KR102577626B1 - 반도체 발광 디바이스 - Google Patents

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KR102577626B1
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니콜라 베티나 페퍼
아르옌 게르벤 반 데르 지데
피터 요하네스 퀸트 반 부어스트-바데르
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루미레즈 엘엘씨
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Abstract

발명은 비-에미터 셀들(10e)이 산재된 에미터 셀들(10E)의 배열체를 포함하는 에미터 매트릭스(10) - 에미터 셀(10E)은 반도체 에미터(10L)를 포함하고, 비-에미터 셀(10e)은 반도체 에미터를 포함하지 않음 -; 전력 공급부(80)에 대한 접속을 위한 다수의 본드 패드들(10B); 및 복수의 와이어본드들(10W) - 각각의 와이어본드(10W)는 본드 패드(10B)로부터 에미터 셀(10E)의 반도체 에미터(10L)로 연장됨 - 을 포함하는 반도체 발광 디바이스(1)를 설명한다. 발명은 또한, 장면(S)을 조명하기 위한 광원(1L) - 광원(1L)은 한 쌍의 이러한 반도체 발광 디바이스들(1)을 포함함 - 을 포함하는 이미징 배열체(5)를 설명한다. 발명은 또한, 이러한 반도체 발광 디바이스를 제조하는 방법을 설명한다.

Description

반도체 발광 디바이스
발명의 반도체 발광 디바이스; 이러한 반도체 발광 디바이스를 제조하는 방법; 및 한 쌍의 이러한 반도체 발광 디바이스들을 포함하는 이미징 배열체(imaging arrangement)를 설명한다.
예를 들어, 이동 디바이스에서 소형 이미징 배열체의 이미지 센서를 이용하여 이미지를 캡처하기 위해서는, 반도체 광원, 예를 들어, 발광 다이오드(light-emitting diode)(LED)들 또는 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)(VCSEL)들의 어레이를 이용하여 장면을 조명하는 것이 통상적이다. 적응적 반도체 광원(또한, 적응적 조도 유닛(adaptive irradiance unit)으로서 지칭됨), 즉, 개별적으로 어드레싱가능한 세그먼트(segment)들의 어레이(그 각각은 하나 이상의 발광 엘리먼트들을 포함할 수 있음)는 장면 상에서 최적의 노출을 보장하기 위하여 이용될 수 있고, 그러므로, 더 양호한 이미지들로 귀착될 수 있다. 요구된 양에 의해 각각의 장면 영역을 오직 조명함으로써, 적응적 반도체 광원은 그러므로, 전력 소비를 감소시킬 수 있고, 이것은 이미징 시스템이 스마트폰과 같은 디바이스 내에 편입되고 배터리를 고갈시키지 않아야 할 때에 상당한 장점일 수 있다.
통상적으로, 매우 소형 광원을 가지는 것이 바람직하고, 즉, 어레이의 세그먼트들은 다이(die)에서 서로의 옆에 있다. 이것은 가시-스펙트럼(visible-spectrum) LED들의 어레이에 대하여 실용적이지만, 그것은 적외선 LED들의 경우에 문제일 수 있다. 이것은 적외선 LED가 바람직하게는, 와이어본드(wirebond)에 의해 다이의 본딩 패드(bonding pad)에 접속되기 때문이다. 많은 적외선 LED들을 갖는 어레이에서, 와이어본드들은 또한, 이들이 광 경로에서 배열되기 때문에, 또한, 와이어본드들이 충분한 "헤드룸(headroom)", 즉, 와이어본드들이 송산되지 않는다는 것을 보장하기 위한 충분한 공간을 요구하기 때문에 문제가 있다. 대형 IR-LED 어레이들에서의 또 다른 문제는, 어레이의 중심까지의 와이어본드들이 어레이의 외부 영역들까지의 와이어본드들보다 상당히 더 길고, 가장 높은 달성가능한 스위칭 주파수를 제한할 수 있다는 것이다. 와이어본드들을 이용하는 것에 대한 대안으로서, IRLED 어레이는 플립-칩 디바이스(flip-chip device)로서 제조될 수 있지만, 이것은 플립-칩 IRLED들이 덜 효율적이기 때문에, 출력 전력의 약 절반의 비용이 된다. 그러므로, 발명의 목적은 위에서 대체로 서술된 문제들을 극복하는 세그먼트화된 반도체 광원을 제공하는 것이다.
발명의 목적은 청구항 제1항의 반도체 발광 디바이스에 의해; 반도체 발광 디바이스를 제조하는 청구항 제9항의 방법에 의해; 그리고 청구항 제12항의 이미징 배열체에 의해 달성된다.
발명에 따르면, 반도체 발광 디바이스는 비-에미터 셀(non-emitter cell)들이 산재된 에미터 셀(emitter cell)들의 배열체를 포함하는 에미터 매트릭스(emitter matrix) - 에미터 셀은 반도체 에미터를 포함하고, 비-에미터 셀은 반도체 에미터를 포함하지 않음 -; 전력 공급부에 대한 접속을 위한 다수의 본드 패드(bond pad)들; 및 복수의 와이어본드들 - 각각의 와이어본드는 본드 패드로부터 에미터 셀의 반도체 에미터로 연장됨 - 을 포함한다.
반도체 발광 디바이스는 장면을 조명하기 위하여 이용되고, 반도체 에미터는 5 내지 100 Mcd/m2(제곱미터 당 메가칸델라(megacandela per square metre))의 광도(luminous intensity)를 달성하도록 제조된다는 것이 다음에서 가정될 수 있다.
에미터 매트릭스에서의 비-에미터 셀들에 대한 에미터 셀들의 비율은 바람직하게는, 1:1이거나, 가능한 한 이 비율에 근접한다.
에미터 매트릭스(또는 "에미터 어레이")는 비어 있는 셀들 또는 비-에미터 셀들이 산재된 에미터 셀들의 배열체로서 형성되므로, 와이어본드들의 배열체는 양호하게도 희박하다. 이것은 에미터 매트릭스의 중심으로 연장되는 와이어본드들은 에미터 셀들을 오직 포함하는 종래 기술의 에미터 매트릭스의 동등한 와이어본드들보다 상당히 더 짧을 수 있다는 것을 의미한다. 발명의 반도체 발광 디바이스는 그러므로, 더 적은 "헤드룸" 또는 간극(clearance)을 요구한다. 에미터 셀들에는 비-에미터 셀들이 산재되므로, 발명의 디바이스의 추가의 장점은, 와이어본드에 의해 횡단된 에미터들의 수는 에미터들로 채워지는 종래 기술의 에미터 어레이에서보다 더 적다는 것이다. 이것은 총 방출된 광의 상당히 더 낮은 분율이 와이어본드들에 의해 차단되므로, 발명의 디바이스의 순 광 출력에 대한 방출된 광의 비율은 종래 기술의 에미터 어레이들과 양호하게 비교된다는 것을 의미한다. 발명의 디바이스의 추가의 장점은 장면 상으로 투영되는 감소된 수의 와이어본드 섀도우(wirebond shadow)들이다. 발명의 디바이스의 추가의 장점은 에미터들의 더 큰 "확산"(에미터 셀들에는 비어 있는 셀들이 산재됨)은 열적 성능에서의 개선을 초래한다는 것이다. 이것은 열이 이웃하는 "비어 있는" 또는 비-에미터 셀들을 통해 또한 소산(dissipate)될 수 있으므로, 임의의 활성 에미터 셀에 의해 생성된 열이 더 급속하게 소산될 수 있기 때문이다.
발명에 따르면, 이러한 반도체 발광 디바이스를 제조하는 방법은 비-에미터 셀들이 산재된 에미터 셀들의 배열체를 포함하는 에미터 매트릭스를 제조하는 단계를 적어도 포함하고, 이에 의해, 반도체 에미터는 각각의 에미터 셀에서 형성되고, 반도체 에미터는 비-에미터 셀에서는 형성되지 않는다. 방법은 반도체 발광 디바이스의 하나 이상의 에지들에서 다수의 본드 패드들을 형성하고, 각각의 반도체 에미터와 본드 패드 사이에 와이어본드를 접속하는 단계를 더 포함한다.
발명의 방법은 상대적으로 경제적인 반도체 발광 디바이스로 귀착될 수 있는데, 그 이유는 에미터 매트릭스 전반에 걸쳐 산재된 비-에미터 셀들 때문에 와이어본드들을 반도체 에미터들에 접속하는 것이 더 용이하기 때문이다.
발명에 따르면, 이미징 배열체는 장면을 조명하기 위한 광원을 포함하고, 광원은 한 쌍의 이러한 반도체 발광 디바이스들을 포함하고, 여기서, 제1 반도체 발광 디바이스의 에미터 어레이는 본질적으로 장면의 하나의 절반을 조명하도록 배열되고, 제2 반도체 발광 디바이스의 에미터 어레이는 본질적으로 장면의 다른 절반을 조명하도록 배열된다. 이미징 배열체는 광원에 의해 조명된 장면의 이미지를 캡처하기 위한 이미지 센서 배열체를 더 포함한다.
발명의 이미징 배열체의 장점은, 필적하는 수의 에미터들을 갖는 단일 에미터 어레이를 포함하는 종래 기술의 광원과 비교하여, 더 적은 간극 또는 헤드룸을 요구한다는 것이다. 이것은 에미터 어레이들의 와이어본드들이 더 간결한 방식으로 형성될 수 있기 때문이다. 위에서 표시된 바와 같이, 발명의 디바이스에서의 임의의 와이어본드는 상대적으로 적은 에미터들을 횡단할 것이므로, 발명의 디바이스의 방출된 광의 수량은 동등한 종래 기술의 에미터 어레이(동일한 수의 에미터들을 갖는 어레이)와 양호하게 비교된다. 발명의 이미징 배열체는 또한, 세그먼트화된 광원을 활용하지 않는 이미징 배열체와 비교하여 감소된 전력 소비의 장점을 가진다. 발명의 이미징 배열체의 열적 요건들은 또한, 희박하게 실장된(sparsely populated) 에미터 어레이들의 개선된 열적 거동 때문에 비교할 만한 종래 기술의 이미징 배열체들보다 덜 엄중할 수 있다.
발명의 이미징 배열체는, 적응적 광원에서의 와이어본딩된 다이를 이용하는 것으로부터 이익을 얻을 수 있는 임의의 애플리케이션, 예를 들어, 비행-시간 시스템(time-of-flight system)들, 로봇 시스템(robotic system)들, 드론(drone)들, 셀 전화들, 또는 보안 카메라들에서 이용될 수 있다.
종속항들 및 다음의 설명은 발명의 특히 유리한 실시예들 및 특징들을 개시한다. 실시예들의 특징들은 적절한 바와 같이 조합될 수 있다. 하나의 청구항 범주의 맥락에서 설명된 특징들은 도 다른 청구항 범주에 동일하게 적용될 수 있다.
발명의 특히 바람직한 실시예에서, 에미터 매트릭스는 예를 들어, 총 5 개의 에미터 셀들(어레이의 중심에서의 하나의 에미터 셀 및 각각의 코너에서의 하나)을 갖는, 3 x 3 어레이인 적어도 9 개의 셀들을 포함한다. 발명의 반도체 발광 디바이스의 임의의 실시예에서, 에미터 매트릭스의 에미터 셀들은 비-에미터 셀들보다 더 작을 수 있거나, 그 반대로 마찬가지이고; 에미터 셀은 본질적으로 정사각형일 수 있거나 직사각형일 수 있고; X-방향에서의 피치(pitch)는 Y-방향에서의 피치와 동일할 수 있거나, X-방향에서의 피치는 Y-방향에서의 피치와 상이할 수 있다. 다음에서는, 그러나 발명을 여하튼 한정하지 않으면서, 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들이 본질적으로 동일한 크기이고, 즉, 에미터 셀 및 비-에미터 셀은 각각 반도체 디바이스의 동일한 면적을 점유하고, X-방향에서의 피치는 Y-방향에서의 피치와 동일하다는 것이 가정될 수 있다. 와이어본드는 약 30 μm의 직경을 가질 수 있고, 본드 패드는 약 3 내지 5 배 더 클 것이다. 셀은 와이어본드를 위한 적어도 충분한 자리를 제공해야 하므로, 셀의 면적은 대략 5,000 μm2일 수 있다.
위에서 표시된 바와 같이, 적외선 반도체 디바이스들(예컨대, IR-LED들)은 다양한 조도 애플리케이션들, 예를 들어, 심도 맵 생성기(depth map generator), 비행-시간 시스템 등에서 이용될 수 있고, 전류 효율을 개선시키기 위하여 일반적으로 와이어본딩된다. 그러므로, 발명을 여하튼 한정하지 않으면서, 에미터가 적외선 발광 다이오드(infrared light-emitting diode)(IR-LED)인 것이 다음에서 가정될 수 있다.
에미터 매트릭스는 에미터 셀들 및 산재된 비-에미터 셀들의 임의의 적당한 분포를 가지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 에미터 셀들은 "비어 있는 공간"에 의해, 즉, 비-에미터 셀들에 의해 분리된 2 x 2 배열체들로 그룹화될 수 있다. 발명의 광원의 실시예는 장면을 완전히 조명할 수 있기 위하여 역(inverse)으로서 실현된 다른 에미터 매트릭스를 가질 수 있다.
발명의 특히 바람직한 실시예에서, 에미터 매트릭스는 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들의 간단한 교대하는 배열체를 포함한다. 예를 들어, 셀들은 체커보드 패턴(chekerboard pattern) 또는 스트라이프 패턴(stripe pattern)으로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 체커보드 패턴은 단일 에미터 셀들이 단일 비-에미터 셀들과 교대하는 배열체를 포함한다. 유사하게, 스트라이프 패턴은 바람직하게는, 에미터 셀들의 단일 행(row)들(또는 열(column)들)이 비-에미터 셀들의 단일 행들(또는 열들)과 교대하는 배열체를 포함한다.
하나의 예시적인 실시예는 정사각형 어레이, 즉, 행들의 수가 열들의 수와 동일한 어레이 또는 매트릭스에 의해 주어진다. 2 개의 이러한 정사각형 어레이들은 서로를 보완하도록 준비될 수 있다. 예를 들어, 2 개의 3 x 3 체커보드 패턴 어레이들은 나란하게 배열될 수 있다. 제1 3 x 3 어레이는 5 개의 에미터 셀들, 중심에서의 하나 및 4 개의 코너들의 각각에서의 하나를 포함한다. 상보적인 3 x 3 어레이는 5 개의 비-에미터 셀들, 중심에서의 하나 및 4 개의 코너들의 각각에서의 하나를 포함한다. 이 실시예에서, 발명의 광원은 총 9 개의 에미터들을 포함한다.
추가의 예시적인 실시예에서, 2 개의 5 x 5 스트라이프-패턴 어레이들은 나란하게 배열될 수 있다. 제1 5 x 5 어레이는 에미터 셀들의 3 개의 열들 및 비-에미터 셀들의 2 개의 열들을 포함한다. 이 경우의 상보적인 5 x 5 어레이는 비-에미터 셀들의 3 개의 열들 및 에미터 셀들의 2 개의 열들을 포함한다. 이 실시예에서, 발명의 광원은 총 25 개의 에미터들을 포함한다.
발명의 바람직한 실시예에서, 에미터 매트릭스는 반도체 에미터들의 어레이를 포함할 수 있고, 반도체 에미터들의 오직 서브세트(subset)가 에미터 셀들을 야기시킬 것이다. "에미터 셀(emitter cell)"은 그 반도체 에미터를 다이오드로서 전기적 회로로 접속함으로써, 즉, 그 셀과 본드 패드 사이에 와이어본드를 접속함으로써 효과적으로 형성된다. 이 단계는 반드시, 전기 회로의 일부로서 반도체 에미터를 접속하기 위한 것이다. 비-에미터 셀은 반도체 에미터의 구조를 실제적으로 포함할 수 있는 것으로 된다. 그러나, 본드 패드에 대한 임의의 전기적 접속이 없다면, 이 구조는 반도체 에미터로서 기능할 수 없다. 이 간단한 접근법의 장점은, 현존하는 마스크들 및 층 성장 시퀀스들이 웨이퍼 제조 동안에 적용될 수 있고, 전용 마스크들을 제공해야 하는 비용들을 회피하는 장점이 이용되지 않을 영역들을 준비하는 단점을 능가할 수 있다는 것이다.
비-에미터 셀은 트랜지스터와 같은 스위칭 엘리먼트를 수용할 수 있다. 하나의 접근법에서, 스위칭 엘리먼트들(예컨대, GaN/GaAs 트랜지스터들) 및 에미터들은 적절한 마스크들 및 층 퇴적 시퀀스(layer deposition sequence)들 및/또는 에피택셜 성장 시퀀스(epitaxial growth sequence)들을 이용함으로써 동시에 형성될 수 있다.
발명의 특히 바람직한 실시예에서, 개별 스위칭 엘리먼트들 및 에미터 다이들은 기판 또는 캐리어(carrier) 상으로, 예를 들어, PCB 또는 인터포저(interposer) 상으로 장착된다. 각각의 에미터 다이는 에미터 매트릭스의 에미터 셀 상으로 장착되고, 이웃하는 비-에미터 셀에서의 스위칭 엘리먼트에 와이어본딩된다. 추가적인 회로 접속들은 적당한 다층 접근법을 이용하여 PCB의 본체에서 제공될 수 있다.
바람직하게는, 반도체 발광 디바이스는 또한, 예를 들어, 순간적인 장면 조명 요건들에 따라, 에미터들을 개별적으로 제어하도록 실현되는 구동기에 대한 접속을 위한 인터페이스를 포함한다. 각각의 에미터는 별도로 스위칭될 수 있고, 각각의 에미터의 세기(intensity)는 순간적인 요건들로 조절될 수 있다. 세그먼트화된 조도 유닛을 관리하는 다양한 방식들이 있고, 통상의 기술자는 여기서 상세하게 논의될 필요가 없는 구동기 요건들과 친숙할 것이다.
발명의 특히 바람직한 실시예에서, 이미징 배열체는 한 쌍의 반도체 발광 디바이스들에 의해 방출된 광을 성형하기 위한 빔-형성 광학기기(beam-forming optic)들을 포함한다. 빔-형성 광학기기는 전체 장면을 포괄하기 위하여 에미터 어레이로부터 광을 확산시킬 수 있다. 결과적인 조명 패턴은 즉, (비어 있는 셀들 때문에) 비-조명된 장면 영역들이 산재된 에미터 셀들에 의해 조명된 장면 영역들을 갖는 에미터 어레이 패턴의 복사본일 수 있다. 대안적으로, 빔-형성 광학기기는 (2 개의 에미터 어레이들이 이용될 때) 장면의 절반을 조명하기 위하여 에미터 셀들로부터의 광을 성형할 수 있다. 유사하게, 빔-형성 광학기기는 전체 장면을 조명하기 위하여 단일 에미터 어레이의 에미터 셀들로부터의 광을 성형할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 광원의 각각의 반도체 발광 디바이스는 장면의 절반을 효과적으로 조명할 수 있고, 예를 들어, 하나의 에미터 매트릭스는 장면의 좌측 측부를 조명할 수 있는 반면, 다른 에미터 매트릭스는 장면의 우측 측부를 조명할 수 있다. 그러나, 다른 배열체들이 가능하다. 예를 들어, 각각의 에미터 매트릭스는 전체 관측 시야(field of view) 상에서 광을 캐스팅(cast)하기 위하여 이용될 수 있고, 이에 의해, 조명 패턴은 에미터 매트릭스와 동일한 체커보드 특성을 가진다. 그러므로, 이러한 바람직한 실시예에서, 반도체 발광 디바이스들은 바람직하게는 서로에 상보적이고, 즉, 제1 반도체 발광 디바이스의 에미터 매트릭스는 제2 반도체 발광 디바이스의 에미터 매트릭스의 보완부(complement)이다. 예를 들어, 제1 반도체 발광 디바이스의 에미터 매트릭스는 장면의 상부 좌측 코너 및 장면의 하부 우측 코너를 조명하는 것이 가능할 수 있고, 장면의 상부 우측 코너 및 장면의 하부 좌측 코너를 조명하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 상보적인 제2 반도체 발광 디바이스의 에미터 매트릭스는 그 다음으로, 장면의 상부 우측 코너 및 하부 좌측 코너를 조명할 수 있지만, 장면의 상부 좌측 코너 및 하부 우측 코너를 조명할 수 없다. 동일사항은 장면 상으로 캐스팅되는 조명 패턴들에서의 모든 다른 "셀들에 적용된다.
이미징 배열체는 바람직하게는, 소형 카메라에서, 또는 스마트폰에서와 같은 소형 이동 애플리케이션에서, 또는 로봇, 드론, 자동차 대시보드 등과 같은 또한, 임의의 다른 공간-제약된 및/또는 배터리-급전된 애플리케이션에서의 이용을 위하여 치수화된다.
본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 동반 도면들과 함께 고려된 다음의 상세한 설명들로부터 분명해질 것이다. 그러나, 도면들은 발명의 제한들의 정의로서가 아니라, 전적으로 예시의 목적들을 위하여 설계된다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 발명의 반도체 발광 디바이스의 실시예를 도시하고;
도 2는 도 1의 디바이스의 측면도를 제공하고;
도 3은 종래 기술의 반도체 발광 디바이스의 실시예를 도시하고;
도 4는 도 3의 디바이스의 측면도를 제공하고;
도 5 및 도 6은 발명의 이미징 배열체의 실시예들을 도시하고;
도 7은 발명의 반도체 발광 디바이스의 추가의 실시예를 예시하고;
도 8은 에미터 회로의 단순화된 회로도를 도시하고;
도 9는 도 8의 회로를 구현하는 발명의 반도체 발광 디바이스의 추가의 실시예를 도시한다.
도면들에서, 유사한 번호들은 전반에 걸쳐 유사한 객체들을 지칭한다. 도면들에서의 객체들은 반드시 축척에 맞게 그려지지는 않는다.
도 1은 발명의 반도체 발광 디바이스(1)의 실시예를 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 에미터 매트릭스(10)는 비-에미터 셀들(10e)과 교대하는 에미터 셀들(10E)을 갖는 5 x 5 정사각형 어레이를 포함한다. 각각의 에미터 셀(10E)은 IR-LED(10L)를 수용한다. 각각의 비-에미터 셀(10e)은 그것이 회로 컴포넌트를 수용하지 않는다는 의미에서 "비어 있다". 이 예시적인 실시예에서, 에미터 매트릭스(10)는 구리 트랙(copper track)들, 인터포저 등으로 준비된 PCB와 같은 적당한 캐리어이다. 에미터 매트릭스에 실장하기 위하여, 에미터 다이들(10L)이 캐리어 상으로 장착된다. IR-LED와 같은 에미터는 그 하면에서 하나의 접촉부(예컨대, 애노드 접촉부(anode contact)) 및 상부 상에서의 또 다른 접촉부(예컨대, 캐소드 접촉부(cathode contact))를 가질 수 있다. 하면 접촉부는 솔더 본드(solder bond)에 의해 회로에 전기적으로 접속될 수 있는 반면, 상면 접촉부는 와이어본드에 의해 회로에 전기적으로 접속될 수 있다. 여기서, 각각의 에미터 다이(10L)의 하나의 접촉부는 에미터 매트릭스(10)의 에지에서 본드 패드에 와이어본딩되고, 다른 접촉부는 예를 들어, 다층 PCB로 연장되는 비아(via)에 의해 구리 트랙에 솔더-본딩(solder-bond)된다. 도면은 전력 공급부에 대한 접속을 위한 다수의 본드 패드들(10B), 및 본드 패드들로부터 에미터 셀들(10E) 상에서 장착된 IR-LED들(10L)로 연장되는 와이어본드들(10W)을 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 에미터 어레이(10)는 에미터 셀들(10E) 및 비어 있는 셀들(10e)의 교대하는 패턴으로서 실현되고, 즉, 각각의 에미터 셀(10E)(및 그러므로, 각각의 에미터(10L))은 비어 있는 셀(10e)에 의해 그 측부들을 따라 플랭킹(flank)되고, 그 반대도 마찬가지다.
이 5 x 5 어레이에서, 중심 셀은 비어 있는 셀(10e)이다. 그러므로, 가장 긴 와이어본드들은 중심 셀로 연장될 필요가 없다. 도 1의 디바이스(1)를 통해 단면 A-A'을 제공하는 도 2에서 도시된 바와 같이, 요구된 헤드룸 또는 간극(C1)은 그러므로, 양호하게도 작다. 양호하게 짧은 접속 및 표면에 근접하게 배열되는 와이어본드로, 30 μm만큼 낮은 간극이 달성될 수 있다. 이것은 동등한 종래 기술의 에미터 어레이에 의해 요구된 헤드룸보다 약 20 % 더 작다. 디바이스(1)의 전체적인 헤드룸 요건들은 모든 셀들이 에미터 셀들(10E)로서 실현되는 비교할 만한 5 x 5 어레이보다 더 낮다. 이것은 평면도(도 3) 및 단면 B-B'(도 4)로 종래 기술의 반도체 발광 디바이스(2)를 도시하는 도 3 및 도 4에서 예시된다. 헤드룸에서의 감소는 상당한 장점일 수 있는데, 그 이유는 헤드룸이 많은 소형 애플리케이션들에서 매우 중대한 인자이기 때문이다.
도 3의 에미터 어레이(3)는 모든 에미터들(30L)에 대한 와이어본드들을 요구한다. 작은 셀 크기 때문에, 일부 와이어본드들은 다른 와이어본드들 상에서 호를 그려야 하고, 상대적으로 긴 와이어본드는 중심 셀에 도달하기 위하여 필요하다. 도 3의 디바이스(3)의 측면도를 제공하는 도 4에서 도시된 바와 같이, 요구된 헤드룸 또는 간극(C3)은 그러므로, 상당히 크므로, 종래 기술의 디바이스(3)의 전체적인 공간 요건들은 도 1의 발명의 디바이스(1)보다 더 크다. 이 종래 기술의 디바이스의 더 중요한 단점은 발명의 디바이스와 비교하여 더 큰 수의 에미터들을 교차해야 하는 와이어본드들에 의해 차단되는 광의 양이다. 이러한 종래 기술의 디바이스는, 장면을 조명하기 위하여 이용될 때, 많은 와이어본드 섀도우들을 장면 상으로 불가피하게 투영할 것이다.
단일의 이러한 에미터 어레이(1)는 (이미지가 이미징 센서에 의해 캡처될 수 있도록) 완전한 장면을 조명하기 위하여 광원 또는 조도 유닛으로서 이용될 수 있다. 그러나, 발명자들은 광원을 2 개의 더 작은 디바이스들로 분할하고 각각의 더 작은 조도 유닛이 장면의 절반을 조명하는 것을 허용하는 것이 다수의 이유들로 유리할 수 있다는 것을 인식하였다. 도 5는 발명의 이미징 배열체(5)의 이러한 실시예를 도시한다. 여기서, 광원(1L)은 나란하게 배열되는 2 개의 반도체 발광 디바이스들을 포함한다. 각각의 반도체 발광 디바이스의 에미터 어레이(10)는 장면(S)의 절반을 조명하기 위하여 이용된다. 이 예시적인 실시예에서, 각각의 에미터 어레이(10)는 위의 도 1에서 설명된 바와 같이, 에미터들(10L) 및 비어 있는 셀들(10e)의 교대하는 배열체를 갖는 3 x 3 어레이이다. 각각의 에미터 어레이(10)가 그 완전한 장면 절반을 "포괄(cover)"할 수 있도록, 빔 성형 광학기기(50)는 각각의 에미터 어레이(10)의 광 경로에서 배열된다. 여기서, 빔 성형 광학기기(50)는 결과적인 빔이 모든 5 개의 에미터들이 활성일 때에 장면 절반을 완전히 조명할 수 있도록, 교대하는 에미터들(10L)로부터의 개별적인 광 빔들을 형성한다.
도 6은 발명의 이미징 배열체(5)의 추가의 실시예를 도시한다. 다시, 광원(1L)은 나란하게 배열된 2 개의 반도체 발광 디바이스들을 포함하고, 반도체 발광 디바이스의 에미터 어레이(10)는 장면(S)의 절반을 조명하기 위하여 이용된다. 또한 여기서, 각각의 에미터 어레이(10)는 위의 도 1에서 설명된 바와 같이, 에미터들(10L) 및 비어 있는 셀들(10e)의 교대하는 배열체를 갖는 3 x 3 어레이이다. 이 실시예에서, 각각의 에미터 어레이(10)는 (그 에미터들(10L)에 의해 조명된) 조명된 영역들 및 (그 비어 있는 셀들(10e) 때문에) 비-조명된 영역들의 교대하는 패턴을 캐스팅하는 전체 장면(S)을 "포괄"할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 에미터 어레이들(10)은 서로의 보완부들이므로, 하나의 에미터 어레이에 의해 조명되지 않은 장면 영역은 다른 에미터 어레이(10)의 에미터(10L)에 의해 조명된다. 또한 여기서, 적당한 빔 성형 광학기기(51)는 교대하는 에미터들(10L)로부터, 전체 장면(S)을 포괄하도록 확산되는 빔으로 개별적인 광 빔들을 형성하기 위하여 각각의 에미터 어레이(10)의 광 경로에서 배열된다.
도 7은 반도체 발광 디바이스의 추가의 실시예를 예시하고, 각각의 에미터가 개별 IR-LED(10L)로서 실현되고 각각의 비-에미터 셀(10e)이 이웃하는 IR-LED(10L)를 전기적 회로로 접속하기 위하여 이용되는 에미터 어레이(10)를 도시한다. 이 목적을 위하여, 캐리어는 다층 PCB이고, 각각의 비-에미터 셀은 PCB의 내부에서 접속 층으로 연장되는 비아를 가진다.
이러한 방식으로, 각각의 에미터(10L)는 인접한 비어 있는 셀(10e)에 오직 도달할 필요가 있는 매우 짧은 와이어본드(10W)를 이용하여 구동기에 접속될 수 있다.
추가의 실시예에서, 비어 있는 셀들(10e)은 스위칭 엘리먼트를 수용하기 위하여 이용될 수 있고, 각각의 에미터는 이웃하는 스위칭 엘리먼트에 전기적으로 접속될 수 있다. 하나의 이러한 에미터/스위치 쌍의 단순화된 회로도는 도 8에서 도시되어 있고, 도 8은 구동기(80)에 접속된 그 애노드 및 스위칭 엘리먼트(10switch)의 드레인에 접속된 그 캐소드를 갖는 에미터(10L)를 도시한다. 이 예시적인 실시예에서, 스위칭 엘리먼트(10switch)는 증가형-모드 MOSFET(enhancement-mode MOSFET)이다. 몇몇 이러한 에미터/스위치 쌍들을 이용하는 실시예는 다층 PCB 캐리어 상에서 장착된 것으로 도 9에서 도시되어 있다. 여기서, 전체 회로는 병렬로 접속된 다수의 이러한 에미터/스위치 쌍들을 포함한다. 각각의 에미터(10L)의 애노드는 PCB 캐리어에서 내장된 전도성 트랙들, 및 에미터(10L)의 하면 상의 접촉부에 대한 솔더 본드를 이용하여 구동기(80)의 전력 공급부에 접속된다. 각각의 에미터(10L)의 캐소드는 와이어본드(10W)에 의해 (인접한 비-에미터 셀(10e)에서 위치된) 스위칭 엘리먼트(10switch)의 적절한 접촉부에 접속된다. 물론, 에미터(10L)가 플립-칩 다이로서 실현될 경우에, 그 캐소드는 PCB의 전도성 트랙에 의해 인접한 스위칭 엘리먼트(10switch)에 접속될 수 있다. 스위칭 엘리먼트(10switch)의 다른 단자들은 PCB 캐리어에서 내장된 전도성 트랙들의 비아들에 의해 회로에 접속된다. 스위칭 엘리먼트(10switch) 및 접지를 에미터(10L)에 매우 인접하게 함으로써 전류 루프를 최대로 감소시키는 장점은, 기생 라인 임피던스(parasitic line impedance)가 이에 따라 감소된다는 것이다. 이러한 실현은 높은 스위칭 주파수(예컨대, 10 MHz 이상)를 갖는 에미터 어레이(10)의 경우에 특히 유리할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예들 및 그 변형들의 형태로 개시되었지만, 수 많은 추가적인 수정들 및 변형들이 발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서 본 발명에 대해 행해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 위에서의 초점은 적외선 에미터들의 매트릭스에 대한 것이었지만, 다른 에미터들이 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 에미터 매트릭스의 에미터들은 예를 들어, VCSEL들일 수 있는데, 그 이유는 이러한 에미터들이 또한, 발명의 디바이스의 장점들, 즉, 폐쇄 팩킹, 전자 컴포넌트를 VCSEL에 매우 인접하게 배열할 가능성, 개선된 열적 성능 등으로부터 이익을 얻을 수 있기 때문이다.
명확함을 위하여, 이 출원의 전반에 걸쳐 "a" 또는 "an"의 이용은 복수를 배제하지 않고, "포함하는(comprising)"은 다른 단계들 또는 엘리먼트들을 배제하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
참조 부호들:
반도체 발광 디바이스 1
광원 1L
에미터 매트릭스 10
에미터 셀 10E
에미터 10L
비-에미터 셀 10e
본드 패드들 10B
와이어본드 10W
스위칭 엘리먼트 10switch
MOSFET 게이트 제어 10gate
간극 C1
광원 1L
빔-형성 광학기기들 50, 51
장면 S
종래 기술 디바이스 3
에미터 매트릭스 30
에미터 셀들 30L
본드 패드들 30B
와이어본드 30W
간극 C3
전력 공급부 80

Claims (19)

  1. 장면을 조명하도록 구성된 반도체 발광 디바이스로서,
    에미터 셀과 비-에미터 셀이 각각 본질적으로 동일한 면적을 갖는 규칙적인 매트릭스 어레이 형성으로 비-에미터 셀들이 산재된 에미터 셀들의 배열체를 포함하는 에미터 매트릭스 - 각각의 에미터 셀은 반도체 에미터를 포함하고, 각각의 비-에미터 셀은 어떠한 반도체 에미터도 포함하지 않는 셀이고, 각각의 반도체 에미터는 구동시에 광을 방출하도록 구성된 회로를 포함하고, 적어도 하나의 비-에미터 셀은 스위칭 엘리먼트를 포함함 -;
    상기 반도체 에미터들 중 적어도 하나를 구동하도록 구성된 구동기에 대한 접속을 위한 본드 패드들; 및
    상기 본드 패드들 중 하나로부터 각각 연장되어 상기 에미터 셀들 중 하나의 에미터 셀의 상기 반도체 에미터에 상기 구동기의 전류를 제공하는 와이어본드들
    을 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 에미터 매트릭스는 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들의 교대하는 배열체을 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들은 체커보드 패턴으로 배열되는, 반도체 발광 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들은 스트라이프 패턴으로 배열되는, 반도체 발광 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 에미터 매트릭스는 적어도 9 개의 에미터 셀들의 어레이를 포함하는, 반도체 발광 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 에미터 매트릭스의 상기 에미터들은 적외선 발광 다이오드들인, 반도체 발광 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에미터 매트릭스의 상기 에미터들은 수직 공동 표면-방출 레이저들인, 반도체 발광 디바이스.
  8. 이미징 배열체로서,
    장면을 조명하기 위한 광원 - 상기 광원은 한 쌍의 반도체 발광 디바이스들을 포함하고, 각각의 반도체 발광 디바이스는:
    에미터 셀과 비-에미터 셀이 각각 본질적으로 동일한 면적을 갖는 규칙적인 매트릭스 어레이 형성으로 비-에미터 셀들이 산재된 에미터 셀들의 배열체를 포함하는 에미터 매트릭스 - 각각의 에미터 셀은 반도체 에미터를 포함하고, 각각의 비-에미터 셀은 어떠한 반도체 에미터도 포함하지 않는 셀이고, 각각의 반도체 에미터는 구동시에 광을 방출하도록 구성된 회로를 포함함 -;
    상기 반도체 에미터들 중 적어도 하나를 구동하도록 구성된 구동기에 대한 접속을 위한 본드 패드들; 및
    상기 본드 패드들 중 하나로부터 각각 연장되어 상기 에미터 셀들 중 하나의 에미터 셀의 상기 반도체 에미터에 상기 구동기의 전류를 제공하는 와이어본드들을 포함하고,
    상기 반도체 발광 디바이스들 중 제1 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 본질적으로 상기 장면의 절반을 조명하도록 배열되고, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 제2 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 본질적으로 상기 장면의 다른 절반을 조명하도록 배열됨 -; 및
    상기 광원에 의해 조명된 상기 장면의 이미지를 캡처하기 위한 이미지 센서 배열체
    를 포함하는, 이미징 배열체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들의 상기 에미터 매트릭스들에 의해 방출된 광을 성형하기 위한 빔-형성 광학기기들을 더 포함하는, 이미징 배열체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 제1 조명 패턴을 생성하고, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 다른 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 제2 조명 패턴을 생성하고, 상기 제2 조명 패턴은 상기 제1 조명 패턴의 역인, 이미징 배열체.
  11. 제8항에 있어서, 상기 이미징 배열체는 소형 이동 디바이스에 배치되는, 이미징 배열체.
  12. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 상기 제1 또는 제2 반도체 발광 디바이스 중 적어도 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 상기 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들의 교대하는 배열체를 포함하는, 이미징 배열체.
  13. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 상기 제1 또는 제2 반도체 발광 디바이스 중 적어도 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들은 체커보드 패턴으로 배열되는, 이미징 배열체.
  14. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 상기 제1 또는 제2 반도체 발광 디바이스 중 적어도 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 셀들 및 비-에미터 셀들은 스트라이프 패턴으로 배열되는, 이미징 배열체.
  15. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 상기 제1 또는 제2 반도체 발광 디바이스 중 적어도 하나의 반도체 발광 디바이스의 적어도 하나의 비-에미터 셀은 스위칭 엘리먼트를 포함하는, 이미징 배열체.
  16. 제8항에 있어서, 상기 반도체 발광 디바이스들 중 상기 제1 또는 제2 반도체 발광 디바이스 중 적어도 하나의 반도체 발광 디바이스의 상기 에미터 매트릭스는 적어도 9 개의 에미터 셀들의 어레이를 포함하는, 이미징 배열체.
  17. 제1항에 있어서, 어떠한 와이어본드도 상기 본드 패드들 중 임의의 것으로부터 상기 비-에미터 셀들 중 임의의 것으로 연장되지 않는, 반도체 발광 디바이스.
  18. 제1항에 있어서,
    와이어본드들의 수는 상기 에미터 매트릭스 내의 셀들의 수보다 적고,
    상기 에미터 매트릭스의 중앙 셀은 상기 비-에미터 셀들 중 하나인, 반도체 발광 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    각각의 와이어본드는 상이한 스위칭 엘리먼트로 연장되고,
    각각의 스위칭 엘리먼트는 인접한 에미터 셀의 상기 반도체 에미터와 결합되는, 반도체 발광 디바이스.
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