ족 인화물 및 Ⅲ족 비화물과 같은 다른 재료 시스템, 및 공진 캐비티(resonant cavity) LED, 레이저 다이오드 및 수직 캐비티 표면 방출 레이저와 같은 다른 구조의 디바이스들을 포함하는 다른 발광 디바이스들로 확장될 수 있음을 이해해야 한다.
도 2 및 도 3은 냉광 세라믹층을 포함하는 3족 질화물 디바이스를 도시한 것이다. 도 2의 디바이스에서, n형 영역(42)이 적합한 성장 기판(40) 상에 성장되고, 그에 이어 활성 영역(43) 및 p형 영역(44)이 성장된다. 성장 기판(40)은 예를 들어 사파이어, SiC, GaN 또는 임의의 다른 적합한 성장 기판일 수 있다. n형 영역(42), 활성 영역(43) 및 p형 영역(44)은 상이한 조성, 두께 및 도펀트 농도를 갖는 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, n형 영역(42) 및 p형 영역(44)은 오믹 컨택트(ohmic contact)를 위해 최적화된 컨택트층 및 활성 영역(43) 내에 캐리어들을 포함시키도록 최적화된 클래딩층을 포함할 수 있다. 활성 영역(43)은 단일 발광층을 포함할 수도 있고, 장벽층에 의해 분리된 다수의 양자우물 발광층을 포함할 수도 있다.
도 2에 도시된 디바이스에서, p형 영역(44)과 활성 영역(43)의 일부분이 에칭으로 제거되어, n형 영역(42)의 일부분이 노출된다. p 컨택트(45)는 p형 영역(44)의 남아있는 부분에 형성되고, n 컨택트(46)는 n형 영역(42)의 노출된 부분에 형성된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 광이 기판(40)의 뒷면을 통해 디바이스로부터 추출되도록, 컨택트(45 및 46)는 반사성이다. 다르게는, 컨택트(45 및 46) 는 투명할 수 있고, 또는 p형 영역(44) 및 n형 영역(42)의 표면의 많은 부분이 컨택트에 의해 덮이지 않은 채로 남아있도록 형성될 수 있다. 그러한 디바이스에서, 광은 에피텍셜 구조물의 상부 표면을 통해 디바이스로부터 추출될 수 있고, 그 표면 위에 컨택트(45 및 46)가 형성된다.
도 3에 도시된 디바이스에서, 에피텍셜층들은 p 컨택트(45)를 통해 호스트 기판(49)에 본딩된다. 본딩을 용이하게 하기 위한 추가의 층들(도시되지 않음)이 p형 영역(44)과 호스트(49) 사이에 포함될 수 있다. 에피텍셜층이 호스트(49)에 본딩된 후, 성장 기판이 제거되어 n형 영역(42)의 표면을 노출시킬 수 있다. 활성 영역의 p측에 대한 컨택트는 호스트(49)를 통해 제공된다. n 컨택트(46)는 n형 영역(42)의 노출된 표면의 일부분에 형성된다. 광은 n형 영역(42)의 상부 표면을 통해 디바이스로부터 추출된다. 성장 기판의 제거는 2004년 3월 19일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/804,810호 "Photonic Crystal Light Emitting Device"에 더 상세하게 기술되어 있으며, 이 출원은 본 발명의 양수인에게 양도되었고 여기에 참조로서 포함된다.
도 2 및 도 3에 도시된 디바이스에서, 앞에서 설명한 세라믹층과 같은 냉광 세라믹층(50)은 광이 추출되는 디바이스의 표면, 즉 도 2에서는 기판(40)의 뒷면, 도 3에서는 n형 영역(42)의 상면에 부착된다. 세라믹층(50)은 디바이스로부터의 광이 추출되는 임의의 표면 상에 형성되거나 그에 부착될 수 있다. 예를 들어, 세라믹층(50)은 도 2에 도시된 디바이스의 측면들로 연장될 수 있다. 도 3은 활성 영역(43)으로부터의 광이 세라믹층(50)으로 전달되는 것은 허용하지만 세라믹 층(50)에 의해 방출된 광은 반사시켜, 세라믹층(50)에 의해 방출된 광이 흡수 및 손실되게 되는 디바이스(52)로 들어가지 못하게 하는 선택적 필터(30)를 포함한다. 적합한 필터의 예는 캘리포니아 산타로사 소재의 Optical Coating Laboratory사 또는 리히텐슈타인 소재의 Unaxis Balzers사로부터 입수할 수 있는 이색성 필터(dichroic filter)를 포함한다.
냉광 세라믹층(50)은 단일 인광체 또는 함께 혼합된 다수의 인광체를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 세라믹층 내의 활성 도펀트의 양은 경사를 갖는다(graded). 도 4는 냉광 세라믹층 내에서의 경사진 도핑 프로파일의 일례를 도시한 것이다. 도 4의 점선은 디바이스의 표면을 나타낸다. 세라믹층에서 디바이스 표면에 가장 가까운 부분의 인광체가 최고의 도펀트 농도를 갖는다. 디바이스 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 인광체 내의 도펀트 농도가 감소한다. 도 4에는 일정한 도펀트 농도의 영역을 갖는 선형 도펀트 프로파일이 도시되어 있지만, 경사 프로파일은 예를 들어 계단형으로 경사진(step-graded) 프로파일 또는 멱수 법칙(power law) 프로파일을 포함하는 임의의 형태를 취할 수 있으며, 일정한 도펀트 농도의 영역을 다수 포함하거나 포함하지 않을 수 있음을 알아야 한다. 또한, 몇몇 실시예들에서는, 디바이스 표면에 가장 가까운 영역이 작은 도펀트 농도를 갖고 그것이 디바이스 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가하도록, 경사 프로파일을 반전시키는 것이 유리할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 디바이스 표면으로부터 가장 먼 세라믹층의 부분은 어떠한 인광체나 어떠한 도펀트도 포함하지 않을 수 있고, (아래에 설명되는 바와 같이) 광 추출을 위해 성형되지 않을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 디바이스는 도 5에 도시된 디바이스와 같이 다수의 세라믹층을 포함한다. 세라믹층(50a)은 예를 들어 도 2 및 도 3에 도시된 디바이스 중 하나인 디바이스(52)에 부착된다. 세라믹층(50b)은 세라믹층(50a)에 부착된다. 몇몇 실시예들에서, 2개의 세라믹층(50a 및 50b) 중 하나는 디바이스 내에서 사용되는 파장 변환 재료 전부를 포함하고, 2개의 세라믹층 중 다른 하나는 투명하며, 디바이스(52)에 인접한 세라믹층인 경우에는 스페이서층으로 사용되고, 디바이스(52)에서 가장 먼 세라믹층인 경우에는 광 추출층으로 사용된다. 몇몇 실시예들에서, 세라믹층(50a 및 50b) 각각이 상이한 인광체(들)를 포함할 수 있다. 도 5에는 2개의 세라믹층이 도시되어 있지만, 3개 이상의 세라믹층 및/또는 3개 이상의 인광체를 포함하는 디바이스도 본 발명의 범위 내에 포함됨을 이해해야 한다. 세라믹층(50a 및 50b) 내의 상이한 인광체들, 또는 세라믹층(50a 및 50b) 자체의 구성은, 2004년 2월 23일자로 출원되고 여기에 참조로서 포함된 미국 특허 출원 제10/785,616호에 설명되어 있는 바와 같이, 디바이스 내의 다수의 인광체들 간의 상호작용을 제어하도록 선택될 수 있다. 도 5에서는, 세라믹층(50a 및 50b)이 디바이스(52) 위에 적층된 것으로 도시되어 있지만, 다른 구성들도 가능하며 본 발명의 범위 내에 포함된다. 몇몇 실시예들에서, 하나 이상의 세라믹층을 포함하는 디바이스는 도 1에 도시된 파장 변환 재료 또는 배경기술에서 설명된 박막, 컨포멀층 및 냉광 기판과 같은 다른 파장 변환층과 조합될 수 있다. 냉광이 아닌 투명 세라믹층은, 예를 들어 활성 도펀트가 없이, 냉광 세라믹층과 동일한 호스트 재료일 수 있다.
냉광 세라믹층의 이점은, 예를 들어 광 추출의 증가를 위해 바람직한 임의의 형태로 몰딩, 연마, 머시닝(machine), 핫스탬프(hot stamp) 또는 폴리싱을 행할 수 있다는 것이다. 냉광 세라믹층은 일반적으로, Y3Al5O12:Ce3+ 세라믹층에 대하여, 예를 들어 1.75 내지 1.8의 높은 굴절률을 갖는다. 높은 인덱스의 세라믹층과 낮은 인덱스의 공기 사이의 계면에서 내부 전반사를 방지하기 위하여, 세라믹층은 도 6 및 도 7에 도시된 것이 성형될 수 있다. 도 6에 도시된 디바이스에서, 냉광 세라믹층(54)은 돔 렌즈(dome lense)와 같은 렌즈로 성형된다. 세라믹층의 상단이 도 7에 도시된 바와 같은 프레넬 렌즈 형상으로 또는 무작위로 결을 갖게 되면, 디바이스로부터의 광 추출이 더 향상될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 세라믹층의 상단은 세라믹으로 형성된 홀들의 주기적 격자와 같은 광결정 구조(photonic crystal structure)로 결을 가질 수 있다. 성형된 세라믹층은, 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 그것이 부착될 디바이스(52)의 면보다 작거나 그와 동일한 크기일 수도 있고, 또는 그것이 부착될 디바이스(52)의 면보다 클 수도 있다. 도 7에 도시된 것과 같은 디바이스에서는, 세라믹층이 실장되는 디바이스(52)의 면의 길이의 적어도 2배인 바닥 길이를 갖는 성형된 세라믹층에서 바람직한 광 추출이 예상된다. 몇몇 실시예들에서, 파장 변환 재료는 디바이스(52)에 가장 가까운 세라믹층의 부분으로만 제한된다. 다른 실시예들에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 파장 변환 재료가 제1 세라믹층(50a)에 제공된 후, 제2의 성형된 투명 세라믹층(50b)에 부착된다.
몇몇 실시예들에서는, 예를 들어 발광 디바이스 및 하나 이상의 파장 변환층으로부터의 백색광을 형성하도록 광이 혼합되는 디바이스 내에서 광을 혼합하는 데에 필요한 산란을 증가시키기 위하여, 상위 세라믹층의 표면을 거칠게 한다. 다른 실시예들에서는, 본 분야에 공지되어 있는 렌즈 또는 광 가이드와 같은 보조 광학계에 의하여 충분한 혼합이 이루어질 수 있다.
냉광 세라믹층의 다른 이점은 세라믹의 바람직한 열 특성이다. 냉광 세라믹층 및 열 추출 구조를 포함하는 디바이스가 도 8에 도시되어 있다. 도 7에서와 마찬가지로, 도 8은 광 추출을 위해 성형된 투명 또는 냉광 세라믹층(50b)을 포함한다. 선택적인 추가의 투명 또는 냉광 세라믹층(50a)이 층(50b)과 디바이스(52) 사이에 배치된다. 디바이스(52)는 예를 들어 도 2에 도시된 플립칩과 같은 서브마운트(58) 상에 실장된다. 도 3의 서브마운트(58) 및 호스트 기판(49)은 예를 들어 Cu 포일, Mo, Cu/Mo 및 Cu/W와 같은 금속; 예를 들어 Pd, Ge, Ti, Au, Ni, Ag 중 하나 이상을 포함하는, 옴 컨택트를 갖는 GaAs 및 옴 컨택트를 갖는 Si와 같은 금속 컨택트를 갖는 반도체; 및 압축 다이아몬드와 같은 세라믹일 수 있다. 층(56)은 세라믹층(50b)을 서브마운트(58)에 접속하는 열전도 재료로서, 잠재적으로 냉광 세라믹층(50a 및/또는 50b)의 온도를 감소시키고, 그에 의해 광 출력을 증가시킨다. 층(56)에 적합한 재료는 앞에서 설명한 서브마운트(submount) 재료를 포함한다. 도 8에 도시된 구성은 SiC와 같은 도전 기판을 갖는 플립칩 디바이스로부터의 열을 추출하는 데 특히 유용하다.
사파이어 기판에 확산본딩된(diffusion-bonded), 세륨-도핑된 이트륨 알루미 늄 가넷 세라믹판의 일례가 아래에 제시된다.
확산본딩된 YAG-사파이어 화합물은 그 기계적 강도가 높고 광학적 품질이 우수하여 유용하다. 조성 범위 Al2O3 및 3 Y2O3 5 Al2O3 내의 위상 다이어그램 산화이트륨-산화알루미늄에 따르면, 33％ Al을 갖는 공융합금(eutecticum)을 제외하고는, 어떠한 다른 위상도 존재하지 않는다. 그러므로, 소결본딩된(sinterbonded) YAG-사파이어 화합물은 YAG 세라믹(ni=1.84)과 사파이어 기판(ni=1.76) 간의 (아공융; eutectoidic) 계면에서 평균 굴절률을 가지며, 따라서 고품질의 광학적 컨택트가 획득될 수 있다. 또한, YAG와 사파이어의 유사한 팽창 계수(YAG: 6.9×10-6 K-1, Al2O3: 8.6 ×10-6 K-1)로 인해, 낮은 기계적 강도를 갖는 소결본딩된 웨이퍼가 생성될 수 있다.
확산-본딩된 YAG:Ce 세라믹-사파이어 웨이퍼는 다음과 같이 형성될 수 있다.
a) YAG:Ce 세라믹의 생성 : 40g Y2O3 (99.998％), 32g Al2O3 (99.999％) 및 3.44g CeO2가 롤러 벤치(roller bench) 상의 이소프로필 알코올 내에서 12시간 동안 1.5㎏의 고순도 산화알루미늄 볼(2㎜ 직경)로 제분(mill)된다. 그 다음, 건조된 전구체 분말(precursor powder)은 CO 분위기 하에서 2시간 동안 1300℃에서 생석회화(calcine)된다. 이와 같이 얻어진 YAG 분말은 에탄올 하에서 플래닛 볼 밀(planet ball mill)(아게이트 볼, agate ball)로 분쇄된다. 그 다음, 세라믹 슬러리(slurry)는 슬립 캐스트(slip cast)되어, 건조 후에 세라믹 녹색체(green body)가 얻어진다. 그 다음, 녹색체는 흑연판들 사이에서 1700℃로 2시간 동안 소결된다.
b) 사파이어 웨이퍼와 YAG:Ce 세라믹의 확산본딩 : 연마 및 폴리싱된 사파이어 및 YAG 웨이퍼는 단축 HUP(uniaxial hot pressing apparatus) 내에서 확산본딩된다. 이러한 목적을 위하여, 사파이어 및 YAG 웨이퍼는 텅스텐 포일들(0.5㎜ 두께) 사이에 적층되고, 흑연 프레싱 다이에 배치된다. 가공 속도를 증가시키기 위하여, 여러개의 사파이어/YAG:Ce 세라믹/텅스텐 포일 적층물이 적층되어 동시에 가공될 수 있다.
HUP 장치의 배기 후에, 우선, 외부 압력을 가하지 않고서 온도가 4시간 이내에 1700℃로 높아진다. 그 다음, 300bar의 단축(uniaxial) 압력이 가해지고, 2시간 동안 일정하게 유지된다. 휴지 시간 후, 압력을 일정하게 유지함으로써, 온도가 2시간 이내에 1300℃로 낮아진다. 마지막으로, 시스템은 압력을 해제한 후 6시간 이내에 실온으로 냉각된다.
c) 소결본딩된 사파이어-YAG:Ce 웨이퍼의 후가공 : 소결본딩된 웨이퍼의 표면의 연마 및 폴리싱 후, 샘플들은 공기 중에서 1300℃로 2시간 동안 어닐링되고 (가열 속도 : 300K/hr), 그 다음 12시간 이내에 실온으로 냉각된다.
본 발명이 상세하게 설명되었지만, 당업자라면 여기에 설명된 발명적 사상의 취지로부터 벗어나지 않고서 본 발명에 대한 수정이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위를 도시 및 설명된 특정 실시예들로 제한하려는 의도는 없다.

Claims (24)

  1. n형 영역(42)과 p형 영역(44) 사이에 배치된 발광층(43) 및 성장 기판(40)을 포함하는 반도체 발광 디바이스(52), 및
    상기 발광층에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치된 세라믹판(ceramic slab)의 형태인 제1 세라믹층(50, 50a)
    을 포함하며, 상기 제1 세라믹층은 파장 변환 재료(wavelength converting material)를 포함하고, 상기 제1 세라믹층과 상기 성장 기판이 소결본딩된 화합물(sinterbonded composite)을 형성하는 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층은 인광체 입자들의 단단한 덩어리를 포함하는 구조물.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 세라믹층은 바인더 재료(binder material)를 포함하지 않는 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 성장 기판과 상기 제1 세라믹층 간의 계면을 더 포함하고, 상기 계면은 상기 반도체 발광 디바이스와 상기 제1 세라믹층을 실온보다 높은 온도 및 대기압보다 높은 압력에서 함께 프레싱함으로써 형성되는 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층의 표면은 렌즈를 포함하는 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층의 표면은 돔(dome)을 포함하는 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층의 표면은 프레넬 렌즈(Fresnel lens)를 포함하는 구조물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층의 표면은 광결정 구조(photonic crystal structure)를 포함하는 구조물.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 세라믹층의 표면은 결을 갖는(textured) 구조물.
  10. 제1항에 있어서, 상기 파장 변환 재료는 도펀트로 도핑된 인광체를 포함하고, 도펀트의 농도는 경사를 갖는(graded) 구조물.
  11. 제10항에 있어서, 상기 농도는 상기 제1 세라믹층의 제1 부분의 제1 농도로부터 상기 제1 세라믹층의 제2 부분의 제2 농도까지의 경사를 갖고(graded), 상기 제1 농도는 상기 제2 농도보다 크며, 상기 제1 부분은 상기 반도체 발광 디바이스에 대하여 상기 제2 부분보다 더 가까운 구조물.
  12. 제1항에 있어서, 상기 발광층에 의해 방출되는 광의 경로 내에 배치된 제2 세라믹층(50b)을 더 포함하는 구조물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 세라믹층은 제1 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 제2 세라믹층은 제2 파장 변환 재료를 포함하는 구조물.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 세라믹층은 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 제2 세라믹층은 파장 변환 재료를 포함하지 않는 구조물.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 세라믹층 중 하나의 표면의 표면적은, 상기 반도체 발광 디바이스로부터의 광이 추출되는 상기 반도체 발광 디바이스의 표면의 표면적보다 큰 구조물.
  16. 제1항에 있어서, 상기 파장 변환 재료는 (Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb[여기에서, 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 < z ≤ 0.1, 0 < a ≤ 0.2, 0 < b ≤ 0.1], Lu3Al5O12: Ce3+ 및 Y3Al5O12:Ce3+중 하나를 포함하는 구조물.
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