KR101370324B1 - 파장-변환 반도체 발광 장치 - Google Patents

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거드 오. 뮐러
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필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨
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Abstract

인광물질과 같은 물질은 발광 영역으로부터 인광물질 내로 광을 효율적으로 추출하기 위해, n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조물에 광학적으로 결합된다. 인광물질은 반도체 구조물의 표면과 직접 접촉하는 인광물질 입자들, 또는 반도체 구조물에 결합되거나, 반도체 구조물이 성장될 수 있는 얇은 핵생성 구조물에 결합되는 세라믹 인광물질일 수 있다. 인광물질은 양호하게 매우 흡수성 있고, 매우 효율적이다. 반도체 구조물이 그러한 매우 효율적이고 매우 흡수성 있는 인광물질 내로 광을 추출할 때, 인광물질은 구조물로부터 광을 효율적으로 추출하여, 종래 장치에 존재하는 광학적 손실을 줄일 수 있다.
인광물질, 발광 영역, 반도체 구조물, 핵생성 층, 세라믹 본체, 성장 기판, 결합 층, 굴절률

Description

파장-변환 반도체 발광 장치{WAVELENGTH-CONVERTED SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
본 발명은 파장 변환 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED), 공진 공동 발광 다이오드(RCLED), 수직 공동 레이저 다이오드(VCSEL) 및 단면 발광 레이저를 포함하는 반도체 발광 장치는 현재 이용가능한 가장 효율적인 광원들 중의 하나이다. 가시 스펙트럼 전역에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도 발광 장치의 제조에서 현재 주목받는 재료 시스템은 III-V족 반도체, 특히, III-질화물 재료라고도 칭해지는 갈륨, 알루미늄, 인듐과 질소의 2원, 3원 및 4원 합금, 및 III-인화물 재료라고도 칭해지는 갈륨, 알루미늄, 인듐과 인의 2원, 3원 및 4원 합금을 포함한다. 통상적으로, III-질화물 발광 장치는 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 분자 빔 에피택시(MBE) 또는 다른 에피텍셜 기술에 의해 사파이어, 탄화규소, III-질화물 또는 다른 적합한 기판 상에 상이한 조성 및 도펀트 농도의 반도체 층의 스택을 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 흔히, 기판 위에 형성된, 예를 들어 Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층, 이 n형 층 또는 층들 위에 형성된 발광 또는 활성 영역, 및 이 활성 영역 위에 형성된, 예를 들어 Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층을 포함한다. 도전성 기판 상에 형성된 III-질화물 장치 는 장치의 반대측 상에 형성된 p-접촉부 및 n-접촉부를 가질 수 있다. 흔히, III-질화물 장치는 장치의 동일측 상에 2개의 접촉부가 있는, 사파이어와 같은 절연 기판 상에 제조된다. 그러한 장치는 (에피택시-업(epitaxy-up) 장치로 알려져 있는) 접촉부를 통해 또는 (플립 칩(flip chip) 장치로 알려져 있는) 접촉부 맞은 편의 장치의 표면을 통해 광이 추출되도록 실장된다.
도 1은 미합중국 특허 제6,650,044호에서 더욱 상세하게 설명된 III-질화물 플립 칩 장치의 한 예를 도시한 도면이다. LED(2)는 제1 도전형의 제1 반도체 층(10) 및 제2 도전형의 제2 반도체 층(12)을 포함한다. 반도체 층(10 및 12)은 활성 영역(14)에 전기적으로 결합된다. 활성 영역(14)은 예를 들어, 층(10 및 12)의 계면과 관련된 p-n 접합이다. 대안적으로, 활성 영역(14)은 n형 또는 p형 도핑되거나, 또는 도핑되지 않은 하나 이상의 반도체 층을 포함한다. 선택적인 투명 상층(superstrate)(16)은 반도체 층(10) 상에 배치된다. 접촉부(18 및 20)는 각각 반도체 층(10 및 12)에 전기적으로 결합된다. 활성 영역(14)은 접촉부(18 및 20) 양단에 적합한 전압을 인가하면 광을 방출한다. 상호접속부(22 및 24)는 각각 접촉부(18 및 20)를 기판 접촉부(26 및 28)에 전기적으로 결합시킨다. 한 구현에서, 반도체 층(10 및 12) 및 활성 영역(14)은 AlxInyGaz,N 화합물과 같은 III-질화물 화합물로부터 형성되고, 활성 영역(14)은, 예를 들어 약 470 nm의 파장에서 청색 광을 방출한다. 선택적인 투명 상층(16)은, 예를 들어 사파이어 또는 탄화규소로부터 형성된다. 기판(4)은 예를 들어, 실리콘을 포함한다. 미합중국 특허 제 6,650,044호의 컬럼 3, 라인 40-63을 참조하기 바란다.
III-질화물 LED 구조는 사파이어의 높은 온도 안정성 및 상대적인 제조 용이성으로 인해 흔히 사파이어 기판 상에 성장된다. 사파이어 기판의 사용은 반도체 층들과 기판 사이의 계면에서의 큰 굴절률 차이로 인해 불량 추출 효율을 초래할 수 있다. 광이 2가지 재료 사이의 계면 상에 입사될 때, 굴절률 차이는 얼마나 많은 광이 그 계면에서 전체적으로 내부로 반사되는지, 그리고 얼마나 많은 광이 그 계면을 통해 투과되는지 결정한다. 굴절률 차이가 클수록, 더 많은 광이 반사된다. 사파이어의 굴절률(1.8)은 사파이어 상에 성장된 III-질화물 장치 층들의 굴절률(2.4)에 비해 낮다. 그러므로, III-질화물 장치 층들 내에서 생성된 광이 반도체 층들과 사파이어 기판 사이의 계면에 도달할 때 그러한 광의 대부분이 반사된다. 전체적으로 내부로 반사된 광은 반드시 산란되고, 추출되기 전에 장치를 통해 많은 통로를 만든다. 이러한 많은 통로는 접촉부에서의 광 손실, 프리 캐리어(free carrier) 흡수, 및 III-질화물 장치 층들의 임의의 층 내의 대역간 흡수로 인해, 광의 상당한 감쇠를 초래한다. III-질화물 재료의 굴절률과 더욱 가깝게 일치하는 굴절률을 갖는 다른 성장 기판의 사용은 광 손실을 감소시킬 수 있지만, 일반적으로 완전히 제거하지는 못할 것이다. 이와 마찬가지로, III-질화물 재료와 공기 사이의 큰 굴절률 차이로 인해, 성장 기판의 제거도 또한 광 손실을 제거하지는 못할 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인광물질과 같은 물질은 발광 영역으로부터 인광물질 내로 광을 효율적으로 추출하기 위해, n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조물에 광학적으로 결합된다. 인광물질은 반도체 구조물의 표면과 직접 접촉하는 인과물질 입자일 수 있고, 또는 반도체 구조물에 또는 반도체 구조물이 성장될 수 있는 얇은 핵생성(nucleation) 구조물에 결합된 세라믹 인광물질일 수 있다. 인광물질은 양호하게 매우 흡수성 있고 매우 효율적이다. 반도체 구조물이 그러한 매우 효율적이고 매우 흡수성 있는 인광물질 내로 광을 방출할 때, 인광물질은 구조물로부터 효율적으로 광을 추출하여, 종래의 장치에 존재하는 광 손실을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 플립 칩 III-질화물 발광 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인광물질-변환 III-질화물 발광 장치를 도시한 도면.
도 3은 성장 기판 상에 성장된 III-질화물 발광 장치의 에피택셜 층을 도시한 도면.
도 4는 호스트 기판에 결합된 III-질화물 발광 장치의 에피택셜 층을 도시한 도면.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따른 인광물질-변환 III-질화물 발광 장치를 도시한 도면.
도 7, 8 및 9는 도 5 및 6에 도시된 장치를 제조하는 방법을 도시한 도면.
도 10 및 11은 도 5 및 6에 도시된 장치를 제조하는 대안적인 방법을 도시한 도면.
도 12는 패키지 발광 장치의 분해도.
도 13은 패키지 소자에 결합된 도 5의 장치를 도시한 도면.
도 1에 도시된 종래의 장치는 인광물질을 갖고 있는 층(30)을 포함한다. 인광물질은 들뜸(excitation) 에너지(보통 복사 에너지)를 흡수한 다음에, 흡수한 에너지를 초기 들뜸 에너지와 다른 에너지의 방사선으로서 방출할 수 있는 발광 물질이다. 최신 기술의 인광물질은 거의 100%의 양자 효율을 갖는데, 이것은 들뜸 에너지로서 제공된 거의 모든 광자가 인광물질에 의해 재방출된다는 것을 의미한다. 최신 기술의 인광물질은 또한 매우 흡수성이 있다. 발광 장치가 그러한 매우 효율적이고 매우 흡수성 있는 인광물질 내로 직접 광을 방출할 수 있으면, 인광물질은 그 장치로부터 광을 효율적으로 추출하여, 상술된 광 손실을 줄일 수 있다.
도 1에 도시된 장치는 이러한 인광물질의 성질을 이용하지 않는다. 도 1에 도시된 장치에서, 기판(16)은 인광물질 층(30)을 III-질화물 장치 영역(10, 12 및 14)에서 분리시킨다. 상술된 바와 같이, 많은 광은 장치 층들과 기판 사이의 계면에서의 굴절률의 단계로 인해 반도체 층들 내에 트랩(trap)된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 인광물질은 효율적인 광 추출을 용이하게 하기 위해 장치 내의 반도체 층들의 하나에 밀접하게 결합된다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예를 도시한 것으로, 인광물질의 입자는 성장 기판이 제거될 때 노출된 장치의 III-질화물 표면 상에 증착된다. 인광물질 입자(34)는 n형 영역(10)의 표면 상에 증착된다. 인광물질 입자(34)는 활성 영역(14)으로부터 방출된 광이 인광물질 입자(34)에 직접 결합되도록 n형 영역(10)과 직접 접촉한다. 광 결합 매질(32)은 인광물질 입자(34)를 그 자리에 보유하기 위해 제공될 수 있다. 광 결합 매질(32)은 상술된 종래의 결합제보다 높고, 예를 들어 1.5보다 높고, n형 영역(10)의 굴절률을 거의 초과하지 않고 가능한 한 가까운 굴절률을 갖도록 선택된다. 가장 효율적인 동작을 위해, 무손실 매질들이 n형 영역(10), 인광물질 입자(34) 및 광 결합 매질(32) 사이에 포함된다. 인광물질 입자(34)는 일반적으로 0.1과 20 마이크로미터 사이의 입자 크기를 갖고, 더욱 전형적으로 1과 8 마이크로미터 사이의 인광물질 입자 크기를 갖는다.
도 2에 도시된 장치는 종래의 성장 기판 상에 장치 층들을 성장시키고, 장치 층들을 호스트 기판에 결합시킨 다음에, 성장 기판을 제거함으로써 형성될 수 있다. 도 3은 종래의 성장 기판(16) 상에 성장된 장치 층들을 도시하고 있다. n형 영역(10)은 기판(16) 위에 성장된다. n형 영역(10)은 버퍼 층 또는 핵생성 층과 같은 선택적 준비 층, 및 성장 기판의 해제 또는 기판 제거 후의 에피택셜 층의 박막화를 용이하게 하도록 설계된 선택적 해제 층을 포함할 수 있다. 활성 영역(14)은 n형 영역(10) 위에 성장되고, 그 다음에 p형 영역(12)이 성장된다. 예를 들어, 옴(ohmic) 접촉 층, 반사 층, 장벽 층 및 결합 층을 포함하는 하나 이상의 금속 층(50)은 p형 영역(12) 위에 증착된다.
그 다음, 장치 층은 금속 층(50)의 노출된 표면을 통해 도 4에 도시된 호스트 기판(38)에 결합된다. 하나 이상의 결합 층(도시되지 않음), 전형적으로 금속 은 에피택셜 구조물과 호스트 기판 사이의 열-압축 또는 공융(eutectic) 결합을 위한 순응(compliant) 재료로서 작용할 수 있다. 적합한 결합 층 금속의 예는 금 및 은을 포함한다. 호스트 기판(38)은 성장 기판이 제거된 후 에피택셜 층에 기계적 지지를 제공하고, p형 영역(12)에 전기적 접촉을 제공한다. 호스트 기판(38)은 일반적으로 전기적으로 전도성이 있고(즉, 약 0.1 Ωcm 미만), 열적으로 전도성이 있으며, 에피택셜 층의 열 팽창 계수에 일치된 열 팽창 계수(CTE)를 갖고, 강한 웨이퍼 결합을 형성할 만큼 충분히 평탄하도록(즉, 약 10 nm 미만의 평균 제곱근 거칠기를 갖도록) 선택된다. 적합한 재료는, 예를 들어 Cu, Mo, Cu/Mo 및 Cu/W와 같은 금속; 예를 들어 Pd, Ge, Ti, Au, Ni, Ag 중의 하나 이상을 포함하는 옴 접촉부가 있는 GaAs 및 옴 접촉부가 있는 Si와 같은, 금속 접촉부가 있는 반도체; 및 화학 증착법에 의해 성장된 AlN, 압축된 다이아몬드 또는 다이몬드 층과 같은 세라믹을 포함한다.
장치 층은 장치의 전체 웨이퍼가 호스트의 웨이퍼에 결합된 다음에, 결합 후 개별 장치가 다이싱(dicing)되도록, 웨이퍼 규모로 호스트 기판(38)에 결합될 수 있다. 대안적으로, 장치의 웨이퍼는 개별 장치로 다이싱될 수 있고, 그 다음에 각 장치가 다이(die) 규모로 호스트 기판(38)에 결합된다.
호스트 기판(38) 및 에피택셜 층(10, 12 및 14)은 호스트 기판(38)과 금속 층(50) 사이의 계면에서 내구성 결합을 형성하기 위해, 예를 들어 계면에서 금속 결합 층들(도시되지 않음) 사이에 형성된 내구성 금속 결합을 형성하기 위해, 상승된 온도 및 압력에서 함께 압착된다. 결합을 위한 온도 및 압력 범위는 그 하한에서 최종적인 결합 강도에 의해 제한되고, 그 상한에서 호스트 기판 구조물, 금속화 및 에피택셜 구조물의 안정성에 의해 제한된다. 예를 들어, 고온 및/또는 고압은 에피택셜 층의 분해, 금속 접촉부의 층간분리, 확산 장벽의 결함, 또는 에피택셜 층 내의 성분 재료의 기체제거를 야기할 수 있다. 적합한 온도 범위는, 예를 들어 약 200 ℃ 내지 약 500 ℃이다. 적합한 압력 범위는, 예를 들어 약 100 psi 내지 약 300 psi이다.
사파이어 성장 기판을 제거하기 위해, 기판(16)과 결정 영역(10) 사이의 계면의 부분들은 기판(16)을 통해, 단계적이고 반복적인 패턴으로 높은 플루언스(fluence) 펄스 자외선 레이저에 노출된다. 노출된 부분들은 레이저 노출에 의해 야기된 충격 파를 분리시키기 위해, 장치의 결정 층을 통해 에칭된 트렌치에 의해 분리될 수 있다. 레이저의 광자 에너지는 사파이어(몇몇 실시예에서 GaN)에 인접한 결정 층의 밴드 갭 이상이므로, 펄스 에너지는 사파이어에 인접한 에피택셜 재료의 처음 100 nm 내에서 열 에너지로 효율적으로 변환된다. 충분히 높은 플루언스(즉, 약 1.5 J/㎠보다 높음) 및 GaN의 밴드 갭 이상이고 사파이어의 흡수 에지 이하인 광자 에너지(즉, 약 3.44와 약 6 eV 사이)에서, 처음 100 nm 내에서의 온도는 GaN이 갈륨 및 질소 개스로 해리될 만큼 충분히 높은, 1000 ℃보다 높은 온도로 나노초 규모로 상승하여, 에피텍셜 층을 기판(16)에서 해제시킨다. 최종적인 구조는 호스트 기판(38)에 결합된 에피택셜 층(10, 12 및 14)을 포함한다. 특정 성장 기판에 적합한 임의의 제거 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, Si, SiC, Si에 기초하여 만들어진 기판, 및 GaAs와 같은 성장 기판은 에칭, 래 핑(lapping) 또는 그 조합과 같은 다른 수단에 의해 제거될 수 있다.
성장 기판이 제거된 후, 나머지 에피택셜 층은, 예를 들어 기판(16)에 가장 가깝고 낮은 재료 품질로 된 n형 영역(10)의 부분들을 제거하기 위해, 박막화될 수 있다. 에피택셜 층은 예를 들어, 화학적 기계적 연마, 종래의 건식 에칭, 또는 광 전기화학 에칭(PEC)에 의해 박막화될 수 있다. 에피택셜 층의 상부면은 추출된 광의 양을 증가시키기 위해 텍스처링되거나 거칠게 될 수 있다. 그 다음, 접촉부(18)가 n형 영역(10) 상에 형성된다. 접촉부(10)는, 예를 들어 그리드(grid)일 수 있다. 도 2에서 영역(36)인, 접촉부(18) 아래의 에피택셜 층은 접촉부(18) 아래의 활성 영역(14)의 부분으로부터의 광 방출을 방지하기 위해, 예를 들어 수소가 주입될 수 있다.
그 다음, 인광물질 입자(34)는 n형 영역(10)의 노출된 표면 상에 직접 증착된다. 인광물질 입자(34)는 예를 들어, 전기이동 증착, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 스크린-프린팅 또는 다른 프린팅 기술에 의해 도포될 수 있다. 스핀 코팅 또는 스프레이 코팅과 같은 기술에서, 인광물질은 유기 결합제가 있는 슬러리 내에 배치될 수 있는데, 그 다음에 이 유기 결합제는, 예를 들어 가열에 의한 슬러리 증착 후에 증발된다. 그 다음, 결합 매질(32)이 도포될 수 있다. 인광물질 입자는 나노입자 자체, 즉 100에서 1000 nm 범위의 입자 크기일 수 있다. 통상적으로 스프레이 열분해 방법 또는 다른 방법에 의해 생성된 구형 인광물질 입자가 도포될 수 있어서, 유리한 산란 특성을 제공하는 높은 패키지 밀도를 갖는 층을 산출할 수 있다. 또한, 인광물질 입자는, 예를 들어 SiO2, Al2O3, MePO4 또는 -폴리포스페이트(-polyphosphate), 또는 다른 적합한 금속 산화물과 같은 인광물질에 의해 방출된 광보다 더 큰 밴드 갭을 갖는 재료로 코팅될 수 있다.
결합 매질(32)은 화학 증착법에 의해 증착된, 예를 들어 SiNx 또는 고 굴절률(high index) 유리일 수 있다. 고 굴절률 유리의 예는 쇼트 글라스(Schott glass) SF59, 쇼트 글라스 LaSF 3, 쇼트 글라스 LaSF N18 및 그 혼합을 포함한다. 이들 유리는 펜실베니아(Pa) 두리예이(Duryea)에 위치한 Schott Glass Technologies Incorporated로부터 이용가능하다. 다른 고 굴절률 결합 매질의 예는 (Ge,Sb,Ga)(S,Se) 칼코겐화물(chalcogenide) 유리와 같은 고 굴절률 칼코겐화물 유리; GaN을 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 III-V 반도체; ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe 및 CdTe를 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 II-VI 반도체; 유기 반도체; 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 지르코늄 산화물, 인듐 틴 산화물 및 크로뮴 산화물을 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 금속 산화물; 알루미나 및 스피넬(spinel)과 같은 알루미늄-기초 산화물; 마그네슘 플루오르화물 및 칼슘 플루오르화물을 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 금속 플루오르화물; Zn, In, Mg 및 Sn을 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 금속; 인화물 화합물; 비화물 화합물; 안티몬화물 화합물; 질화물 화합물; 고 굴절률 유기 화합물; 및 그 혼합물 또는 합금을 포함한다.
적합한 결합 매질의 다른 예는 결합 매질 내로 편입된 다음에 인광물질 층(34) 내로 주입된 고 굴절률 나노입자이다. 그러한 실시예에서, 발광 영역에 의해 방출된 광의 파장에서 결합 매질보다 큰 굴절률을 갖는 나노입자는 상당히 투명한 결합 매질 내에 분산된다. 나노입자는 대략, 발광 영역에 의해 방출된 광의 파장(예를 들어, 피크 파장)보다 작은 직경을 갖도록 선택되므로, 방출된 광을 거의 산란시키지 않는다. 양호하게, 나노입자는 발광 영역의 피크 방출 파장의 약 1/4보다 작은 직경을 갖는다. 예를 들어, 나노입자는 발광 영역이 약 400 nm보다 큰 파장을 갖는 광을 방출하는 장치에서 약 2 nm 내지 약 50 nm의 직경을 가질 수 있다. 결합 매질은 대체로 투명한데, 이것은 결합 매질이 발광 영역에 의해 방출된 피크 파장에서 광을 투과시킨다는 것을 의미하는 것으로, 흡광 또는 산란으로 인한 단일 통과 손실이 약 25% 미만, 양호하게 약 10% 미만, 더욱 양호하게 2% 미만이다. 결합 매질은 유기물 또는 무기물일 수 있고, 예를 들어 종래의 에폭시, 아크릴 폴리머, 폴리카보네이트, 실리콘 폴리머, 광학 유리, 칼코겐화물 유리, 스피로(spiro) 화합물, 및 그 혼합물을 포함하지만 이것에 제한되지는 않는 재료를 포함할 수 있다. 나노입자는 발광 영역에 의해 방출된 파장에서, 특히 피크 방출 파장에서 광을 거의 흡수하지 않는다. "거의 흡수하지 않는다" 및 "거의 흡수하지 않는"이라는 표현은 그러한 구현에서의 나노입자가 피막제(encapsulant)에 의해 투과된 광의 단일 통과 손실을 약 30%보다 많이 증가시키지 않는, 양호하게는 약 20%보다 많이 증가시키지 않을 만큼 충분히 비흡수적이라는 것을 나타내기 위해 여기에서 사용된다. 본 분야에 숙련된 기술자는 발광 영역에 의해 방출된 광의 나노입자에 의한 흡광으로 인한 손실이 개별 나노입자들의 흡광 단면, 결합 매질 내의 나 노입자들의 농도, 및 형편에 따라서는 나노입자들과 그 주위 재료 사이의 상호작용에 따라 다를 것이라는 것을 이해할 것이다. 그러한 구현에 적합한 나노입자는 금속 산화물, 질화물, 인산염, 니트리도규산염(nitridosilicates) 및 그 혼합물을 포함할 수 있는데, 이것에 제한되는 것은 아니다. 적합한 금속 산화물은 산화칼슘, 산화세륨, 산화하프늄, 산화티타늄, 산화아연, 산화지르코늄 및 그 조합을 포함할 수 있는데, 이것에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 약 2 nm에서 약 10 nm 범위의 크기를 갖는 그러한 금속 산화물의 나노입자는 예를 들어, Frankfurt/Main Germany의 Degussa-Huls AG로부터 이용가능하다. 그러한 구현에 적합한 나노입자는 또한 황화아연, 셀렌화아연, 황화카드뮴, 셀렌화카드뮴, 텔루르화카드뮴, 및 그들의 3원 또는 4원 혼합물과 같은 II-VI 반도체의 나노입자, 및 III-질화물, III-인화물 및 그 혼합물과 같은 III-V 반도체의 나노입자를 포함할 수 있다. 이중 또는 다중-셸(shell) 나노입자가 사용될 수 있다. 나노입자는 상술된 바와 같이 이전의 처리 단계에서 결합 매질 내에 현탁되거나 인광물질 상에 코팅될 수 있다.
적합한 결합 매질의 다른 예는 졸-겔 처리에 의해 인광물질 입자(34) 내로 주입된 고 굴절률 유리이다. 그 다음, 임의의 유기물은 후속 어닐링에 의해 제거된다. 결합 매질이 졸-겔 유리인 실시예에서, 티타늄, 세륨, 납, 갈륨, 비스무스, 카드뮴, 아연, 바륨 또는 알루미늄의 산화물과 같은 하나 이상의 재료는 장치의 인광물질 및 III-질화물 층의 굴절률과 유리의 굴절률을 더욱 가깝게 일치시키기 위해 유리의 굴절률을 증가시키도록 SiO2 졸-겔 유리 내에 포함될 수 있다. 예를 들 어, Y3Al5O12:Ce3 + 인광물질은 약 1.75와 1.8 사이의 굴절률을 가질 수 있고, 약 2.4의 굴절률을 갖는 III-질화물 층에 부착될 수 있다. 그러한 장치의 양호한 실시예에서, 결합 매질의 굴절률은 Y3Al5O12:Ce3 +와 III-질화물 층의 굴절률들 사이에 있다. 예를 들어, 여기에서 참조로 사용된 Fabes 등 저의 "Porosity and composition effects in sol-gel derived interference filters", Thin Solid Films 254(1995) 175-180에는 n=1.85로 계산된 이론적 굴절률을 갖는 SiO2-TiO2-Al2O3 코팅 용액이 상술되어 있다. 인광물질은 그러한 용액과 함께 주입되어, 인광물질 및 코팅 용액 슬러리를 형성하는데, 이 슬러리는 다음에, 예를 들어 스핀 코팅에 의해 장치 표면 상에 증착되고, 건조된 다음에, 코팅 용액에 적절한 온도에서 점화된다.
반사경(dichroics) 또는 편광기와 같은 본 분야에 공지된 이차 광학계는 휘도 또는 변환 효율의 다른 이득을 제공하기 위해 인광물질 입자(34), 결합 매질(32) 및 접촉부(18)의 전 또는 후의 방출면 상에 적용될 수 있다.
도 5 및 6은 인광물질이 인광물질 분말이라기 보다는 오히려 세라믹 인광물질인 본 발명의 실시예를 도시하고 있다. 세라믹 인광물질은 인광물질 입자의 표면이 연화되어 녹기 시작할 때까지 고압에서 분말 인광물질을 가열함으로써 형성될 수 있다. 부분적으로 용융된 입자들은 단단한 입자 덩어리를 형성하기 위해 함께 교착된다. 단축 또는 등압 성형 단계, 및 미리 형성된 "성형체(green body)"의 진공 소결은 다결정 세라믹 층을 형성하기 위해 필요로 될 수 있다. 세라믹 인광물 질의 반투명성(translucency), 즉 그것이 생성하는 산란의 양은 가열 또는 가압 조건, 제조 방법, 사용된 인광물질 입자 선구물질, 및 인광물질 재료의 적합한 결정 격자를 조정함으로써 높은 불투명에서 높은 투명까지 제어될 수 있다. 인광물질 외에, 알루미나와 같은 다른 세라믹 형성 재료는 예를 들어, 세라믹의 형성을 용이하게 하기 위해, 또는 세라믹의 굴절률을 조정하기 위해 포함될 수 있다.
광학적 불연속성이 없는 광학적으로 단일의 큰 인광물질 입자로서 작용하는 박막과 달리, 세라믹 인광물질은 상이한 인광물질 입자들 사이의 계면에서 작은 광학적 불연속성이 있도록, 단단히 채워진 개별 인광물질 입자들로서 작용한다. 그러므로, 세라믹 인광물질은 광학적으로 거의 균질하고, 세라믹 인광물질을 형성하는 인광물질 재료와 동일한 굴절률을 갖는다. 수지와 같은 투명 재료 내에 배치된 인광물질 층 또는 등각 인광물질 층과 달리, 발광성 세라믹은 일반적으로, 개별 인광물질 입자들 사이에 상이한 굴절률의 매우 작은 공간 또는 재료가 있도록, 인광물질 자체 이외에 (유기 수지 또는 에폭시와 같은) 결합제 재료를 조금도 필요로 하지 않는다.
예를 들어, YAG:Ce 세라믹은 다음과 같이 형성될 수 있다: 40g Y2O3(99.998%), 32g Al2O3(99.999%) 및 3.44g CeO2가 12시간 동안 롤러 벤치 상에서 이소프로판올 내의 1.5 kg 고순도 알루미나 볼(2 mm 직경)로 밀링(milling)된다. 그 다음, 건조된 선구물질 분말은 CO 분위기 하에서 2시간 동안 1300 ℃에서 구워진다. 그 다음, 얻어진 YAG 분말은 에탄올 하에서 플래닛 볼 밀(planet ball mill)(마노(agate) 볼)로 분쇄된다. 그 다음, 세라믹 슬러리는 건조 후에 세라믹 성형체를 얻기 위해 슬립 캐스팅(slip casting)된다. 그 다음, 성형체는 1700 ℃에서 2시간 동안 흑연 판들 사이에서 소결된다.
세라믹 인광물질로 형성될 수 있는 인광물질의 예는 황색-녹색 범위의 광을 방출하는 Lu3Al5O12:Ce3 + 및 Y3Al5O12:Ce3 +와 같은 (Lu1 -x-y-a- bYxGdy)3(Al1 -zGaz)5O12:CeaPrb(여기에서, 0<x<1, o<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1); 및 적색 범위의 광을 방출하는 Sr2Si5N8:Eu2 +와 같은 (Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 - aOa:Euz 2 +(여기에서, 0≤a<5, 0<x≤1, o≤y≤1 및 0<z≤1)의 일반 공식을 갖는 알루미늄 가닛(garnet) 인광물질을 포함한다. 적합한 Y3Al5O12:Ce3 + 세라믹 슬랩(slab)은 노스캐롤라이나(NC) 샬롯(Charlotte)에 위치한 Baikowski International Corporation으로부터 구입될 수 있다. 그외 다른 녹색, 황색 및 적색 방출 인광물질이 또한 적합한데, 예를 들어 SrSi2N2O2:Eu2 +를 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); 예를 들어 SrGa2S4:Eu2+를 포함하는 (Sr1 -u-v- xMguCavBax)(Ga2 -y- zAlyInzS4):Eu2 +; Sr1 - xBaxSiO4:Eu2 +; 및 예를 들어 CaS:Eu2 + 및 SrS:Eu2 +를 포함하는 (Ca1 - xSrx)S:Eu2 +(여기에서, 0<x≤1)를 포함한다.
세라믹 인광물질은 직접 웨이퍼 결합에 의해서 또는 중간 결합층(도 5 및 6에 도시되지 않음)을 통해서, 핵생성 구조물(58)과 세라믹 인광물질 사이의 계면에서 결합부(56)에 의해 핵생성 구조물(58)에 결합된다. 결합층이 사용되면, 결합층은 결합층이 붙여지는 III-질화물 층의 굴절률과 세라믹 인광물질의 굴절률 사이의 굴절률을 갖도록 선택된다. 상술된 다수의 고 굴절률 결합 재료는 적합한 결합층을 만들 수 있다.
도 5에 도시된 실시예에서, 모든 광 방출이 세라믹 인광물질 쪽으로 향하게 되도록, p-접촉부(20)가 반사적이거나, 추가 반사기가 접촉부(20) 부근에 제공될 수 있다. 선택적인 반사기(54), 예를 들어 분포형 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)는 변환되지 않은 세라믹 인광물질에서 새나오는 활성 영역으로부터의 방출량을 제어하기 위해, III-질화물 장치 층 맞은 편의 세라믹 인광물질의 표면 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 활성 영역이 UV 광을 방출하는 장치에서, 반사기(54)는 변환되지 않은 방출을 완전히 필터링할 수 있다. 활성 영역이 청색 광을 방출하는 장치에서, 반사기(54)는 원하는 방출 스펙트럼을 달성하기 위해 세라믹 인광물질에서 새나오는 변환되지 않은 청색 광의 양을 감쇠시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반사기(54)는 생략될 수 있고, 장치 층 맞은 편의 세라믹 인광물질(52)의 표면은 거칠게 되고, 텍스처링되거나 또는 광 추출을 개선하도록 성형될 수 있다. 또한, 세라믹 인광물질의 반투명성, 즉 그것이 생성하는 산란의 양은 상술된 바와 같이, 고 불투명에서 고 투명까지 제어될 수 있다.
도 5에 도시된 실시예는 도 13에 도시된 바와 같은 패키지 소자에 결합될 수 있다. 그러한 장치는 2004년 10월 28일자로 출원되고, 발명이 명칭이 "Package-Integrated Thin Film LED"이며, 여기에서 참조로 사용되는 출원 번호 제10/977,294호에 더욱 상세하게 설명된다. 도 13에 도시된 장치에서, 발광 영역을 포함하는 반도체 구조물(130)은 후술되는 바와 같이, 결합된 계면(56)에 의해 세라믹 인광물질(52)에 결합된다. 접촉부(18 및 20)는 반도체 구조물(130) 상에 형성되는데, 이들은 금속 계면(134)에 의해 패키지 소자(132)에 접속된다. 패키지 소자(132)는 일반적으로 반도체 구조물(130)의 가로 길이를 초과하는 가로 길이를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 패키지 소자(132)와 세라믹 인광물질(52) 사이에 배치된 모든 층은 100 마이크로미터 미만의 두께를 갖는다. 도 13은 접촉부(18 및 20)가 반도체 구조물의 동일측 상에 형성되는 플립 칩 구성으로 패키지 소자(132) 상에 실장된 반도체 구조물(130)을 도시하고 있지만, 대안적인 실시예에서, 세라믹 인광물질(52)의 일부는 접촉부(18)가 접촉부(20)와 반대측의 반도체 구조물(130) 상에 형성되도록 제거될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, p-접촉부(60) 및/또는 n-접촉부(61)는 최소한 부분적으로 투명하고, 반사기(62)는 모든 광 방출이 접촉부(60 및 61)를 통해 장치에서 나오도록, 세라믹 인광물질(52)의 뒷면 상에 형성되거나 그 뒷면에 부착된다.
몇몇 실시예에서, 세라믹 인광물질은 인광물질보다 오히려 비활성 입자를 갖거나 활성 도펀트가 없는 인광물질 결정을 갖는 부분을 포함하여, 이들 부분이 광을 흡수하거나 방출하지 못하게 한다. 예를 들어, SiNx는 비활성 입자로서 세라믹 인광물질(52) 내에 포함될 수 있다. 세라믹 인광물질 내의 활성 도펀트는 또한, 예를 들어 장치 표면에 가장 가까운 세라믹 부분 내의 인광물질이 최고 도펀트 농도를 갖도록, 점차 변화될 수 있다. 장치 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라, 인광물질 내의 도펀트 농도는 감소한다. 도펀트 프로파일은 예를 들어, 선형, 단계적 경사형, 또는 거듭제곱 분포를 포함하는 임의의 형태를 가질 수 있고, 일정한 도펀트 농도 영역이 다수 있거나 하나도 없을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 장치 표면에서 가장 먼 세라믹 층 부분은 어떤 인광물질 또는 어떤 도펀트도 함유하지 않을 수 있다. 세라믹 인광물질 두께 및 활성 도펀트의 로딩은 원하는 방출 스펙트럼을 생성하기 위해 맞춤화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 세라믹 인광물질은 광의 동일한 또는 상이한 파장들을 각각 방출하는 다수의 인광물질을 포함한다. 다수의 인광물질은 혼합되어 단일의 균질한 세라믹 인광물질로 형성될 수 있고, 또는 다수의 인광물질은 세라믹 인광물질 내에 인광물질 층들의 스택을 구성하는 분리된 층들로 형성될 수 있다. 이와 마찬가지로, 동일한 인광물질 재료의 다수의 세라믹 층은 함께 결합되어, 다층 세라믹 스택을 형성할 수 있다. 세라믹 인광물질을 포함하는 장치는 또한 종래의 인광물질 층, 그러한 등각 인광물질 층 또는 에폭시 내에 배치된 인광물질과 함께 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 장치는 도 7, 8 및 9에 도시된 바와 같이, 성장 기판으로서 세라믹 인광물질(52)을 사용하여 제조될 수 있다. 도 7에서, 단결정 핵생성 층(58)은 성장 기판(16) 위에 성장된다. 도 7의 양호한 실시예에서, 핵생성 층(58)은 GaN이고, 성장 기판(16)은 사파이어이다. 핵생성 층(58)의 표면 및 세라 믹 인광물질(52)의 표면은 함께 결합된다. 선택적인 결합 층은 2개의 결합된 표면들 사이에 배치될 수 있다. 결합 층은 양호하게 매우 투명하다. 양호한 실시예에서, 결합 층은 높은 굴절률을 갖는데, 예를 들어 세라믹 인광물질(52)의 굴절률과 핵생성 층(58)의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다. 적합한 고 굴절률 재료의 예는 TiO2이다. 투명한 저 굴절률 재료는 결합 층이 얇다면 결합 층으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, SiO2는 예를 들어, 100 Å 미만의 두께에서 결합 층으로서 사용될 수 있다. 흡광 재료는 결합 층이 매우 얇다면 결합 층으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, Si는 예를 들어, 수개의 나노층 미만의 두께에서 결합 층으로서 사용될 수 있다.
표면은 전형적으로, 상승된 온도 및 압력 하에서 결합된다. 결합을 위한 적절한 온도는 예를 들어, 500과 1000 ℃ 사이일 수 있고; 결합을 위한 적절한 압력은 예를 들어, 5와 1000 psi 사이일 수 있다. 표면은 지정된 기간 동안, 예를 들어 최소한 한 시간 동안, 예를 들어 N2의 분위기에서 상기 온도 및 압력에서 함께 압착될 수 있다. 이들 조건 하에서, 2개의 표면 사이에 강한 결합이 형성된다. 그러한 결합은 추가 반도체 층의 성장과 같은, 결합에 계속되는 다른 반도체 처리를 위해 필요한 온도에 잘 견딜 수 있다. 결합 후, 성장 기판(16)은 상술된 바와 같은 사파이어 기판을 위한 레이저 용융, 에칭 또는 래핑과 같이 기판에 적합한 방법에 의해 제거될 수 있다.
대안적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 단결정 핵생성 층(58)은 성장 기 판(16) 위에 형성되는 층(74)의 부분으로서 형성될 수 있다. 도 8에서, 핵생성 층(58)은 예를 들어, SiC, Al2O3, GaN 또는 AlN일 수 있다. 성장 기판(16)은 임의의 적합한 기판일 수 있다. 수소와 같은 주입 종은 도 8에서 참조번호(72)로 도시된 바와 같이, 층(74) 내에 주입된다. 그 다음에, 핵생성 층(58)의 표면 및 세라믹 인광물질(52)의 표면은 도 7과 관련하여 상술된 바와 같이 함께 결합된다. 결합 후, 성장 기판(16) 및 나머지 층(74)은 주입 종(72)이 분리될 때까지 구조물을 가열함으로써 제거되어, 성장 기판을 핵생성 층(58) 및 세라믹 인광물질(52)로부터 해제시킨다.
도 7 및 8에서, 결합은 추가 반도체 층의 성장을 견딜 수 있는 핵생성 층(58)과 세라믹 인광물질(52) 사이에 형성된다. 도 9에 도시된 바와 같이, n형 영역(10), 활성 영역(14) 및 p형 영역(12)을 포함하는 장치 층은 그 다음 핵생성 층(58) 위에 성장된다. 완료된 장치에서, 핵생성 층(58) 측에서 새나오는 광의 양을 최소화하기 위해, 핵생성 층(58)이 가능한 한 얇게, 예를 들어 100 마이크로미터보다 얇게, 양호하게 10 마이크로미터보다 얇게, 더욱 양호하게 1 마이크로미터보다 얇게 되는 것이 바람직하다. III-질화물 장치 층의 성장 이전에, 핵생성 층(58)은 선택적으로 얇게 될 수 있다.
도 7의 양호한 실시예에서, 기판(16)은 사파이어이고, 핵생성 층(58)은 GaN 또는 AlN이다. 부르자이트(Wurtzite) III-질화물 층은 갈륨 결정면(crystal face) 및 질소 결정면을 갖는다. GaN 또는 AlN이 통상적으로 사파이어 상에 성장될 때, 결정층의 상부 표면은 전형적으로 갈륨 면이다. 따라서, 핵생성 층(58)이 세라믹 인광물질(52)에 결합되고, 성장 기판(16)이 제거될 때, 핵생성 층(58)의 노출된 표면은 질소 면이다. n형 영역(10), 활성 영역(14) 및 p형 영역(12)을 포함하는 장치 층은 핵생성 층(58)의 질소 면 상에 핵생성 층(58)과 동일한 질소-면 배향으로 성장될 수 있다. 질소-면 막은 예를 들어, 분자 빔 에피택시 또는 MOCVD에 의해 성장될 수 있고, "Morpohological and structure characteristics of homoepitaxial GaN grown by metalorganic chemical vapour deposition(MOCVD)", Journal of Crystal Growth 204(1999) 419-428 및 "Playing with Polarity", Phys. Stat. Sol.(b) 228, No.2, 505-512(2001)에서 더욱 상세하게 설명되는데, 이 둘은 여기에서 참조로 사용된다. 대안적으로, 결정 성장 방향을 낮은 온도 반도체 층과 같은 갈륨 면으로 다시 맞추는 구조물은 장치 층이 통상적으로 갈륨 면 상에 성장되도록, 장치 층 이전에 성장될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 핵생성 층(58)은 세라믹 인광물질(52)로의 결합 및 성장 기판(16)의 제거 후에, 노출된 표면이 갈륨 면이 되도록, 표면 상에서 질소 면으로 성장될 수 있다. 장치 층이 성장된 후, 장치는 예를 들어, n형 영역(10)의 부분을 노출시키도록 에칭한 다음에 n형 영역(10) 및 p형 영역(12) 상에 접촉부를 형성함으로써, 도 5 및 6에 도시된 장치들 중의 어느 장치로 종래의 수단에 의해 처리될 수 있다. 세라믹 인광물질은 웨이퍼의 다이싱 이전에, 에칭 또는 래핑과 같은 종래의 처리에 의해 제거되거나 얇게 될 수 있다.
대안적으로, 도 5 및 6에 도시된 장치는 장치 층을 성장 기판 상에 성장한 다음에, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 장치 층을 호스트 기판으로서 세라믹 인광물질에 결합함으로써 제조될 수 있다. 그러한 실시예에서, p형 영역은 활성 영역 및 n형 영역 이전에 성장된다. 그러므로, n형 또는 비도핑 영역(76)은 성장 기판(16) 위에서 직접 성장된다. 이 영역은 버퍼 층 또는 핵생성 층과 같은 선택적인 준비 층, 및 성장 기판의 해제, 또는 기판 제거 후의 에피택셜 층의 박막화를 용이하게 하기 위해 설계된 선택적인 해제 층을 포함할 수 있다. 그 다음, p형 영역(12)이 성장된 다음에, 활성 영역(14) 및 n형 영역(10)이 성장된다. 그 다음, n형 영역(10)의 표면은 도 10에 도시되고 도 7과 관련하여 상술된 바와 같이, 결합부(6)를 통해 세라믹 인광물질 층(52)에 결합된다. 도 10은 n형 영역(10)의 표면에 형성된 결합부(56)를 나타내고 있지만, 세라믹 인광물질(52)에 결합된 반도체 구조물의 표면은 p형, n형 또는 비도핑일 수 있다. 결합부(56)는 투명해야 된다. 결합 층은 상술된 바와 같이, 결합을 용이하게 하기 위해 2개의 결합된 표면 사이에 배치될 수 있다. 일단 성장 기판(16)이 도 11에 도시된 바와 같이 제거되면, 에피택셜 층은 성장 기판 위에 직접 성장된 영역을 제거하기 위해 에칭되어, p형 영역(12)을 노출시킨다. p형 영역(12)의 표면은 여기에서 참조로 사용되는 "Polarization-Reversed III-Nitride Light-emitting Device", 출원 번호 [대리인 사건 번호 LUM-04-10-02]에 더욱 상세하게 설명된 바와 같이, 홀의 밀도를 증가시키고, 에칭에 의해 야기된 손상을 회복하기 위해, 예를 들어 p+ 재료(78)를 재성장하거나 암모니아 하에서 어닐링함으로써 처리될 수 있다. 그 다음, 웨이퍼는 도 5 및 6의 장치들 중의 어느 장치로 종래의 수단에 의해 처리될 수 있지만; 그러한 장 치는 도 5 및 6에 도시된 핵생성 층(58)을 포함하지 않았을 것이고, 오히려 결합부(56)가 세라믹 인광물질 층(52)과 n형 영역(10) 사이에 배치되었을 것이다.
특히, 광이 세라믹 인광물질을 통해 장치로부터 추출되는 도 5의 장치에서의 세라믹 인광물질의 장점은 세라믹 층들을, 예를 들어 증가된 광 추출을 위해 바람직한 모양으로 몰딩, 연삭, 가공, 핫 스탬핑 또는 연마하는 능력이다. 발광성 세라믹 층들은 일반적으로, Y3Al5O12:Ce3 + 세라믹 인광물질의 경우에 고 굴절률, 예를 들어 1.75 내지 1.8을 갖는다. 고 굴절률 세라믹 인광물질과 공기 사이의 계면에서 총 내부 반사를 방지하기 위해, 세라믹 인광물질은 돔(dom) 렌즈 또는 프레넬(Fresnel) 렌즈와 같은 렌즈로 성형될 수 있다. 장치로부터의 광 추출은 임의적으로 또는 반복 패턴으로 세라믹 인광물질의 상부를 거칠게 하거나 텍스처링함으로써 더욱 개선될 수 있다. 또한, 세라믹 인광물질의 범위는 시야각에 대해 균일한 컬러를 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 인광물질이 발광 영역에 의해 방출된 변환되지 않은 청색 광과 결합하는 장치에서, 세라믹 인광물질이 활성 영역보다 상당히 작으면, 위에서 보았을 때, 백색 광은 청색 링으로 둘러싸인 것처럼 보일 수 있다. 세라믹 인광물질이 활성 영역보다 상당히 크면, 백색 광은 황색 링으로 둘러싸인 것처럼 보일 수 있다. 세라믹 인광물질이 렌즈로 성형되는 실시예에서, 세라믹 인광물질이 실장되는 장치 면 길이의 최소한 두배의 하부 길이를 갖는 성형된 세라믹 인광물질의 경우에 유리한 광 추출이 예상된다. 그러한 실시예에서, 세라믹 본체 내의 파장-변환 인광물질의 위치는 광의 균일한 혼합을 제 공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 파장 변환 재료는 장치의 상부 반도체 층에 가장 가까운 세라믹 본체 부분에 한정될 수 있다. 다른 실시예에서, 파장 변환 재료는 제1의 세라믹 인광물질 본체 내에 제공된 다음에, 제2의 성형된 투명 세라믹 본체에 부착될 수 있다.
도 12는 미합중국 특허 제6,274,924호에 더욱 상세하게 설명된 바와 같은, 패키지된 발광 장치의 분해도이다. 히트-싱킹 슬러그(heat-sinking slug)(100)는 삽입-몰드 리드프레임(insert-molded leadframe) 내로 배치된다. 삽입-몰드 리드프레임은, 예를 들어 전기 경로를 제공하는 금속 프레임(106) 주위에 몰딩된 충전된 플라스틱 재료(105)이다. 슬러그(100)는 선택적인 반사기 컵(102)을 포함할 수 있다. 상기 실시예에서 설명된 장치들 중의 어느 것일 수 있는 발광 장치 다이(104)는 열 전도 서브마운트(103)를 통해 슬러그(100)에 직접적으로 또는 간접적으로 실장된다. 광학 렌즈일 수 있는 커버(108)가 추가될 수 있다.
본 발명의 실시예는 몇 가지 장점을 제공할 수 있다. 먼저, 활성 영역에서 방출된 광은 거의 손실 없이 인광물질에 의해 흡수될 높은 확률을 갖는다. 광이 인광물질에 의해 재방출될 때, 그 광은 인광물질에서 나와야 하지만, 인광물질 영역 내의 환경은 광학적으로 거의 손실이 없다. 인광물질 영역은 인광물질에 의한 산란 및 재흡수와 재방출을 통해, 광이 인광물질에서 주위로 나오기 위해 필요한, 많은 랜덤화 이벤트를 제공한다. 따라서, 상술된 실시예는 종래의 장치보다 더 양호한 광 추출을 제공할 수 있다. 둘째, 상술된 몇몇 실시예는 도 1에 도시된 종래의 장치에서 사용된 유기 결합제를 제거하므로, 예를 들어 고온 동작 동안에, 그들 유기 결합제의 성능저하에 의해 야기된 문제들을 제거한다.
일차적인 발광 층에 의해 방출된 광의 높은 흡수, 및 높은 양자 효율과 같은, 상술된 인광물질의 바람직한 특성을 갖는 임의의 발광성 물질은 상술된 실시예에서 광을 효율적으로 생성하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 인광물질에 제한되지 않는다. 발광 영역에 의해 방출된 파장에서 굴절률의 큰 허수 성분 k를 갖고, 예를 들어 몇몇 III-V 및 II-VI 반도체와 같이, 변환된 파장에서 무시할 만한 k를 갖는 파장-변환 재료는 본 발명의 몇몇 실시예에서 인광물질 대신에 사용될 수 있다. 특히, 적절한 재료에서, 일차적인 발광 영역에 의해 방출된 파장에서, k는 0.01보다 크고, 더욱 양호하게 0.1보다 크며, 더욱 양호하게 1보다 크다. 그러한 실시예에서, 특히 III-V 및 II-VI 반도체 실시예에서, 일차적인 발광 영역으로부터의 (100 W/㎠ 이상만큼) 높은 플루언스는 발광성 물질에서 효율적인 다운-컨버전 효율을 위해 요구될 수 있다. 또한, 텍스처링하고, 거칠게 하며, 또는 성형하는 것과 같이, 발광 물질로부터 광을 추출하는 수단이 제공될 수 있다.
본 발명을 상세하게 설명했으므로, 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 명세서가 주어지면, 여기에서 설명된 발명 개념의 정신을 벗어나지 않고서 본 발명에 변경이 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 예는 III-질화물 반도체 장치를 설명하고 있지만, 다른 재료 시스템의 장치가 사용될 수 있다. 또한, 상기 예는 인광물질을 포함하지만, 반도체 나노입자, 양자 점 또는 유기 염료와 같은 다른 발광 물질이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위를 도시되고 설명된 특정 실시예에 제한하고자 하는 것이 아니다.

Claims (37)

  1. 반도체 발광 장치의 제조 방법으로서,
    인광물질(phosphor)을 포함하는 세라믹 본체(ceramic body)를 제공하는 단계-상기 인광물질은 제1 피크 파장의 광을 흡수하고 제2 피크 파장의 광을 방출하도록 구성됨-;
    상기 세라믹 본체를 핵생성 구조물의 제1 표면에 결합하는 단계; 및
    n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조물을 상기 핵생성 구조물의 제2 표면 상에 성장시키는 단계-상기 발광 영역은 상기 제1 피크 파장의 광을 방출하도록 구성됨-
    를 포함하고,
    상기 성장시키는 단계 이전에, 상기 핵생성 구조물은 100 마이크로미터 미만의 두께를 가지고,
    상기 세라믹 본체를 핵생성 구조물의 제1 표면에 결합하는 단계는, 500 ℃보다 높은 온도 및 5 psi보다 높은 압력에서 상기 세라믹 본체와 상기 핵생성 구조물을 함께 압착하는(pressing) 단계를 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인광물질은 상기 세라믹 본체와 상기 핵생성 구조물의 제1 표면의 결합을 제공하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핵생성 구조물은 GaN, AlN, SiC 및 Al2O3의 그룹에서 선택되는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    성장 기판 상에 상기 핵생성 구조물을 제공하는 단계; 및
    상기 결합하는 단계 후, 상기 기판을 제거하는 단계
    를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 n형 영역 및 상기 p형 영역의 둘 다의 부분들이 노출되도록 상기 반도체 구조물을 에칭하는 단계; 및
    상기 n형 영역 및 상기 p형 영역의 각 영역 상에 접촉부들을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접촉부들 중의 최소한 하나는 반사적인 것인 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 본체를 렌즈로 성형하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 본체의 표면을 텍스처링(texturing)하거나 거칠게 하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 본체는 상기 제1 피크 파장의 광에 대하여 투명한 것인 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 본체는 상기 제1 피크 파장의 광에 대하여 불투명한 것인 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 성장시키는 단계 이전에, 상기 핵생성 구조물은 10 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 성장시키는 단계 이전에, 상기 핵생성 구조물은 1 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 핵생성 구조물과 상기 세라믹 본체 사이에 결합 층을 제공하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  15. 반도체 발광 장치의 제조 방법으로서,
    인광물질을 포함하는 세라믹 본체를 제공하는 단계-상기 인광물질은 제1 피크 파장의 광을 흡수하고 제2 피크 파장의 광을 방출하도록 구성됨-;
    성장 기판 상에 형성된 반도체 구조물을 제공하는 단계-상기 반도체 구조물은 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하고, 상기 발광 영역은 제1 피크 파장의 광을 방출하도록 구성됨-;
    상기 세라믹 본체를 상기 반도체 구조물의 표면에 결합하는 단계; 및
    상기 결합하는 단계 후, 상기 성장 기판을 제거하는 단계
    를 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 p형 영역은 상기 n형 영역을 성장시키기 이전에 상기 성장 기판 위에 성장되는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 성장 기판을 제거하는 단계 후에 상기 반도체 구조물을 어닐링하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 세라믹 본체에 결합된 상기 반도체 구조물의 상기 표면은 상기 n형 영역의 표면인 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 반도체 구조물과 상기 세라믹 본체 사이에 결합 층을 제공하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 장치의 제조 방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 구조물을 포함하는 반도체 발광 장치로서,
    상기 구조물은,
    세라믹 본체;
    100 마이크로미터보다 얇은 핵생성 구조물;
    상기 핵생성 구조물 상에 성장되는 에피택셜 구조물; 및
    상기 세라믹 본체를 상기 핵생성 구조물에 접속하는 결합된 계면-상기 결합된 계면은 상기 세라믹 본체와 상기 핵생성 층 사이에 배치됨-
    을 포함하고,
    상기 세라믹 본체와 상기 핵생성 구조물 사이에 간격(separation)이 있다면, 상기 간격은 100 마이크로미터 미만인 반도체 발광 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 에피택셜 구조물은 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조물을 포함하고, 상기 발광 영역은 제1 피크 파장의 광을 방출하도록 구성되는데, 상기 핵생성 구조물은 상기 반도체 구조물과 상기 세라믹 본체 사이에 배치되는 반도체 발광 장치.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 세라믹 본체는 제1 피크 파장의 광을 흡수하고 제2 피크 파장의 광을 방출하도록 구성된 인광물질을 포함하는 반도체 발광 장치.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 핵생성 구조물은 GaN, AlN, SiC 및 Al2O3의 그룹에서 선택되는 반도체 발광 장치.
  36. 제33항에 있어서,
    상기 구조물은, 100 마이크로미터 미만만큼 상기 세라믹 본체로부터 분리되고, 상기 반도체 구조물의 가로 길이를 초과하는 가로 길이를 갖는 패키지 소자를 더 포함하고,
    상기 반도체 구조물은 상기 패키지 소자와 상기 세라믹 본체 사이에 배치되는 반도체 발광 장치.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 세라믹 본체는 제1 피크 파장의 광을 흡수하고 제2 피크 파장의 광을 방출하도록 구성된 인광물질을 포함하는 반도체 발광 장치.
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