KR101591551B1 - 광전 소자 - Google Patents

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Abstract

광전 소자(1)가 제공되고, 상기 광전 소자는 연결 캐리어(2) 및 상기 연결 캐리어(2)에 고정되는 변환 부재(4)를 포함하고, 상기 연결 캐리어 상에 복사 방출 반도체칩(3)이 배치되며, 상기 변환 부재(4)는 상기 반도체칩(3)이 변환 부재(4) 및 연결 캐리어(2)에 의해 둘러싸이도록 반도체칩(3)을 덮고 있으며, 상기 변환 부재(4)는 세라믹, 유리-세라믹 중 하나의 물질로 이루어진다.

Description

광전 소자{OPTOELECTRONIC COMPONENT}
본 발명은 광전 소자에 관한 것이다.
본 발명은 구동 시 생성된 열을 효과적으로 소산시키는 광전 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 광전 소자는 연결 캐리어를 포함하고, 상기 연결 캐리어 상에 복사 방출 반도체칩이 배치된다.
연결 캐리어는 예컨대 도체판을 가리키며, 이러한 도체판 상에 또는 도체판 안에는 전기적 도전로 및 연결부가 배치되고, 이들은 복사 방출 반도체칩의 전기 접촉을 위한 기능을 갖는다. 연결 캐리어는 판의 형태로, 실질적으로 평평하게 형성된다. 즉, 이 경우, 연결 캐리어는 복사 방출 반도체칩이 배치되는 캐비티를 포함하지 않는다.
또한, 연결 캐리어는 복사 방출 반도체칩을 수용하기 위한 적어도 하나의 캐비티를 포함할 수 있다. 이 경우, 연결 캐리어는 반사체를 포함할 수 있고, 반사체는 복사 방출 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사를 반사한다. 이 경우, 연결 캐리어는 예컨대 캐리어 스트립(또한 리드프레임)으로 형성될 수 있고, 캐리어 스트립은 플라스틱 또는 세라믹 물질과 같은 전기 절연 물질로 오버몰딩된다.
바람직하게, 복사 방출 반도체칩은 냉광성(luminescence) 다이오드칩을 가리키며, 즉 발광다이오드칩 또는 레이저다이오드칩이다. 복사 방출 반도체칩은 UV 스펙트럼 영역, 적외선 스펙트럼 영역 또는 가시광선 영역에서 전자기 복사를 생성하기에 적합할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 광전 소자는 변환 부재를 포함한다. 변환 부재는 광전 소자의 구성 요소이며, 발광 변환 물질을 포함하거나 발광 변환 물질로 이루어진다.
예컨대 복사 방출 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사가 변환 부재 상에 도달하면, 전자기 복사는 변환 부재의 발광 변환 물질에 의해 완전히 또는 부분적으로 흡수될 수 있다. 발광 변환 물질은 복사 방출 반도체칩으로부터 구동 시 방출된 전자기 복사와 다른 파장, 바람직하게는 더 큰 파장을 가진 전자기 복사를 재방출한다. 예컨대, 변환 부재를 통과할 때 복사 방출 반도체칩으로부터 생성된 청색 스펙트럼 영역의 전자기 복사의 일부는 황색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환된다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재는 반도체칩을 덮고 있으며, 반도체칩이 변환 부재 및 연결 캐리어에 의해 둘러싸이도록 한다. 즉, 변환 부재는 예컨대 반구체의 형태로 반도체칩을 덮고 있다. 바꾸어 말하면, 반도체칩은 연결 캐리어와 변환 부재 사이에 배치된다. 변환 부재는 예컨대 반도체칩 상부에서 캐비티를 형성한다. 반도체칩은 상기 반도체칩의 실장면을 이용하여 예컨대 연결 캐리어 상에 고정된다. 반도체칩은 상기 반도체칩의 측면에서, 그리고 상기 실장면을 등지는 복사 출사면에서 변환 부재에 의해 둘러싸이며, 상기 변환 부재는 반도체칩을 덮고 있다. 이 때, 바람직하게, 변환 부재는 반도체칩에 직접 배치되지 않고, 반도체칩과 변환 부재 사이에 다른 물질이 배치된다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재는 세라믹, 유리-세라믹 중 하나의 물질로 구성된다. 즉, 변환 부재는, 매트릭스 물질로서 실리콘 또는 에폭시 수지에 매립된 발광 변환 물질로 형성되는 것이 아니라, 세라믹 물질 또는 유리 세라믹 물질을 포함하여 형성된다.
바람직하게, 변환 부재는 기계적으로 자체 지지되도록 형성된다. 변환 부재는 예컨대 자체 지지되는 반구체 또는 쉘(shell)로서 형성될 수 있고, 반구체 또는 쉘은 반도체칩 상에 걸쳐져있다.
이러한 변환 부재를 형성하기에 적합한 세라믹은 문헌 WO 2007/148253 에 더욱 상세히 설명되어 있으며, 그 공개 내용은 명시적으로 참조로 포함된다. 적합한 유리-세라믹 물질은 예컨대 문헌 US 2007/0281851에 기재되어 있고, 그 공개 내용은 명시적으로 참조로 포함된다. 바람직하게, 상기 유리 세라믹 물질은 본원에서 세라믹 물질이 - 예컨대 입자의 형태로 - 매립되어 있는 유리 소재의 매트릭스 물질을 가리키지 않는다. 그보다는, 미소 결정과 용융물이 함께 소결된 조성물을 가리킨다. 특히, "유리 세라믹"이란 개념은 유리 용융물로부터 제어식 결정화에 의해 제조되는 물질을 가리킨다. 용융물의 가공은 유리의 가공과 유사하게 이루어지며, 마지막으로 유리는 특정한 온도 처리에 의해 일부는 다결정 상태로, 일부는 유리 세라믹 상태로 바뀐다. 그 결과물은 유리와 유사하면서 새로운 특성을 가지는 생산물이다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재는 연결 캐리어에 고정된다. 즉, 변환 부재는 연결 캐리어에 대해 기계적으로 고정된 결합을 이룬다. 예컨대, 변환 부재는 얇은 접착제층을 이용하여 연결 캐리어와 결합되어 있을 수 있다. 또한, 변환 부재가 예컨대 연결 캐리어에 본딩되거나 압입(press-fit)에 의해 연결 캐리어와 결합될 수 있다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 광전 소자는 연결 캐리어 및 상기 연결 캐리어에 고정된 변환 부재를 포함하고, 상기 연결 캐리어 상에 복사 방출 반도체칩이 배치된다. 이 때 변환 부재는 반도체칩을 덮고 있으며, 반도체칩이 변환 부재 및 연결 캐리어에 의해 둘러싸이도록 걸쳐져 있다. 변환 부재는 세라믹, 유리 세라믹 중 하나의 물질로 구성된다.
본 명세서에 기술된 광전 소자는, 특히, 이하의 특징을 이용한다: 일반적으로, 변환 부재용으로 유리 세라믹 물질 또는 발광 세라믹은 예컨대 실리콘의 열 전도도에 비해 현저히 큰 열 전도도를 가진다는 특징이 있다. 바람직하게, 유리 세라믹 물질 또는 발광 세라믹의 열 전도도는 1.0 W/mk 이상이다.
이러한 물질 중 하나로 구성된 변환 부재는 매우 큰 열 전도도를 특징으로 한다. 변환 부재가 연결 캐리어에 고정되므로, 변환 부재는 연결 캐리어에 열 전도적으로 연결되고, 따라서 예컨대 연결 캐리어가 위에 제공될 수 있는 냉각체에도 열 전도적으로 연결된다. 변환 부재에서 투과된 복사가 변환될 때 생성되는 열은 이러한 방식으로 매우 양호하게 소산될 수 있다.
예컨대, 변환 부재는 YAG:Ce 세라믹 소재로 이루어진다. 이러한 변환 부재는 약 14 W/mk의 열 전도도를 특징으로 한다.
또한, 상기 물질로 이루어진 변환 부재는 외부의 기계적 영향으로부터 반도체칩을 기계적으로 안정되게 보호한다. 변환 부재는 반도체칩 상에 걸쳐져 있다. 상기 기재된 소자는 개선된 열 조절 외에 개선된 기계적 안정성을 특징으로 한다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 반도체칩과 변환 부재 사이에 적어도 하나의 중간 영역이 배치되고, 상기 중간 영역은 가스로 메워진다. 즉 반도체칩과 변환 부재 사이의 공간은 적어도 부분적으로 가스로 충전될 수 있다. 예컨대, 이러한 가스는 기체를 의미할 수 있다. 반도체칩과 변환 부재 사이에서 가스로 충전된 중간 영역은 변환 부재로부터 연결 캐리어로의 열 유도를 더욱 개선할 수 있다. 상기 연결 캐리어상에 반도체칩이 제공된다.
적어도 일 실시예에 따르면, 반도체칩은 성형체에 매립된다. 즉, 반도체칩은 적어도 부분적으로 상기 반도체칩의 노출된 외부면에서 성형체에 의해 형상 맞춤 방식으로 둘러싸이고, 이 부분에서 반도체칩과 직접 접촉하여 위치할 수 있다.
성형체는 예컨대 포팅부(potting part)로서 형성될 수 있다. 성형체는 복사 방출 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사에 대해 가능한 한 완전히 투과성이다. 즉, 성형체는 복사 방출 반도체칩의 복사를 거의 흡수하지 않거나 전혀 흡수하지 않는 물질로 이루어진다.
예컨대, 성형체는 실리콘, 에폭시 또는 실리콘-에폭시 하이브리드 물질로 형성된다. 성형체는 반도체칩의 자유 외부면에서 상기 반도체칩을 형상 맞춤 방식으로 둘러싸고, 예컨대 구형으로 만곡된 외부면을 포함할 수 있다.
바람직하게, 특히, 성형체는 예컨대 발광 변환 물질과 같은 복사 흡수성 물질을 포함하지 않는다. 즉, 성형체는 극히 적은 불순물을 제외하고 발광 변환 물질을 포함하지 않는다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 성형체와 변환 부재 사이에 중간 영역이 연장되고, 상기 중간 영역은 가스로 채워진다. 예컨대, 중간 영역은 기체로 채워진다.
바람직하게, 중간 영역은 직접적으로 성형체에 접한다. 즉, 성형체는 반도체칩을 등지는 외부면을 포함하고, 상기 외부면에서 상기 성형체는 중간 영역에 인접한다. 중간 영역은 연결 캐리어까지 연장될 수 있다.
이 경우, 중간 영역은 반구형으로 형성될 수 있다. 중간 영역은 성형체를 향해있는 내부면에서 성형체의 외부면의 형상을 모방한다. 중간 영역은 변환 부재를 향해있는 외부면에서 변환 부재의 내부면 형상을 모방할 수 있다.
중간 영역은, 특히, 이하의 특징을 이용한다: 광전 소자의 구동 시 복사 방출 반도체칩의 가열에 의해 상기 반도체칩이 매립되어 있는 성형체도 가열된다. 이러한 가열은, 특히 성형체가 실리콘을 함유하는 경우, 성형체의 열 팽창을 야기할 수 있다. 중간 영역은 성형체가 이러한 열 팽창에도 불구하고 변환 부재에 접촉하지 않을만큼의 치수를 가진다. 즉, 변환 부재 및 성형체는 광전 소자의 구동 시 항상 중간 영역에 의해 서로 분리되어, 성형체와 변환 부재가 직접 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 이를 통해, 특히, 온도 상승 시 팽창되는 실리콘에 의해, 변환 부재 상에서의 성형체의 압력으로 인하여 변환 부재가 리프트 오프되는 경우가 방지된다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 광전 소자는 아웃커플링 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 반도체칩을 등지는 변환 부재의 외부면에 인접한다. 아웃커플링면은 변환 부재의 외부면과 직접적으로, 그리고 다른 것을 매개로 하지 않고 접촉할 수 있다. 아웃커플링 렌즈는 광전 소자에 있어 별도로 제조된 구성 요소를 나타낼 수 있고, 이러한 구성 요소는 예컨대 절삭되거나, 선삭되거나(turned), 사출 성형되고 실장 단계에서 변환 부재 상부에 고정된다.
그러나, 또한, 아웃커플링 렌즈가 광전 소자의 다른 구성 요소 상에 제조되고, 예컨대 포팅부로서 변환 부재 상에 직접적으로 얹혀질 수 있다.
아웃커플링 렌즈는 적어도 실질적으로, 광전 소자 및/또는 변환 부재로부터 방출된 전자기 복사에 대해 투과성이다. 특히, 바람직하게, 아웃커플링 렌즈는 발광 변환 물질을 포함하지 않는다. 즉, 아웃커플링 렌즈는 극히 적은 불순물을 제외하고 발광 변환 물질을 포함하지 않는다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 아웃커플링 렌즈는 반도체칩을 향하는 내부면을 포함하고, 상기 내부면은 반지름(Rconversion)을 가진 내부 반구면에 의해 둘러싸인다. 또한, 아웃커플링 렌즈는 반도체칩을 등지는 외부면을 포함하고, 상기 외부면은 반지름(Routside)을 가진 외부 반구면에 의해 둘러싸인다. 이 때, 두 반지름은 이하의 조건을 따른다: Routside ≥ Rconversion x nlense / nair. nlense 이며, nair는 아웃커플링 렌즈 및/또는 아웃커플링 렌즈의 주변, 통상적으로 기체의 굴절률이다.
내부 반구면 및 외부 반구면은 순수하게 가상적인 면을 나타낼 수 있으며, 이러한 가상면은 소자에 있어서 객관적 특징을 형성하거나 객관적 특징으로서 대두될 필요는 없다. 특히, 아웃커플링 렌즈는 상기에 명시한 조건을, 상기 언급한 반지름을 가진 내부 반구면 및 외부 반구면에 의해 형성되는 반구형 쉘의 그 전체가 아웃커플링 렌즈 내부에 위치하는 경우에만 충족한다. 상기 조건은 "바이어스트라스(Weierstrass)" 조건이라고 공지되어 있다.
특히, 아웃커플링 렌즈는 구형 쉘로서 형성되고, 상기 구형 쉘의 내부 반지름은 Rconversion에 의해 제공되고, 그 외부 반지름은 Routside에 의해 제공된다. 제조 조건에 따라, 아웃커플링 렌즈의 형상은 내부면 및 외부면에 대해 수학적으로 정확한 구체 형상과 약간 상이할 수 있다.
바꾸어 말하자면, 아웃커플링 렌즈가 상기 언급한 조건을 충족하면, 아웃커플링 렌즈는, 상기 아웃커플링 렌즈의 외부면이 반도체칩의 어느 점에서 보아도 상기 아웃커플링 렌즈의 외측에서 전반사가 일어나지 않을만큼의 작은 각도하에 있도록 형성되며 반도체칩으로부터 이격되어 있다. 이러한 조건을 따르는 아웃커플링 렌즈는 상기 렌즈의 외부면에서의 전반사에 의한 복사 손실이 매우 낮다. 따라서, 광전 소자의 아웃커플링 효율이 유리하게 상승한다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 광전 반도체칩이 매립되어 있는 주조 몸체는 반지름(Rinside)을 가진 반구체면에 의해 둘러싸인다. 반도체칩은 면적(A)을 가진 복사 출사면을 포함한다.
면적(A) 및 반지름(Rinside)은 조건 A ≤ ½ x π x Rinside 2 을 충족한다. 바람직하게는, 면적(A)은 ≥ 1/20 x π x Rinside 2이다. 이 때, 단일의 성형체가 광전 소자의 복사 방출 반도체칩을 둘러싼다는 것을 전제로 한다. 복사 방출 반도체칩의 복사 출사면의 면적이 이와 같이 작으면, 예컨대 변환 부재로부터 반도체칩으로 재귀반사되거나 방출되는 전자기 복사는 상기 복사가 예컨대 흡수를 통해 손실될 수 있는 반도체칩 상에 도달할 확률이 적다.
예컨대, 성형체를 향하는 연결 캐리어의 측에 반사층이 배치되고, 상기 반사층은 적어도 부분적으로 성형체에 직접 접하고, 반도체칩으로부터 생성된 전자기 복사뿐만 아니라 변환 부재로부터 생성된 전자기 복사에 대해서도 적어도 80%의 반사도를 가지고, 바람직하게 적어도 90%의 반사도를 가진다. 더욱 바람직하게, 반사층은 적어도 98%의 반사도를 가진다. 바람직하게, 반사층은 반지름(Rinside)을 갖는 반구체 내부에 위치한다. 이러한 방식으로 복사는 반사층 상에 도달하고, 복사 방출 반도체칩의 복사 출사면 상에 도달하지 않을 확률이 크다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재 상에 적어도 하나의 변환 물질이 마련되고, 상기 변환 물질은 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사 및/또는 변환 부재로부터 재방출된 전자기 복사를 적어도 부분적으로 흡수한다. 변환 부재 상에 마련되는 변환 물질은 바람직하게 변환 부재를 구성하거나 변환 부재에 포함된 변환 물질과는 상이하다. 즉 변환 부재 및 그 위에 마련된 변환 물질은 서로 다른 파장 또는 서로 다른 파장 영역을 가진 전자기 복사를 흡수하거나/흡수하고 재방출한다.
예컨대, 변환 물질은 반도체칩을 향하는 변환 부재의 내부면 상에 마련될 수 있다. 즉, 반도체칩으로부터 구동 시 방출된 전자기 복사는 우선 변환 부재의 내부면에 배치된 변환 물질 상에 도달한다. 이러한 변환 물질로부터 복사는 부분적으로 또는 완전히 다른 파장의 전자기 복사로 변환된다. 이러한 전자기 복사는 변환 부재에 도달하고, 상기 변환 부재는 상기 복사를 변환 없이 투과시키거나 상기 복사를 다시 부분적으로 또는 완전히 변환한다.
예컨대, 반도체칩은 구동 시 UV 스펙트럼 영역에서 전자기 복사를 생성한다. 변환 물질은 이러한 UV 복사를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 가능한 한 완전히, 다른 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환하고, 예컨대 청색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환하기 위해 제공될 수 있다. 변환 부재는 이와 같이 변환된 청색의 전자기 복사의 일부를 예컨대 황색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환하도록 설계된다. 이러한 방식으로, UV 영역에서 전자기 복사를 생성하는 반도체칩을 이용하여 백색 혼합광을 방출하는 소자가 구현될 수 있다.
변환 부재 상에 부가적인 변환 물질을 마련하는 것은 소자의 열 특성과 관련하여 매우 유리한 것으로 확인되었다. 변환 물질에서 생성된 열은 변환 부재쪽으로 발산되고, 상기 변환 부재는 상기 변환 부재의 높은 열 전도도에 의해 상기 열을 연결 캐리어 쪽으로 소산시킨다. 바람직하게는, 한편으로는, 반도체칩과 상기 반도체칩을 경우에 따라서 둘러싸는 성형체 사이에, 다른 한편으로는 반도체칩과 변환 물질 사이에 중간 영역이 위치하고, 이러한 중간 영역은 예컨대 기체와 같은 가스로 채워진다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재와 연결 캐리어 사이에 접착제가 배치되고, 접착제는 변환 부재 및 연결 캐리어에 직접 접한다. 바람직하게, 접착제는 얇은 층으로 적층되고, 상기 층의 두께는 최대 10 ㎛, 바람직하게 최대 6 ㎛이다. 이러한 얇은 층은 변환 부재로부터 생성된 열이 매우 효과적으로 연결 캐리어 쪽으로 발산되도록 할 수 있다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재 및/또는 변환 물질은 오르토규산염, 티오갈레이트, 황화물, 질화물, 불화물 중 하나를 기초로 하는 발광 변환 물질을 포함하거나 그러한 발광 변환 물질로 구성된다.
본 명세서에 기술된 광전 소자의 적어도 일 실시예에 따르면, 변환 부재 및/또는 변환 물질은 Eu3 +, Mn2 +, Mn4 + 중 적어도 하나의 도펀트에 의해 활성화되는 발광 변환 물질을 포함하여 형성된다.
본 명세서에 기술된 광전 소자는, 특히, 이하의 특징을 기초로 한다: 본 명세서에 기술된 광전 소자의 경우에 반도체칩과 변환 부재 및/또는 변환 물질 사이의 이격 거리가 상대적으로 큼으로써, 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사는 상대적으로 큰 면에, 그리고 상대적으로 큰 용적 상에 분포한다. 이를 통해, 느리게 감쇄하는 발광 물질의 사용이 가능하다. 느리게 감쇄하는 발광 물질이란, 감쇄 시간이 1 ㎲를 초과하는 발광 물질을 의미한다. 여기에는 예컨대 Eu3 +, Mn2 +, Mn4+에 의해 활성화된 발광 변환 물질이 속한다. 반도체칩, 변환 부재 및/또는 변환 물질간의 상대적으로 큰 이격 거리에 의해, 상기 느린 감쇄 발광 물질의 경우 포화 효과(saturation effect)가 일어날 확률이 없다. 예컨대 YAG:Ce와 같이 더 짧은 감쇄 시간을 갖는 빠른 발광 물질의 경우 본원의 광전 소자에서 포화 효과가 완전히 방지된다.
또한, 전자기 복사가 큰 면적과 큰 용적 상에 분포함에 따라, 예컨대 UV 복사와 같이 유해 복사에 대한 감도가 더 큰 발광 변환 물질도 사용될 수 있다. 여기에는 예컨대 Sr2Si5N8:Eu와 같은 질화물, 황화물, 질산화물, 불화물이 거론될 수 있다. 이러한 발광 변환 물질은 본 명세서에 기술된 바와 같은 광전 소자에서 최초로 의미있는 방식으로 사용될 수 있다.
광전 소자의 적어도 일 실시예에 따른 변환 부재가 세라믹 또는 유리 세라믹으로 이루어진다는 점에 의해, 발광 변환 물질의 소결에 의해 발광 변환 물질의 유효 표면이 급격하게 감소한다. 이를 통해, 습기, CO2, 산소 또는 다른 분위기 가스와의 느린 화학적 반응이 가능한 한 중지되는데, 이는 반응 표면이 줄어들기 때문이다. 이러한 점은 황화물, 오르토규산염 또는 질화물과 같은 발광 변환 물질에 관련된다. 세라믹 또는 유리 세라믹으로 이루어진 변환 부재를 사용함으로써, 변환 부재의 유효 수명 및 전체 광전 소자의 유효 수명이 증가한다.
좁은 대역의 f-f-선형 방출체(예컨대 Eu3 +, Mn4 +)와 같이 느린 감쇄 발광 변환 물질이 최초로 UV 복사 방출 반도체칩과 관련하여 사용될 수 있음으로써, 광전 소자의 연색 지수 및 효율성이 높게 얻어질 수 있다. 초기에 나타나는 포화 효과의 단점은 나타나지 않는다.
또한, 본 명세서에 기술된 소자에는 활성화 농도가 낮은 발광 변환 물질이 사용될 수 있고, 상기 발광 변환 물질의 농도는 종래의 발광 변환 부재에 있어 일반적인 농도의 1/100에 이른다. 즉, 본 명세서에 기술된 소자는 불량한 열 거동, 분위기 가스에 대한 민감도 또는 느린 감쇄 시간때문에 사용될 수 없었던 발광 변환 물질을 사용할 수 있다. 여기에는 청녹색 내지 적색-주황색 방출 오르토규산염, 티오갈레이트, 황화물, 질화물, 불화물 및/또는 좁은 대역 f-f-선형 방출체가 속한다.
이하, 본 명세서에 기술된 광전 소자는 실시예 및 그에 속한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1 내지 도 4는 본 명세서에 기술된 광전 소자의 서로 다른 실시예를 개략적인 단면도로 도시한다.
동일하거나, 동일한 방식이거나 동일한 효과를 가진 구성요소는 도면에서 동일한 참조 번호를 가진다. 도면 및 도면에 도시된 구성요소들 간의 크기비는 정확한 치수를 갖는 것으로 볼 수 없다. 오히려, 개별 구성요소는 더 나은 표현 및/또는 더 나은 이해를 위해 과장되어 크게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 본 명세서에 기술된 광전 소자(1)의 제1실시예를 개략적 단면도로 도시한다. 광전 소자는 연결 캐리어(2)를 포함한다. 본원에서 연결 캐리어(2)는 도체판을 가리킨다. 연결 캐리어(2)는 전기 절연 물질로 구성될 수 있는 기본 몸체(21)를 포함하고, 전기 절연 물질은 세라믹 물질 또는 플라스틱 물질이 있다. 또한, 기본 몸체(21)는 금속 코어 회로 기판을 가리킬 수도 있다.
연결 캐리어의 상측에 반사층(22)이 적층된다. 반사층(22)은 연결 캐리어(2)의 거울 코팅부를 형성한다. 예컨대, 반사층(22)은 금, 은 또는 알루미늄과 같은 반사성 금속으로 구성된다. 또한, 반사층(22)은 브래그 거울을 의미할 수도 있다.
본원에서, 연결 캐리어(2) 상에는 단일의 복사 방출 반도체칩(3)이 제공된다. 복사 방출 반도체칩(3)은 발광다이오드칩을 의미한다. 복사 방출 반도체칩(3)은 연결 캐리어(2) 상에 고정되고 전기적으로 연결된다.
복사 방출 반도체칩(3)은 성형체(7)에 의해 둘러싸인다. 성형체(7)는 본원에서 실리콘 소재이다. 성형체(7)는 예컨대 반구체 방식으로 형성된다. 복사 방출 반도체칩(3)은 연결 캐리어(2)를 향하지 않은 외부면에서 형상 맞춤 방식으로 성형체(7)에 의해 둘러싸인다. 성형체(7)는 발광 변환 물질을 포함하지 않는다.
성형체(7)는 반지름(Rinside)을 가진 반구체면 내부에 배치된다. 반지름(Rinside)은 복사 방출 반도체칩의 복사 출사면(3a)의 면적이 1/20 x π x Rinside 2 와 ½ x π x Rinside 2 사이가 되도록 선택된다. 이러한 방식으로, 예컨대 변환 부재(4)에 의해 재귀 반사되거나 방출된 전자기 복사가 상대적으로 불량한 반사성을 가진 복사 방출 반도체칩(3)의 복사 출사면(3a) 상에 도달하지 않고, 반사성 코팅(22) 상에 도달할 확률이 감소한다. 상기 반사성 코팅으로부터 복사는 다시 광전 소자(1)의 주변 방향으로 방출될 수 있다.
성형체(7)와 변환 부재(4) 사이에 중간 영역(6)이 배치된다. 중간 영역(6)은 기체로 채워진다. 중간 영역(6)은 도 1의 실시예에서 성형체(7)와 변환 부재(4)에 직접 인접한다. 중간 영역(6)은, 특히, 성형체(7)가 복사 방출 반도체칩(3)의 구동 시 가열에 의해 팽창되는 경우에 버퍼로서 역할한다. 중간 영역(6)에 의해 광전 소자(1)에서는 성형체(7)가 변환 부재(4)에 접촉되어 가압되지 않는다. 상기 가압은 예컨대 변환 부재(4)가 연결 캐리어(2)로부터 분리되고, 그로 인하여 변환 부재(4)로부터 연결 캐리어(2)로의 열 전도도가 불량해지도록 할 수 있다.
변환 부재(4)는 복사 방출 반도체칩(3) 상에 반구형 또는 돔형으로 걸쳐져 있다. 변환 부재(4)는 반구체 쉘의 방식으로 형성된다. 변환 부재(4)는 외부면(4a) 및 내부면(4b)을 포함하고, 상기 내부면은 반도체칩(3)을 향해 있다. 변환 부재는 예컨대 YAG:Ce와 같은 세라믹 또는 소결된 유리 세라믹으로 구성되며, 상기 유리 세라믹의 경우 세라믹 발광 변환 물질이 유리에 매립되어 있다. 변환 부재는 자체 지지되도록 형성되며, 즉 변환 부재(4)는 기계적으로 지지되는 구조를 가리키고, 상기 구조는 반구체형을 유지하기 위해 다른 지지 부재를 필요로 하지 않는다. 변환 부재(4)는 연결 캐리어(2) 상에 고정된다. 본원에서, 변환 부재(4)는 접착제(5) 소재의 접착제층을 이용하여 연결 캐리어(2)에 고정된다. 상기 접착제는 연결 캐리어와 변환 부재에 직접 접해있다.
바람직하게, 상기 접착제(5)는 에폭시 수지 및/또는 실리콘을 포함하여 형성된 접착제를 가리킨다. 접착제(5)는 상기 열거한 물질 중 하나로 구성되거나, 상기 열거한 물질 중 하나를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 열거한 물질 중 하나는 접착제(5)의 매트릭스 물질을 형성할 수 있고, 상기 매트릭스 물질에는 예컨대 은, 금 또는 니켈 입자와 같은 금속 입차가 포함되어 있다. 이와 같은 접착제(5)는 열 전도도가 더 크다는 특징이 있다.
바람직하게, 변환 부재(4)는 접착제(5) 소재의 얇은 접착제층을 이용하여 연결 캐리어(2)에 고정된다. 접착제층은 - 제조 허용오차 내에서 - 균일한 두께를 가진다. 바람직하게, 접착제(5) 소재의 접착제층의 두께는 1 내지 10 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 4 내지 6 ㎛이며, 예컨대 5 ㎛이다.
이러한 접착제(5) 소재의 얇은 접착제층은 변환 부재(4)로부터 연결 캐리어(2)로의 열 유도를 개선하는 데 기여한다.
복사 방출 반도체칩의 구동 시, 전자기 복사는 변환 부재(4)의 방향으로 방출된다. 변환 부재(4)는 발광 변환 물질을 포함하거나 그것으로 구성되고, 상기 발광 변환 물질은 이러한 복사의 적어도 일부를 다른 파장 또는 다른 파장 영역의 전자기 복사로 변환한다. 이 때, 열이 발생하고, 상기 열은 변환 부재(4)로부터 연결 캐리어(2)쪽으로 발산된다. 변환 부재(4)는, 특히, 적어도 1.0 W/mK의 높은 열 전도도를 특징으로 한다.
복사 방출 반도체칩으로부터 외부 방향으로 볼 때, 변환 부재(4) 다음에는 아웃커플링 렌즈(8)가 후속한다. 아웃커플링 렌즈(8)는 유리 또는 플라스틱 물질로 구성될 수 있고, 상기 플라스틱 물질은 실리콘, 에폭시 또는 에폭시-실리콘 하이브리드 물질이다. 아웃커플링 렌즈(8)는 적어도 가시 스펙트럼 영역의 복사에 대해 투명하며, 특히 발광 변환 물질을 포함하지 않는다.
아웃커플링 렌즈(8)는 반구체 내부면(8b)을 포함하고, 상기 내부면은 반지름(Rconversion)을 가진다. 또한, 아웃커플링 렌즈(8)는 반지름(Routside)을 가진 반구체면에 의해 형성되는 외부면(8a)을 포함한다. 전체 반지름은 광학축(10)과 연결 캐리어(2)의 실장면과의 교차점에 의해 형성되는 점(M)으로부터 형성된다. 바람직하게, 광학축(10)은 복사 방출 반도체칩(3)의 복사 출사면(3a)을 관통하는 중앙축이고, 상기 중앙축은 - 제조 허용오차 내에서- 복사 방출 반도체칩(3)의 에피택시얼 성장된 층들에 대해 수직이다. 아웃커플링 렌즈(8)의 내부면(8b) 및 외부면(8a)을 위한 반지름은 Routside ≥ Rconversion * nlense / nair 이라는 조건을 따르고, 이 때 nlense는 아웃커플링 렌즈(8)의 굴절률이고, nair는 아웃커플링 렌즈 주변의 굴절률이다.
이러한 조건이 충족되면, 복사 방출 반도체칩으로부터 구동 시 생성된 전자기 복사, 변환 부재로부터 재방출된 복사, 반사층(22)으로부터 반사된 복사에 대해 아웃커플링 렌즈(8)의 외부면에서의 전반사 조건은 충족되지 않는다.
이러한 광학적 컨셉은 - 다른 종류의 광전 소자를 위해 - 문헌 DE 10 2007 049799.9에 설명되어 있으며, 그 공개 내용은 명시적으로 참조로 포함된다.
도 2와 관련하여, 본 명세서에 기술된 광전 소자의 제2실시예가 더욱 상세하게 설명된다. 도 1의 실시예와 달리, 연결 캐리어(2)는 이러한 실시예에서 반사체(23) 둘레에 부가된다. 예컨대, 광전 소자는 단일의 반사체(23)를 포함하고, 상기 단일의 반사체는 복사 방출 반도체칩 둘레에서 원주형 반사체벽으로서 형성된다. 반사체는 변환된 전자기 복사 및 변환되지 않은 전자기 복사를 반사하도록 형성되고, 연결 캐리어(2)로부터 소자의 지향성 방출을 구현한다.
도 3과 관련하여, 본 명세서에 기술된 광전 소자의 다른 실시예가 더욱 상세하게 설명된다. 도 2와 관련하여 기술된 바와 같은 실시예와 달리, 반사체(23)는 본원에서 연결 캐리어(2)의 기본 몸체(21)에 통합된다. 특히, 반사층(22) 및 반사체(23)는 일체형으로 형성될 수 있다. 아웃커플링 렌즈(8), 변환 부재(4) 및 성형체(7)는 각각 반사체(23)에 인접한다. 이와 같은 구성은 방출 특성이 매우 지향적이고 균일하도록 한다.
반사체(23)는 예컨대 금속을 포함하여 형성된다. 예컨대, 반사체(23)는 은 및/또는 알루미늄을 포함하거나, 은 및/또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 또한, 반사체(23)는 복사 반사 입자 또는 복사 산란 입자로 채워진 플라스틱을 포함하여 형성될 수 있다. 예컨대, 이러한 입자는 티타늄산화물로 구성된다.
도 4와 관련하여, 본 명세서에 기술된 광전 소자의 제4실시예가 더욱 상세하게 설명된다. 도 1과 관련하여 기술된 소자와 달리, 도 4와 관련하여 기술된 광전 소자는 변환 물질(9)을 포함하고, 상기 변환 물질은 층의 형태로 변환 부재(4)의 내부면(4b) 상에 마련된다. 상기 실시예에서, 복사 방출 반도체칩은 UV 복사의 파장 영역에서 전자기 복사를 생성한다. 발광 변환 물질(9)은 이러한 복사를 대부분 - 즉 UV 복사의 적어도 80% - 을 청색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환한다. 변환 부재는 청색 복사의 일부분 - 예컨대 50% - 을 흡수하고, 황색광의 파장 영역으로부터 전자기 복사를 방출한다. 전체적으로, 광전 소자로부터 백색의 혼합광이 방출되고, 상기 혼합광은 청색광과 황색광의 조합이다. 변환 부재(4)에 변환 물질(9)이 부가됨으로써, 변환 시 발생하는 열이 연결 캐리어로 매우 양호하게 유도되고, 최종적으로 광전 소자의 주변으로 유도된다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명은 각 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 이러한 점은 특히, 비록 이러한 특징 또는 이러한 조합이 그 자체로 명백하게 특허 청구 범위 또는 실시예에 제공되지 않더라도 특허 청구 범위의 특징들의 각 조합을 포함한다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2008 045331.5의 우선권을 청구하며, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.
1: 광전 소자 2: 연결 캐리어
3: 복사 방출 반도체칩 4: 변환 부재
5: 접착제 6: 중간 영역
7: 성형체 8: 아웃커플링 렌즈
9: 변환 물질

Claims (16)

  1. 광전 소자(1)에 있어서,
    기본 몸체(21)를 포함하는 연결 캐리어(2);
    상기 연결 캐리어(2)의 기본 몸체(21)에 통합된 일체형 반사체(23)로서, 상기 반사체는 제1 영역과 제2 영역을 구비한 환형 내부면을 가지고, 상기 제1 및 제2 영역은 서로 직접 연결되되 상기 기본 몸체(21)의 메인 면에 대해 서로 다른 각도를 가지며, 복사 방출 반도체칩(3)이 상기 반사체(23) 내에 배치된 것인, 상기 반사체(23); 및
    상기 반사체(23)의 제1 영역에 쉘(shell)로서 형성된 변환 부재(4)
    를 포함하고,
    상기 변환 부재(4)는, 상기 반도체칩(3)이 상기 변환 부재(4), 상기 반사체(23) 및 상기 연결 캐리어(2)에 의해 둘러싸이도록 상기 반도체칩(3)을 덮고 있으며,
    상기 변환 부재(4)는 세라믹, 유리-세라믹 중 하나의 물질로 구성되고,
    아웃커플링 렌즈(8)가 상기 변환 부재(4) 위에 형성되고, 상기 반사체(23)의 상기 제2 영역에 직접 접하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체칩(3)과 상기 변환 부재(4) 사이에 적어도 하나의 중간 영역(6)이 배치되고, 상기 중간 영역(6)은 기체로 채워지는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 반도체칩(3)은 성형체(7)에 매립되는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 중간 영역(6)은 상기 성형체(7)와 상기 변환 부재(4) 사이에서 연장되고, 상기 중간 영역(6)은 직접적으로 상기 성형체(7)에 접하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체칩(3)을 등지는 변환 부재의 외부면(4a)에 상기 아웃커플링 렌즈(8)가 인접하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 아웃커플링 렌즈(8)는,
    상기 반도체칩을 향하고, 반지름(Rconversion)을 갖는 내부의 반구체면에 의해 둘러싸이는 내부면(8b); 및
    상기 반도체칩을 등지고 반지름(Routside)을 갖는 외부의 반구체면을 둘러싸는 외부면(8a)을
    포함하며,
    상기 반지름(Rconversion, Routside)은 Routside ≥ Rconversion × nlense / nair의 조건을 충족하고, nlense는 상기 아웃커플링 렌즈(8)의 굴절률이고, nair는 상기 아웃커플링 렌즈(8)의 주변의 굴절률인 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  7. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 성형체(7)는 반지름(Rinside)을 갖는 반구체면에 의해 둘러싸이고,
    상기 반도체칩(3)은 면적(A)을 갖는 복사 출사면(3a)을 포함하며,
    상기 면적(A)과 상기 반지름(Rinside)은 A ≤ 1/2 × π × Rinside 2의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 면적(A) 및 상기 반지름(Rinside)은 A ≥ 1/20 × π × Rinside 2의 조건을 충족하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 부재(4) 상에 적어도 하나의 변환 물질(9)이 마련되고, 상기 변환 물질(9)은 상기 반도체칩(3)으로부터 구동 시 생성되는 전자기 복사 또는 상기 변환 부재(4)에 의해 재방출되는 전자기 복사를 적어도 부분적으로 흡수하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 변환 물질(9)은 상기 반도체칩을 향하는 상기 변환 부재(4)의 내부면(4b) 상에 마련되는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 반도체칩(3)은 구동 시 UV 스펙트럼 영역에서 전자기 복사를 방출하고,
    상기 변환 물질(9)은 상기 반도체칩(3)으로부터 생성된 상기 전자기 복사를 적어도 부분적으로 청색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 변환하며,
    상기 변환 부재(4)는 상기 변환 물질(9)에 의해 재방출된 청색 스펙트럼 영역의 상기 전자기 복사를 황색 스펙트럼 영역의 전자기 복사로 부분적으로 변환하여, 상기 광전 소자로부터 백색의 혼합광이 방출되는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  12. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 부재(4)와 상기 연결 캐리어(2) 사이에 접착제(5)가 배치되고, 상기 접착제(5)는 상기 변환 부재(4) 및 연결 캐리어(2)에 직접 접해있는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  13. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 성형체(7)는 반지름(Rinside)을 갖는 반구체면에 의해 둘러싸이고,
    상기 반도체칩(3)은 면적(A)을 갖는 복사 출사면(3a)을 가지고,
    상기 면적(A) 및 상기 반지름(Rinside)은 A ≤ 1/2 × π × Rinside 2 조건을 충족하고,
    상기 면적(A) 및 상기 반지름(Rinside)은 A ≥ 1/20 × π × Rinside 2 조건을 충족하며,
    상기 성형체(7)를 향하는 상기 연결 캐리어(2)의 측에 반사층(22)이 배치되고, 상기 반사층(22)은 적어도 부분적으로 상기 성형체(7)에 직접 접하고, 상기 반도체칩(3)으로부터 생성된 전자기 복사뿐만 아니라 상기 변환 부재(4)에 의해 생성된 전자기 복사에 대해서도 적어도 80%의 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  14. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 부재(4)는 오르토규산염, 티오갈레이트, 황화물, 질화물, 불화물 중 하나의 물질을 기초로 하는 발광 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  15. 제 1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변환 부재(4)는 Eu3+, Mn2+, Mn4+ 중 하나의 도펀트에 의해 활성화되는 발광 변환 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
  16. 제 5항에 있어서,
    상기 변환 부재(4)는 자체 지지되는 쉘로서 형성되고,
    상기 제1 영역은 상기 기본 몸체(21)의 메인 면에 대해 상기 제2 영역보다 큰 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 광전 소자(1).
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