KR20020095003A - 발광 디바이스 및 그 제조 방법과 발광 디바이스에 대한투명 광학 소자 접착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 광 추출 효율(light extraction efficiency)을 갖는 발광 디바이스에 관한 것이다. 발광 디바이스는 액티브 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택(a stack of layers)을 갖는다. 스택은 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대해 바람직하게는 약 1.5, 보다 바람직하게는 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는 투명 광학 소자에 접착된다. 액티브 영역을 포함하는 발광 디바이스에 투명 광학 소자(예를 들어 렌즈나 집광기)를 접착하는 방법은 광학 소자와 스택의 온도를 상승시키는 단계와, 압력을 가하여 광학 소자와 스택을 함께 누르는 단계를 포함한다. 광학 소자 재료 불럭이 발광 디바이스에 접착된 후 광학 소자로 성형될 수 있다. 높은 굴절률의 광학 소자를 발광 디바이스에 접착하면 총 내부 반사(a total internal reflection)에 기인한 손실을 감소시켜 발광 디바이스의 광 추출 효율을 개선하게 된다. 유리하게, 이 개선은 인캡슐런트(an encapsulant)를 사용하지 않고도 달성될 수 있다.

Description

발광 디바이스 및 그 제조 방법과 발광 디바이스에 대한 투명 광학 소자 접착 방법{LIGHT EMITTING DIODES WITH IMPROVED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}
일반적으로는 본 발명은 발광 디바이스에 관한 것이고 더 구체적으로는 개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)의 광 추출 효율은 LED의 외부 양자 효율 대 LED의 내부 양자 효율의 비로서 규정된다. 전형적으로는 패키지형 LED의 광 추출 효율은 1보다 작은데, 즉, LED 액티브 영역 내에서 생성된 광의 대부분은 외부 환경에 절대 도달하지 못한다.
광 추출 효율은 LED와 주변 재료 사이의 계면에서 총 내부 반사와 후속하는 LED 내의 총 내부 반사 광의 재흡수로 인해 감소된다. 예를 들면, 에폭시로 둘러싸인 투명 기판 상의 입방체 구조의 LED에 대해, 방출 파장에서의굴절률(refractive index)(n)은 가령, LED 반도체 내에서의 굴절률 값인 nsemi∼3.5로부터 에폭시 내의 굴절률 값인 nepoxy∼1.5까지 변한다. 이 예의 LED 반도체로부터 에폭시 인캡슐런트(epoxy encapsulant) 상으로 입사하는 광의 총 내부 반사에 대한 대응 임계각은 θC= arcsin(nepoxy/nsemi)∼25°이다. 산란 및 다중 반사를 고려하지 않는다면, 입방체 LED의 액티브 영역 내의 한 지점으로부터 4π 스테라디안(steradian) 이상으로 방출되는 광은 임계각과 동일한 반각을 가지며 각각의 계면에 대해 하나인 6개의 협소한 광 원뿔꼴(light cones) 중 하나 내로 방출되는 경우에만 반도체/에폭시 인캡슐런트 계면을 지난다. 총 내부 반사로 인한 부가적인 손실은 에폭시/공기 계면에서 발생할 수 있다. 결과적으로, 에폭시로 둘러싸인 효율적인 통상의 구조(가령, 사각 평행 파이프형)인 투명 기판 AlInGaP LED는 거의 100%의 내부 양자 효율을 갖지만 외부 양자 효율은 예를 들면, 단지 ∼40%만 가질 수 있다.
LED의 광 추출 효율에 대한 총 내부 반사의 영향은 본 명세서에서 참조로서 인용되는 미국 특허 제 5,779,924 호, 제 5,793,062 호 및 제 6,015,719 호에 더 상세히 논의되어 있다.
광 추출 효율을 개선하기 위한 하나의 방법에서, LED는 반구형의 형상으로 연마된다. 반구형 LED의 액티브 영역 내의 한 지점으로부터 방출되는 광은 거의 수직에 가깝게 반구형 계면을 가로질러 입사한다. 따라서, 총 내부 반사는 감소하게 된다. 그러나, 이 기술은 고루하고 재료를 낭비한다. 게다가, 연마공정(grinding process) 동안 발생하는 흠이 LED의 신뢰도와 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
또 다른 방법에서, LED는 돔(dome)형 또는 반구형 표면을 갖는 재료로 보호될(둘러싸일) 수 있다. 예컨대, 전술한 예의 에폭시 인캡술런트는 돔형으로 만들어져 에폭시 인캡슐런트/공기 계면에서의 총 내부 반사로 인한 손실을 줄일 수 있다. 그러나, 에폭시와 같은 낮은 굴절률의 인캡슐런트 표면을 성형하는 것은 반도체/저 굴절률 인캡슐런트 계면에서의 총 내부 반사로 인한 손실을 줄이지는 못한다. 더욱이, 전형적으로 에폭시 인캡슐런트는 LED 내의 반도체 재료의 열팽창 계수와 일치하지 않는 열평창 계수를 갖는다. 따라서, 에폭시 인캡슐런트는 LED의 가열 및 냉각 시 LED에 기계적 스트레스를 가하여 손상을 줄 수 있다. 또한, LED는 돔형의 고 굴절률 유리로 둘러싸이게 되는데, 이는 반도체/인캡슐런트 계면에 대한 임계각을 증가시킨다. 불행히도, 전형적으로 고 굴절률 유리에서의 광 흡수 및 기계적 스트레스는 그런 유리 내에서 보호되는 LED의 성능을 열화시킨다.
전술한 방법의 결점이 없이 발광 다이오드의 광 추출 효율을 증가시키는 방법이 필요하다.
개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 디바이스가 제공된다. 발광 디바이스는 액티브 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택(a stack of layers)을 갖는다. 스택은 투명 광학 소자(transparent optical element)에 접착된다.
일 실시예에서, 광학 소자는 예를 들어, 반구형 렌즈 또는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)이다. 다른 실시예에서는 광학 소자가 가령, 총 내부 반사기(total internal reflector : TIR)를 이용하는 집광기(optical concentrator)이다. 광학 소자는 가령, 광학 유리, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ⅳ족 반도체 및 화합물(compounds), 금속 산화물(metal oxides), 금속 플루오르화물(metal fluorides), 다이아몬드(diamonds), 사파이어(sapphire), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet) 또는 그들의 조합들로부터 형성된다. 액티브 영역으로부터 방출된 광에 대한 광학 소자의 굴절률은 바람직하게는 약 1.5, 더욱 바람직하게는 약 1.8보다 더 크다.
일 실시예에서는 투명 광학 소자를 스택의 반도체층 중 적어도 하나에 직접 접착한다. 다른 실시예에서는 투명 광학 소자를 반도체층 위에 배치된 투명 수퍼스트레이트에 직접 접착한다. 바람직하게, 투명 수퍼스트레이트는 액티브 영역으로부터 방출되는 광에 대해 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는다.
다른 실시예에서, 발광 디바이스는 광학 소자와 스택의 표면 사이에 위치한 투명 접착층을 포함한다. 투명 접착층은 광학 소자를 스택의 표면에 접착한다. 일 실시예에서, 표면은 반도체층 중 하나의 표면을 포함한다. 다른 실시예에서, 표면은 반도체층 위에 위치하는 투명 수퍼스트레이트층의 표면을 포함한다. 투명 접착층은 예를 들면, 금속, 인화물 화합물(phosphide compounds), 비소 화합물, 안티몬화물 화합물(antimonide compounds), 질화물 화합물 또는 전술한 투명 광학 소자용 재료로부터 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 투명 접착 재료는 액티브 영역으로부터 방출된 광에 대해 약 1.5, 바람직하게는 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는다.
액티브 영역을 포함하는 반도체층을 포함하는 층의 스택을 갖는 발광 디바이스에 투명 광학 소자를 접착하는 방법이 제공된다. 이 방법은 광학 소자와 스택의 온도를 상승시키는 단계와 압력을 가하여 광학 소자 및 스택을 함께 누르는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 이 방법은 투명 접착 재료층을 스택과 광학 소자 사이에 배치하는 단계도 포함한다. 접착 방법은 사전 제조된 광학 소자 또는 나중에 렌즈 또는 집광기와 같은 광학 소자로 형성되고 성형되는 광학 소자 재료의 블록에 적용할 수 있다
발광 디바이스에 높은 굴절률의 광학 소자를 접착하는 것은 총 내부 반사로 인한 손실을 감소시켜 발광 디바이스의 광 추출 효율을 개선한다. 유리하게도, 이 개선은 인캡술런트를 사용하지 않고도 달성할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상호 접착되는 광학 소자 및 발광 다이오드의 개략도,
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드에 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 1c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 발광 다이오드에 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 1d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 발광 다이오드에 접착되는 집광기의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드에 직접 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 경사면(beveled side)을 갖는 발광 다이오드에 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 및 수퍼스트레이트층을 갖는 발광 다이오드에 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 및 수퍼스트레이트층을 갖는 발광 다이오드에 직접 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 "플립 칩(flip chip)" 구조를 갖는 발광 다이오드에 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 "플립 칩" 구조를 갖는 발광 다이오드에 직접 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 8은 광학 소자에 실질적으로 수직인 액티브 영역을 갖는 발광 다이오드에 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 9는 광학 소자에 실질적으로 수직인 액티브 영역을 갖는 발광 다이오드에 직접 접착되는 광학 소자의 개략도,
도 10은 직접 접착되는 광학 소자 표면의 리세스(recess) 내에 위치한 발광 다이오드의 개략도,
도 11은 접착층을 이용하여 접착되는 광학 소자 표면의 리세스 내에 위치하는 발광 다이오드의 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 투명 광학 소자4 : LED 다이
6 : 접착층8, 10 : 반도체층
12 : 액티브 영역14, 16 : 컨택트
18 : LED 다이 표면20 : 금속화물층
22 : 광학 소자 표면23 : 집광기 표면
24 : 광학 소자 표면25 : 반사 방지 코팅
26, 28 : 경사면30 : 수퍼스트레이트
32 : 기판34 : 투명 수퍼스트레이트
36 : 반사층38 : 리세스
α,β,γ,δ: 각
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 상호 접착되는 투명 광학 소자(2) 및 발광 다이오드(LED) 다이(4)를 도시하고 있다. 도 1b에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 투명 광학 소자(2)가 투명 접착층(6)을 이용하여 LED 다이(4)에 접착된다.
본문에서 "투명(transparent)"이란 용어는 "투명 광학 소자", "투명 접착층", "투명 기판" 또는 "투명 수퍼스트레이트"와 같이 기술된 광학 요소가 LED의 방출 파장에서 흡수 및 산란에 기인한 단일 통과 손실(single pass loss)을 약50%, 바람직하게는 약 10% 미만으로 하여 광을 전송하는 것을 나타내는 데 사용된다. LED의 방출 파장은 전자기 스펙트럼의 적외선, 가시광선 또는 자외선 영역 내에 있을 수 있다. 당업자는 "50% 미만의 단일 통과 손실" 및 "10% 미만의 단일 통과 손실"이라는 조건이 전송 경로 길이와 흡수 상수의 다양한 조합에 의해 만족될 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 본 명세서에 사용된 것처럼, "집광기"는 내부 반사기를 포함하되 이에 한정하지 않으며, 입사 광을 반사시켜 전향시키는(redirect) 반사 금속 또는 유전 재료로 코팅된 벽을 갖는 광학 소자를 포함한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 LED 다이(4)는 n 형 도전성인 제 1 반도체 층(n 층)(8)과 p 형 도전성인 제 2 반도체 층(p 층)(10)을 포함한다. 반도체 층(8, 10)은 액티브 영역(12)과 전기적으로 접속한다. 액티브 영역(12)은 예를 들면, 층(8, 10)의 계면과 관련된 p-n 다이오드 접합이다. 이와 달리, 액티브 영역(12)은 n 형 또는 p 형 도핑 되거나 도핑되지 않은 하나 이상의 반도체 층을 포함한다. n 컨택트(14) 및 p 컨택트(16)를 각각 반도체 층(8, 10)과 전기적으로 접속시킨다. 액티브 영역(12)은 컨택트(14, 16) 양단에 적절한 전압을 인가할 때 광을 방출한다. 또 다른 실시예에서, 층(8, 10)과 컨택트(14, 16)의 도전형은 반대가 된다. 즉, 층(8)은 p 형 층, 컨택트(14)는 p 컨택트, 층(10)은 n 형 층, 컨택트(16)는 n 컨택트이다.
반도체 층(8, 10) 및 액티브 영역(12)을 AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb를 포함하는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, ZnS, ZnSe,CdSe, CdTe를 포함하는 Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ge, Si, SiC를 포함하는 Ⅳ족 반도체 및 그 혼합물 또는 그 합금으로부터 형성할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 이들 반도체는 자신이 존재하는 LED의 전형적인 방출 파장에서 범위가 약 2.4 내지 4.1인 굴절률을 갖는다. 예를 들면, GaN과 같은 Ⅲ족-질화물 반도체는 500nm에서 약 2.4의 굴절률을 가지고, InGaP와 같은 Ⅲ족-인화물 반도체는 600nm에서 약 3.7의 굴절률을 갖는다.
일 실시예에서, 컨택트(14, 16)는 금(gold), 은(silver), 니켈(nickel), 알루미늄(aluminum), 티타늄(titanium), 크롬(chromium), 백금(platinum), 팔라듐(palladium), 로듐(rhodium), 레늄(rhenium), 루테늄(ruthenium), 텅스텐(tungsten) 및 그 혼합물 또는 그 합금을 포함하는 금속으로부터 형성된 금속 컨택트이나 이에 한정되지는 않는다. 또 다른 실시예에서, 컨택트(14, 16) 중 하나 또는 모두를 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)과 같은 투명 도전체로부터 형성한다.
도 1a 및 도 1b는 특정 LED 구조물을 도시하고 있지만, 본 발명은 LED 다이(4) 내의 반도체 층의 수와 무관하고 액티브 영역(12)의 세부 구조와는 무관하다. 또한, 가령, LED 다이(4)는 도 1a 및 도 1b에는 도시되지 않은 투명 기판과 수퍼스트레이트를 포함할 수도 있다. 다수의 도면에 도시된 LED 다이(4)의 다양한 구성 요소의 치수는 실제 크기로 나타낸 것이 아니라는 것을 주의해야 한다.
일 실시예에서, 접착 재료의 층을 LED 다이(4)(도 1a)의 상부 표면(18)에 도포하여 LED 다이(4)에 광학 소자(2)를 접착시키는 투명 접착층(6)(도 1b)을 형성한다. 예를 들면, 투명 접착층(6)은 두께가 약 10Å 내지 약 100㎛ 이다. 예컨대, 스피닝(spinning), 스퍼터링(sputtering), 증발(evaporation), 화학 기상 증착(CVD), 재료 성장의 일부로서 가령, 금속 유기 화학 기상 증착(metal-organic chemical vapor deposition : MOCVD), 기상 에피택시(vapor phase epitaxy : VEP), 액상 에피택시(liquid phase epitaxy : LPE) 또는 분자 빔 에피택시(morecular beam epitaxy : MBE)를 포함하는 통상의 증착 기술로 접착 재료를 도포하나 이에 한정되지는 않는다. 투명 접착 층(6)은 예를 들면, 통상의 포토리소그래피 및 에칭 기술로 선택적으로 패터닝되어 접착 재료가 컨택트(14)를 덮지 않도록 하여, 컨택트가(14) 광학 소자(2) 상의 선택적 금속화물층(20)과 전기적으로 접속되도록 한다. 일 실시예에서는 메쉬(mesh)이고 다른 실시예에서는 연속층이거나 패터닝된 층인, 가령, 두께가 약 2Å 내지 약 5000Å인 금속화물층(20)은 입사광의 약 10%, 바람직하게는 약 50% 이상을 전달하고 컨택트(14)에 접속되는 물리적 액세스가능한 전기 컨택트를 제공한다. 금속화물층(20)을 예를 들면, 인듐 주석 산화물(indium tin dxide)과 같은 금속 또는 투명 도전체로부터 형성한다.
또 다른 실시예에서는 투명 접착층(6)을 광학 소자(2)의 실질적으로 평평한 표면(22) 상에 또는 금속화물층(20)의 표면 상에 형성하고, 예컨대, 통상의 포토리소그래피 및 에칭 기술로 패터닝하여 컨택트(14) 및 금속화물층(20) 사이의 전기적 접속을 허용한다. 다른 실시예에서는 접착층(6)과 같은 투명 접착층이 LED 다이(14)의 표면(18) 및 광학 소자(2)의 표면(22) 상에 형성된다. 다른 실시예에서는 컨택트(14)를 따로 제공하지 않고, 접착층(6)을 패터닝하여 금속화물층(20)과n층(8) 사이에서 전기적 접속을 하도록 한다. 도 1c에 도시된 실시예에서는 컨택트(14)와 접착층(6) 모두를 따로 제공하지 않고, 금속화물층(20)이 접착층으로서의 부가적인 기능을 한다. 다른 실시예에서는 컨택트(14)가 표면(18) 상에 없으며 금속화물층도 사용하지 않는다.
후속하는 논의는 접착층(6)을 광학 소자(2)의 표면 또는 LED 다이(4) 및 표면(22) 상의 모두에 형성하기보다는 LED 다이(4) 상에서만 형성한다고 가정하지만, 후속하여 기술될 공정은 간단하게 변경되어 다른 실시예를 구현할 수도 있다.
일 실시예에서, 투명 접착층(6)을 형성하는 접착 재료는 고 굴절률 광학 유리, 즉, 액티브 영역(12)에 의해 방출되는 파장의 범위에서 약 1.5보다 더 큰 굴절률을 갖는 광학 유리이다. 바람직하게, 굴절률은 약 1.8보다 더 크다. 예컨대, 투명 접착층(6)을 ∼600nm에서의 ∼1.95의 굴절률(n) 및 ∼362℃의 유리 전이 온도(TG)를 갖는 불투명하고 단단한 유리인 스콧 유리(Schott glass) SF59로부터 형성한다. 한편, 투명 접착층(6)을 ∼600nm에서 n∼1.81이고 TG∼362℃인 스콧 유리 LaSF3, ∼600nm에서 n∼1.91이고 TG∼660℃인 스콧 유리 LaSF N18 및 그 혼합물을 포함하는 고 굴절률 광학 유리로부터 형성할 수 있는데, 이에 한정하지 않는다. 이들 유리는 미국 펜실베니아 듀레아(Duryea, PA.)에 위치한 스콧 유리 기술 회사(Schott Glass Technology Incorporation)로부터 입수가능하다. 또한, 접착층(6)을 가령, (Ge, Sb, Ga)(S, Se) 칼코겐화 유리(chalcogenide glasses)같은 고 굴절률 칼코겐화 유리로부터 형성할 수도 있다.
다른 실시예에서, 접착층(6)은 GaP(∼600nm에서 n∼3.3), InGaP(∼600nm에서 n∼3.7), GaAs(500nm에서 n∼3.4) 및 GaN(500nm에서 n∼2.4)을 포함하는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, ZnS(500nm에서 n∼2.4), ZnSe(500nm에서 n∼2.6), ZnTe(500nm에서 n∼3.1), CdS(500nm에서 n∼2.6), CdSe(500nm에서 n∼2.6) 및 CdTe(500nm에서 n∼2.7)를 포함하는 Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Si(500nm에서 n∼3.5) 및 Ge(500nm에서 n∼4.1)를 포함하는 Ⅳ족 반도체 및 화합물, 유기적 반도체, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물(500nm에서 n∼2.9), 니켈 산화물(500nm에서 n∼2.2), 지르코늄 산화물(500nm에서 n∼2.2), 인듐 주석 산화물 및 크롬 산화물을 포함하는 금속 산화물, 마그네슘 플루오르화물(500nm에서 n∼1.4) 및 칼슘 플루오르화물(500nm에서 n∼1.4)를 포함하는 금속 플루오르화물, Zn, In, Mg 및 Sn을 포함하는 금속, 이트륨 알루미늄 가닛(YAG), 인화물 화합물, 비소 화합물, 안티몬화물 화합물, 질화물 화합물, 고 굴절률 유기 화합물 및 그 조합 및 합금으로부터 형성되며, 이에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 접착층(6)은 액티브 영역(12)에 의해 방출된 파장의 광을 다른 파장으로 변환하는 발광 재료(luminescent material)를 포함한다. 예를 들면, 발광 재료는 통상의 인광 입자(phosphor particles), 유기 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 또는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 또는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체 양자 도트(quantum dots) 또는 나노크리스탈, 염료, 폴리머 및 결함의 중심으로부터 발광하는 GaN과 같은 재료를 포함한다. 접착층(6)이 통상의 인광 입자를 포함하는 경우에는 전형적으로 약 5 마이크론 내지 약 50 마이크론까지의 크기를 갖는 입자를 수용할 만큼 충분히 두꺼워야 한다.
일 실시예에서, 접착층(6)은 LED 다이(4)의 상부 층, 가령 반도체층(8)의 굴절률보다는 작은 굴절률을 갖는 고 굴절률 재료(약 1.5, 바람직하게는 약 1.8보다 더 큰 LED의 방출 파장에서의 굴절률)로부터 형성된다. 그러므로, 임계각은 LED 다이(4) 내부로부터 반도체층(8)/접착층(6) 계면 상으로 입사하는 광의 총 내부 반사에 대해 존재한다. 그러나, 이 임계각은 LED 다이(4)와 에폭시 또는 공기 사이의 계면에 대한 임계각과 비교할 때 증가되고, 에폭시 인캡슐런트 또는 공기 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 표면(18)을 통해 접착층(6) 내로 추출된다. 다른 실시예에서, 접착층(6)(예를 들면, ZnS 또는 ZnSe)의 굴절률은 반도체 층(8)(예를 들면, GaN)의 굴절률 이상이고, LED 다이(4) 내부로부터 접착층(6)으로 입사하는 광 중 어느 것도 완전하게 내부 반사되지 않는다. 접착층(6) 및 LED 다이(4)의 상부 층의 굴절률을 대략적으로 일치시킴으로써 최소화될 수 있는 프레넬 반사 손실을 고려하지 않으면 후자의 경우에서도 에폭시 인캡슐런트 또는 공기 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 표면(18)을 통해 접착층(6) 내로 추출된다.
다른 실시예에서, 투명 접착층(6)을 저 굴절률 접착 재료, 즉, LED의 방출 파장에서 약 1.5보다 더 작은 굴절률을 갖는 접착 재료로부터 형성한다. 예를 들면, 마그네슘 플루오르화물이 그러한 접착 재료 중 하나다. 또한, 저 굴절률 광학 유리, 에폭시 및 실리콘은 저 굴절률 접착 재료로서 적절하다. 당업자는 접착층(6)이 충분히 얇을 경우, LED 다이(4)로부터의 광이 저 굴절률 재료로 형성된 투명 접착층(6)을 지나 광학 소자(2)까지 효율적으로 전송될 수 있다는 것을 알것이다. 따라서, 이 실시예에서는 접착층(6)을 약 500Å, 바람직하게는 약 100Å보다 얇은 두께로 만듦으로써 LED 다이(4)/접착층(6) 계면에서의 총 내부 반사로 인한 손실을 줄인다. 표면(18) 또는 표면(22)의 고르지 못함(roughness), 또는, 표면(18) 또는 표면(22) 상의 울퉁불퉁한 부분의 전형적인 높이가 접착층(6)의 두께를 초과하는 경우에는 광학 소자(2)가 LED 다이(4)에 잘 접착되지 않을 수도 있다. 이 실시예에서, 고르지 못한 표면 높이를 접착층(6)의 두께 이하로 달성하기 위해 표면(18, 22)을 선택적으로 연마한다.
LED 다이(4)가 액티브 영역(12)에 의해 방출된 광을 흡수하는 재료를 포함하는 경우 및 접착층(6)이 저 굴절률 재료로부터 형성되더라도 전술한 바와 같이 얇지 않은 경우에는 액티브 영역(12)에 의해 방출된 광의 대부분은 전형적으로 LED 다이(4) 내에 갇히게 되며 접착층(6) 자신이 흡수하고 있지 않는 경우에서조차도 흡수되어 손실될 것이다. 반대로, 고 굴절률 재료로부터 형성된 접착층(6)은 가령, 고 굴절률 접착 재료가 방출된 광의 일부를 흡수하는 칼코겐화 유리와 같은 재료라 하더라도 액티브 영역(12)에 의해 방출되는 광의 대부분을 LED 다이(4)로부터 광학 소자(2)로 전달할 것이다.
투명 접착층(6)이 LED 다이(4)에 도포된 후, 광학 소자의 실질적으로 평평한 표면(22)은 접착층(6)과 접하도록 위치할 것이다. 그런 후에, 접착층(6)의 온도는 약 실온과 약 1000℃ 사이의 온도까지 상승되고, 광학 소자(2) 및 LED 다이(4)에는 약 1초 내지 약 6시간 동안 약 1 psi 내지 6000 psi의 압력이 함께 가해진다. 본 발명자는 이 공정에서 예를 들어, 전단 변형 스트레스(shear stress)를 통한 재료전달(material transfer), 증발-응축, 액화(또는 융화(melting) 또는 연화(softening))후의 응고, 확산 또는 합금화에 의해 광학 소자(2)와 접착층(6)(LED 다이 상에 형성됨) 사이에서 생성된 접착력으로 인해 광학 소자(2)가 LED 다이(4)에 접착된다고 믿는다. 본 발명자는 다른 실시예에서, 가령, 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 상에 각각 형성된 접착층 사이 또는 접착층(6)(광학 소자(2) 상에 형성됨)과 LED 다이(4) 사이의 재료 전달에 의해 유사하게 생성된 접착력에 의해 광학 소자(2)가 LED 다이(4)에 접착된다는 것을 믿는다. 따라서, 재료 전달에 의해 형성되는 접착 계면이 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이에 위치할 수 있다. 일 실시예에서는 가령, n 층(8)과 접착층(6)의 계면에서의 표면(18)이 이러한 접착 계면이다. 다른 실시예에서는 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 상에 각각 형성된 접착층의 계면이 접착 계면이다. 또 다른 실시예에서는 광학 소자(2) 및 접착층(6)의 계면이 접착 계면이다.
일 실시예에서 투명 접착층(6)이 광학 유리로 LED 다이(4) 상에 형성된 경우에는 예를 들어, 접착층(6)의 온도가 광학 유리의 변형점(strain point) 정도까지 상승된다. 유리 전이 온도(TG)에 가깝지만 그 보다는 낮은 변형점 온도는 광학 유리가 약 1014.5푸아즈(poise)의 점성률을 갖는 온도이다. 또한 변형점 온도는 광학 유리에 있어서 온도에 대한 팽창의 그래프 내에서 제 1 비선형 부분에 대응하고, 따라서 어닐링 범위의 하한을 나타낸다. 변형점 온도 부근 또는 그 보다 높은 온도에서 층(6) 내의 광학 유리의 결과적인 유연성 및 낮아진 표면 장력은 광학 유리가 표면(22)에 대해 미세한 부분까지 부합하도록 하고 광학 소자(2)와 접착층(6) 사이의 접착을 달성하도록 한다.
전술한 LED 다이(4)에 광학 소자(2)를 접착하는 공정은 상승된 온도 및 압력에서 반도체 웨이퍼를 서로 접착시키는 데 이전에 사용된, 본 명세서에서 참조로 인용되는 미국 특허 제 5,502,316 호 및 제 5,376,580 호에 개시된 디바이스를 이용하여 수행할 수 있다. 개시된 디바이스는 필요한 경우 LED 다이 및 광학 소자를 수용하도록 변형될 수 있다. 이와 달리, 전술한 접착 공정은 통상의 수직 압착기(a vertical press)를 이용하여 수행될 수 있다.
투명 광학 소자(2)를 가령, SiC(500nm에서 n∼2.7), 알루미늄 산화물(사파이어, 500nm에서 n∼1.8), 다이아몬드(500nm에서 n∼2.4) 또는 금속을 제외하고 앞서 열거된 투명 접착층(6) 내의 접착 재료로 사용하기 위한 재료 중 임의의 재료로부터 형성한다. 광학 소자(2)와 광학 소자(2)가 접착되는 LED 다이(4)의 열팽창 계수 사이의 상당한 불일치로 인해 가열 또는 냉각 시 광학 소자(2)가 LED 다이(4)로부터 분리될 수 있다. 또한, 열팽창 계수를 대략적으로 일치시키는 것은 접착층(6)과 광학 소자(2)에 의해 LED 다이(4) 내로 유입되는 스트레스를 줄인다. 따라서, 일 실시예에서는 광학 소자(2)가 접착되는 LED 다이(4)의 열팽창 계수와 대략적으로 일치하는 열팽창 계수를 갖는 재료로부터 광학 소자(2)를 형성한다.
일 실시예에서, 투명 광학 소자(2)는 LED 다이(4)로부터 광학 소자(2)로 들어오는 광이 직교 입사에 가까운 입사각으로 광학 소자(2)의 표면(24)을 지나도록 하는 형태 및 크기를 갖는다. 그것에 의해, 표면(24)과 전형적으로는 공기인 주변매체와의 계면에서의 총 내부 반사가 줄어들게 된다. 게다가, 입사각의 범위가 좁기 때문에, 표면(24)에서의 프레넬 반사 손실은 통상의 반사 방지 코팅(25)을 표면(24)에 도포함으로써 줄일 수 있다. 예를 들어, 광학 소자(2)의 형상은 반구와 같은 구의 일부, 바이어슈트라스 구(절단된 구) 또는 반구보다 작은 구의 일부이다. 이와 달리, 광학 소자(2) 형상은 절단된 타원과 같은 타원의 일부이다. LED 다이(4)로부터 광학 소자(2)로 들어가는 광에 대한 표면(24)에서의 입사각은 광학 소자(2)의 크기가 증가함에 따라 직교 입사에 더 근접하게 된다. 따라서, LED 다이(4)의 표면(18)의 길이에 대한 투명 광학 소자(2)의 밑변 길이의 최소 비는 바람직하게는 약 1, 보다 바람직하게는 약 2보다 더 크다.
당업자는 특정 재료의 광학 소자(2)가 전술한 바와 같이 계속해서 투명하게되는 최대 크기가 LED의 방출 파장에서의 광학 소자 재료의 흡수 상수에 의해 결정된다는 것을 알 것이다. 일 실시예에서, 광학 소자(2)는 프레넬 렌즈이다. 전형적으로 프레넬 렌즈는 가령, 유사한 초점 길이의 구형 광학 소자보다 더 얇아서 더 적게 흡수한다.
몇몇 실시예에서는 광학 소자(2)가 집광기, 가령, 총 내부 반사기(TIR)를 이용하는 집광기를 포함한다. 도 1d는 LED 다이(4)에 접착된 집광기의 예를 제공한다. 도 1d는 포물선 모양의 갖는 집광기(광학 소자)의 표면(23)을 도시하지만, 표면(23)은 원뿔형 또는 경사면(beveled shape)과 같이 광을 모으도록 설계되기만 한다면 어떤 모양이라도 무관하고, 금속화물 또는 유전체 재료로 코팅될 수 있다. LED 다이(4)의 액티브 층(12)은 표면(24)에서 총 내부 반사를 겪는 광의 양을 줄이도록 위치한다. 예를 들어, 액티브 층(12)은 광학 소자(2)의 초점 부근에 배치될 수 있다. 표면(23)이 없으면 임계각보다 더 큰 각으로 광자가 표면(24)과 교차했겠지만 표면(23)에서 최초 반사할 경우에는 광자가 임계각 내의 각으로 표면(24)과 교차한다. 따라서, 표면(23)은 광자가 LED 다이(4)를 벗어날 가능성을 증가시킨다
다른 실시예에서, 광학 소자(2)는 가령, 표면(22)에 수직인 방향으로 감소하는 또는 표면(22)의 중앙 근처의 최대값으로부터 방사선상으로 감소하는 굴절률을 갖는 구배형 굴절률 광학 소자(a graded index optical element)이다.
일 실시예에서 광학 소자(2)는 액티브 영역(12)에 의해 방출되는 파장의 광을 다른 파장으로 변환시키는 발광 재료를 포함한다. 다른 실시예에서, 표면(22) 상의 코팅은 예를 들어, 발광 재료를 포함한다. 발광 재료는 가령, 통상의 인광 입자, 유기적 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 또는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 또는 Ⅲ족-Ⅴ족 반도체 양자 도트 또는 나노크리스탈, 염료, 폴리머 및 결함의 중심으로부터 발광하는 GaN와 같은 재료를 포함한다. 이와 달리, 표면(22) 부근의 광학 소자(2)의 영역을 가령, 발광 재료로 도핑한다.
광학 소자(2)의 굴절률(noptical element), 접착층(6)의 굴절률(nbond) 및 LED 다이(4)의 상부 층의 굴절률(nLED)의 크기는 6 가지로 순서화된다. nLED≤nbond≤noptical element또는 nLED≤noptical element≤nbond일 경우에는 총 내부 반사에 기인한 손실이 제거되지만, 프레넬 손실이 발생할 수도 있다. 특히, nLED=nlens=nbond인 경우에는 프레넬 손실 또는 총 내부 반사에 기인한 손실 없이 LED 다이(4)로부터광학 소자(2)로 광이 들어간다. 한편, nbond≤nLED≤noptical element이지만 nbond＞nepoxy이거나 접착층(6)이 전술한 바와 같이 얇을 경우에는 프레넬 반사 손실을 고려하지 않는다면, 에폭시 인캡슐런트 또는 공기 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 광학 소자(2)로 추출될 것이다. 유사하게, nbond≤noptical element≤nLED이지만 nbond＞nepoxy이거나 접착층(6)이 전술한 바와 같이 얇고 noptical element＞nepoxy인 경우, 프레넬 반사 손실을 고려하지 않는다면 에폭시 인캡슐런트 또는 공기 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 광학 소자(2) 내로 추출될 것이다. noptical element≤nbond≤nLED또는 noptical element≤nLED≤nbond이지만 noptical element＞nepoxy인 경우, 프레넬 반사 손실을 고려하지 않는다면, 에폭시 인캡슐런트 또는 공기 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 광학 소자(2)로 추출될 것이다. 따라서, 바람직하게 투명 광학 소자(2)는 LED 다이(4)의 방출 파장에서 약 1.5, 바람직하게는 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는다. 주위의 매체가 에폭시 인캡슐런트가 아니라 공기(nair∼1)인 경우 nepoxy대신 nair로 유사한 분석을 적용한다.
접착층(6)이 인 입자를 포함하고 바람직하게는 고 굴절률 칼코겐화 유리인 접착 재료의 굴절률이 인 입자의 굴절률과 대략 일치하는 경우에는, 액티브 영역 또는 인 입자에 의해 방출되는 광의 인 입자에 의한 산란은 무시될 것이다. 바람직하게, 인 입자, 접착 재료, LED 다이(4)의 상부의 층(가령, n 층(8)) 및 광학 소자의 굴절률은 모두 거의 같다. LED 다이(4)의 상부 층이 InGaN인 경우에는 인 입자가 SrS:Eu 및/또는 SrGaS:Eu이고 광학 소자는 ZnS이다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에서, 투명 광학 소자(2)는 별도의 접착층을 사용하지 않고 LED 다이(4)의 상부 표면(18)에 직접 접착된다. 발명자는 가령, 전단 변형 스트레스를 통한 재료 전달, 증발-응축, 액화(또는 융화 또는 연화) 후의 응고, 확산 또는 합금화에 의해 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이의 접착력이 생긴다고 믿는다. 금속화물층(20)이 존재하는 경우에는 광학 소자(2)의 표면(22)이 표면(18)에 직접 접착되도록 패터닝될 것이다. 또한, 표면(22)은 예를 들어, 에칭에 의해 선택적으로 패터닝될 것이다. 이러한 일 실시예에서, 투명 광학 소자(2)는 별도의 결합층을 형성하기 위해 사용될 수 있는 전술한 재료와 같은 재료로부터 형성된다. 다른 실시예에서, LED 다이(4)의 상부 층(예를 들면, 도 2의 n 층(8))이 형성되는 재료는 접착 재료로 적합하다. 따라서, 광학 소자(2) 또는 LED 다이(4)의 상부 층 중 하나는 접착층으로서 부가적인 역할을 하고, 별도의 접착층은 필요가 없게 된다. 일 실시예에서, 표면(18)에서 광학 소자(2)와 LED 다이(4)의 계면은 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이의 매스 전달(mass transfer)에 의해 특징지어지는 접착 계면이다.
LED 다이(4)에 직접 접착되는 광학 소자에 있어서, nLED≤ noptical element또는 noptical element＜ nLED이지만 noptical element＞ nepoxy인 경우, 프레넬 반사 손실을 고려하지 않으면 에폭시 인캡슐런트 내로 추출되는 것보다 더 많은 광이 광학 소자(2)로 추출된다. 주위의 매체가 에폭시 인캡슐런트가 아니라 공기(nair∼1)인 경우nepoxy대신 nair로 유사한 분석을 적용한다.
투명 광학 소자(2)는 접착층(6)을 이용하는 접착 공정에 대해 전술한 것과 같은 온도 및 압력에서 LED 다이(4)에 직접 접착된다. 일 실시예에서, LED 다이(4)의 표면(18) 또는 광학 소자(2)의 표면(22)을 가령 Zn 또는 Si와 같은 고 확산율을 나타내는 재료로 도핑한다. 그러한 도핑은 MOCVD, VPE, LPE 또는 MBE에 의한 재료 성장 동안 달성되거나 예를 들어, 주입에 의한 재료 성장 후에 달성된다. 다른 실시예에서, 고확산 재료의 얇은 층은 표면(18, 22) 중 적어도 하나 상에서의 증착에 의해 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이에 배치된다. 증착은 예컨대, 증발이나 스퍼터링 등의 통상적인 수단에 의해 달성될 수 있다. 발명자는 접착 공정 동안 고확산 재료가 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이의 계면을 가로질러 확산하고 광학 소자(2)와 LED 다이(4) 사이의 재료 전달을 증진시킨다는 것을 믿는다. 사용된 고확산 재료의 양은 가령, 광학 소자(2)와 LED 다이(4)의 상부층의 투명도를 유지하기에 충분히 적어야 한다.
접착 방법의 적용은 사전제조된 광학 소자에 한정하는 것은 아니다. 오히려 투명 광학 소자(2)는 전술한 방식으로 LED 다이(4)에 접착되고 광학 소자(2)로 성형되는 투명 광학 소자 재료 블록일 수 있다. 광학 소자(2)는 아마도 포토리소그래피 또는 다른 리소그래피 기술, 즉 전자 빔 리소그래피, 이온 빔 리소그래피, X 레이 리소그래피 또는 홀로그래픽 리소그래피와 함께 에칭을 사용하여 형성될 수 있다. 플라즈마 에칭, 반응성 이온 에칭(reactive ion etching : RIE) 및 화학 지원 이온 빔 에칭(chemically-assisted ion beam etching : CAIBE)와 같은 습식 또는 건식 화학 에칭 기술을 사용할 수도 있다. 또한, 광학 소자(2)는 이온 빔 밀링 또는 집중된 이온 빔 밀링(focused ion beam milling : FIB)을 사용하여 투명 광학 소자 재료의 표면으로 밀링되거나, 주사 전자(scanning electron) 또는 레이져 빔(laser beam)을 이용하여 표면으로 애블레이팅(ablate)되거나, 절단, 밀링 또는 스크라이빙에 의해 기계적으로 머시닝(machined)된다. 게다가, 광학 소자(2)는 본 명세서에서 참조로 인용되는 미국 특허 출원 번호 제 09/823,841 호에 개시된 방법을 이용하여 투명 광학 소자의 블럭으로 스탬핑될 수 있다.
통상적으로 LED 다이(4)를 인캡슐런트 내에 두는 것보다는 광학 소자(2)에 접착하는 것이 더 유리하다. 예를 들면, 전술한 바와 같이 접착층(6)을 이용하여 또는 접착층(6) 없이 광학 소자(2)에 접착되는 LED 다이(4)의 표면(18)을 통한 광 추출 효율은 통상의 에폭시로 보호된 LED와 비교할 때 개선된다. 게다가, LED 다이(4)는 에폭시로 보호된(둘러싸인) LED가 겪게 되는 해로운 스트레스를 받을 필요가 없다. 더욱이, 비교적 저온에서 열화되는 에폭시 인캡슐런트가 없으면 LED 다이(4)는 보다 고온에서 사용될 수 있다. 결과적으로, LED 다이(4)의 광 출력은 더 높은 전류 밀도에서 LED 다이(4)를 사용함으로써 증가될 수 있다.
그러나, 원하는 경우에는 광학 소자(2)에 접착되는 LED 다이(4)를 가령, 에폭시 또는 실리콘으로 부가적으로 감쌀 수 있다. 광학 소자(2)에 접착되는 LED 다이(4)의 캡슐화는 LED다이(4)의 표면(18)을 통한 광학 소자(2) 내로의 광 추출 효율에 영향을 주지 않을 것이다. 표면(24)과 인캡슐런트의 계면에서의 총 내부 반사는 전술한 바와 같이 광학 소자(2)의 형태와 크기에 의해 최소화될 것이다.
몇몇 실시예에서, LED 다이(4)는 예를 들어, 상승된 온도에서 열화되는 전기적 접속부를 위한 금속화물을 포함한다. 다른 실시예에서는, 도시되지는 않았지만 LED 다이(4)가 고온에서 열화되는 솔더 또는 은 함유 다이 접착 에폭시(silver bearing die-attach epoxies)를 이용하여 서브마운트에 접착된다(다이 접착 에폭시는 에폭시 인캡슐런트와 다름에 유의). 따라서, 일 실시예에서는 예를 들어, 금속화물 또는 다이 접착 에폭시의 열화를 방지하기 위해 광학 소자(2)를 접착층(6)을 이용하거나 접착층(6) 없이 LED 다이(4)에 접착시키는 공정을 약 500℃보다 낮은 온도에서 실시한다. 다른 실시예에서, 광학 소자(2)는 불완전한 LED 다이, 예를 들어, 몇몇 또는 모든 금속화물이 결여된 LED 다이에 접착된다. 후자의 실시예에서, LED 다이의 제조는 광학 소자 접착 공정 후에 완료된다.
도 3 내지 도 11에 도시된 LED 다이(4)의 구조는 도 1a, 1b, 1c, 1d 및 도 2 에 도시된 구조와 다를 수 있다. 다양한 실시예의 동일 부분은 도 1 내지 도 11 에서 같은 참조 번호로 나타난다.
도 3의 실시예에서, LED 다이(4)의 측면(26, 28)은 각각 90°보다 작은 각 α 및 β로 접착층을 교차하고 각각 90°보다 큰 각 γ 및 δ로 액티브 영역을 교차하도록 기울어져 있다. 두 개의 경사면이 도 3에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 LED 다이(4)가 두 개의 경사면보다 더 많거나 적은 경사면을 가져서 가령, 모양이 실질적인 원뿔형 또는 피라미드형이 될 수 있다.
경사면(26, 28)은 액티브 영역(12)로부터 방출되는 광을 접착층(6) 쪽으로반사한다. 반사되지 않았다면 LED 다이(4) 내에서 갇히거나 다이의 측면 밖으로 손실되었을 광은 그것에 의해 접착층(6)과 광학 소자(2)를 통해 유리하게 추출된다. 일 실시예에서, LED 다이(4)는 공기와 같은 저 굴절률 매체에 의해 둘러싸이고, 액티브 영역(12)로부터 경사면(26, 28) 상으로 입사되는 광의 일부는 모두 내부 반사되어 접착층(6)으로 향하게 된다. 다른 실시예에서는, 한 실시예에서는 금속층이고 또 다른 실시예에서는 유전체층이며, 광을 접착층(6)쪽으로 반사하는 반사 코팅으로 경사면(26, 28)이 코팅된다.
일 실시예에서, 컨택트(16)는 반사성이 매우 강하다. 따라서, 이 실시예에서는 컨택트(16) 상의 입사광이 접착층과 광학 소자(2)를 향해 직접적으로 또는 측면(26, 28)로부터의 부가적인 반사 후에 반사된다. LED 다이(4)의 광 추출 효율은 결과적으로 증가하게 된다.
도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, LED 다이(4)는 금속화물층(20) 및 n 층(8)에 전기적으로 접속되는 도전성 투명 수퍼스트레이트(30)와 p 층(10) 및 컨택트(16)에 전기적으로 접속되는 선택적인 투명 도전성 기판(32)을 포함한다. 수퍼스트레이트(30) 및 (선택적인) 기판(32)은 예를 들면, LED 다이(4)에 의해 방출되는 광자의 에너지보다 더 큰 대역 갭 에너지를 갖는 반도체로부터 형성된다. 수퍼스트레이트(30)는 액티브 영역(12)의 방출 파장에서 바람직하게 약 1.5, 더 바람직하게는 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는 재료로부터 형성된다. 다른 실시예에서, LED 다이(4)의 측면(26, 28)은 기울어지고 매우 반사성이 강하며, 전술한 바와 같이 컨택트(16)도 매우 반사성이 강하다. 도 4에 도시된 일 실시예에서, 투명 광학소자(2)는 접착층(6)을 이용하여 수퍼스트레이트(30)에 접착되고, n 층(8)은 n 컨택트(14)에 의해 금속화물층(20)에 전기적으로 접속된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 투명 광학 소자(2)는 수퍼스트레이트(30)에 직접 접착되고, n 컨택트(14)는 따로 제공되지 않는다.
컨택트(14, 16)는 도 6 및 도 7 내에 도시된 "플립 칩" 실시예에서 LED 다이(4)의 동일 측면 상에 위치한다. 광학 소자(2)는 컨택트(14, 16)로부터 LED 다이(4)의 반대편에 접착되기 때문에, 이들 실시예에서는 광학 소자(2) 상에 금속화물층이 필요없다. 광학 소자(2) 내로의 광 추출 효율은 금속화물층의 부재에 의해 개선된다. 다른 실시예에서, LED 다이(4)의 측면(26, 28)은 기울어지고 매우 반사성이 강하게 되며, 전술한 바와 같이 컨택트도 매우 반사성이 강하게 된다. 투명 수퍼스트레이트(34)는 예를 들어, 액티브 영역(12)의 방출 파장에서 바람직하게 1.5, 더 바람직하게는 1.8보다 큰 굴절률을 갖는 사파이어, SiC, GaN 또는 GaP와 같은 재료로부터 형성된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 광학 소자(2)는 접착층(6)을 이용하여 투명 수퍼스트레이트(34)에 접착된다. 도 7에 도시된 실시예에서, 광학 소자(2)는 투명 수퍼스트레이트(34)에 직접 접착된다.
도 6 및 도 7에 도시된 실시예 중 일 실시예에서, 광학 소자(2)는 ZnS로부터 형성되고 수퍼스트레이트(34)는 SiC 또는 GaN으로부터 형성되며, n 층(8)은 GaN과 같은 Ⅲ족-질화물 반도체로부터 형성된다. 다른 실시예에서, 광학 소자(2)는 GaP로부터 형성되고, 수퍼스트레이트(34)는 GaP로부터 형성되며, n 층(8)은 AlInGaP 합금과 같은 Ⅲ족-인화물 반도체로부터 형성된다. 만일 존재하는 경우에는접착층(6)은 가령, ZnS로부터 형성된다.
도 8 및 도 9에 도시한 실시예에서는, n 층(8), p 층(10) 및 액티브 영역(12)의 배향이 광학 소자(2)에 실질적으로 수직이다. 도 6 또는 도 7에 도시된 실시예에서처럼, 광학 소자(2) 상에는 금속화물층이 필요하지 않다. 도 8에 도시된 실시예에서는 광학 소자(2)가 접착층(6)을 이용하여 LED 다이(4)에 접착된다. 도 9에 도시된 실시예에서는 광학 소자(2)가 LED(4)에 직접 접착된다. 일 실시예에서, LED 다이(4)는 절단부가 층(8, 10) 및 액티브 영역(12)에 실질적으로 수직 방향이 되도록 웨이퍼로부터 절단기로 절단(다이싱(diced))된다. 이 실시예에서, 광학 소자(2)에 접착되는 LED 다이(4)의 표면은 고르지 못한 부분을 줄이기 위해 선택적으로 연마된다. 다른 실시예에서, LED 다이(4)의 측면(26, 28)은 경사를 이루고, 컨택트(14)는 매우 반사성이 강하게 되며, 반사층(36)은 광을 광학 소자(2)로 반사하도록 위치한다.
도 10과 도 11의 실시예에서, LED 다이(4)는 LED 다이(4)가 접착되는 광학 소자(2)의 표면(22) 내의 리세스(recess)(38) 내에 위치한다. 도 10에 도시된 실시예에서, 광학 소자(2)는 LED 다이(4)에 직접 접착된다. 도 11의 다른 실시예에서, 광학 소자(2)는 접착층(6)을 이용하여 LED 다이(4)에 접착된다.
본 발명은 특정 구체적 실시예와 함께 설명되었지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내의 모든 변형 및 응용을 포함하도록 의도되었다.
본 발명에 의하면 인캡슐런트(an encapsulant)를 사용하지 않고도 총 내부반사(a total internal reflection)에 기인한 손실을 감소시켜 발광 디바이스의 광 추출 효율을 개선할 수 있다.

Claims (62)

  1. 액티브 영역을 포함하는 반도체층을 포함하는 층의 스택을 구비하는 발광 디바이스에 있어서,
    상기 스택에 접착되는 투명 광학 소자(a transparent optical element)를 포함하는
    발광 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 집광기(an optical concentrator)를 포함하는
    발광 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광기는 포물선형 벽을 포함하는
    발광 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광기는 원뿔형 벽(a cone-shaped wall)을 포함하는
    발광 디바이스.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광기는 경사 측벽(a beveled side wall)을 포함하는
    발광 디바이스.
  6. 제 2 항에 잇어서,
    상기 집광기는 금속화물로 코팅된 측벽을 포함하는
    발광 디바이스.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 집광기는 유전체 재료로 코팅된 측벽을 포함하는
    발광 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 총 내부 반사기(a total internal reflector)를 포함하는
    발광 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 광학 유리, Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ⅳ족 반도체 및 화합물(compounds), 금속 산화물(metal oxides), 금속 플루오르화물(metal fluorides), 다이아몬드(diamonds), 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet) 및 들의 조합으로부터 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는
    발광 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 사파이어(sapphire), GaP, ZnS 및 SiC로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는
    발광 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 파장의 광을 적어도 다른 파장으로 변환하는 하나 이상의 발광 재료를 포함하는
    발광 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 파장의 광을 적어도 다른 파장으로 변환하는 하나 이상의 발광 재료로 코팅되는
    발광 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 상기 스택의 표면에 접착되고,
    상기 표면의 길이에 대한 상기 광학 소자의 밑변 길이의 최소 비는 약 1보다 더 큰
    발광 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 비는 약 2보다 더 큰
    발광 디바이스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택은 상기 광학 소자 표면의 리세스(a recess) 내에 위치하는
    발광 디바이스.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대한 상기 광학 소자의 굴절률은 약 1.5보다 더 큰
    발광 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 굴절률은 약 1.8보다 더 큰
    발광 디바이스.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자의 굴절률은 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대한 상기 반도체 층의 굴절률 이상인
    발광 디바이스.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 층에 전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하는 컨택트를 더 포함하는
    발광 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 컨택트 중 적어도 하나는 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대해 고 반사성이고 상기 광을 상기 광학 소자 방향으로 반사하도록 위치하는
    발광 디바이스.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역으로부터 방출된 광을 상기 광학 소자 방향으로 반사하도록 위치한 적어도 하나의 경사면을 더 포함하는
    발광 디바이스.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 영역으로에 의해 방출된 광을 상기 광학 소자 방향으로 반사하도록 위치한 적어도 하나의 고 반사층(at least one layer highly reflective)을 더 포함하는
    발광 디바이스.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 광학 소자는 상기 반도체 층 중 적어도 하나에 직접적으로 접착되는
    발광 디바이스.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 스택은 상기 반도체 층 위에 위치하고 상기 광학 소자에 직접 접착되는 투명 수퍼스트레이트층(transparent superstrate layer)을 포함하는
    발광 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트 층은 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대해 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는
    발광 디바이스.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트 층은 사파이어, SiC, GaN 및 GaP로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는
    발광 디바이스.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 ZnS와 사파이어 중 하나를 포함하고,
    상기 수퍼스트레이트는 SiC, GaN 및 사파이어 중 하나를 포함하며
    상기 반도체 층은 Ⅲ족-질화물 반도체를 포함하는
    발광 디바이스.
  28. 제 27 항에 있어서,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하며, 상기 스택의 동일면 상에 위치하는 제 1 및 제 2 컨택트를 더 포함하는
    발광 디바이스.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 GaP로부터 형성되고,
    상기 수퍼스트레이트는 Ⅲ족-인화물 재료로부터 형성되며,
    상기 반도체 층은 Ⅲ족-인화물 반도체를 포함하는
    발광 디바이스.
  30. 제 29 항에 있어서,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하며 상기 스택의 동일면 상에 위치하는 제 1 및 제 2 컨택트를 더 포함하는
    발광 디바이스.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 광학 소자와 상기 스택의 표면 사이에 위치하며, 상기 광학 소자를 상기 스택에 접착하는 투명 접착층을 더 포함하는
    발광 디바이스.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 투명 접착층은 광학 유리(optical glass), 칼코겐화 유리(chalcogenide glass), Ⅲ족-Ⅴ족 반도체, Ⅱ족-Ⅵ족 반도체, Ⅳ족 반도체, 유기적 반도체(organic semiconductors), 금속, 금속 산화물(metal oxides), 금속 플루오르화물(metal fluorides), 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet), 인화물(phosphides), 비화물(arsenides), 안티몬화물(antimonides), 질화물(nitrides) 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 형성되는
    발광 디바이스.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 투명 접착층은 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 파장의 광을 적어도 다른 파장으로 변환하는 하나 이상의 발광 재료를 포함하는
    발광 디바이스.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 접착층은 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대해 약 1.5보다 더 큰 굴절률을 갖는
    발광 디바이스.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 굴절률은 약 1.8보다 더 큰
    발광 디바이스.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 접착층은 두께가 약 500Å보다 더 작은
    발광 디바이스.
  37. 제 31 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 반도체층 중 하나의 표면을 포함하는
    발광 디바이스.
  38. 제 31 항에 있어서,
    상기 표면은 상기 반도체층 위에 위치하는 투명 수퍼스트레이트층의 표면을 포함하는
    발광 디바이스.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트층은 상기 액티브 영역에 의해 방출되는 광에 대해 약 1.8보다 더 큰 굴절률을 갖는
    발광 디바이스.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 수퍼스트레이트층은 사파이어, SiC, GaN 및 Gap로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료로 형성되는
    발광 디바이스.
  41. 제 38 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 ZnS 및 사파이어 중 하나로를 포함하고,
    상기 수퍼스트레이트는 SiC, GaN 및 사파이어 중 하나를 포함하며,
    상기 반도체층은 Ⅲ족-질화물 반도체를 포함하는
    발광 디바이스.
  42. 제 41 항에 있어서,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하며, 상기 스택의 동일면 상에 위치하는 제 1 및 제 2 컨택트를 더 포함하는
    발광 디바이스.
  43. 제 38 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 GaP로부터 형성되고,
    상기 수퍼스트레이트는 Ⅲ족-인화물 재료로부터 형성되며,
    상기 반도체층은 Ⅲ족-인화물 반도체를 포함하는
    발광 디바이스.
  44. 제 43 항에 있어서,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하며 상기 스택의 동일면 상에 위치하는 제 1 및 제 2 컨택트를 더 포함하는
    발광 디바이스.
  45. 액티브 영역을 포함하는 반도체 층을 포함하는 층의 스택을 갖는 발광 디바이스에 투명 광학 소자를 접착하는 방법에 있어서,
    상기 광학 소자 및 상기 스택의 온도를 상승시키는 단계와,
    상기 광학 소자 및 상기 스택에 압력을 함께 가하여 상기 광학 소자를 상기 스택에 접착하는 단계
    를 포함하는 투명 광학 소자 접착 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 온도는 약 500℃ 미만까지 상승되는
    투명 광학 소자 접착 방법.
  47. 제 45 항에 있어서,
    하나 이상의 고확산 재료(high diffusivity material)를 상기 광학 소자와 상기 스택 사이에 배치하는 단계를 더 포함하는
    투명 광학 소자 접착 방법.
  48. 제 45 항에 있어서,
    상기 광학 소자와 상기 스택 중 적어도 하나를 고 확산 재료로 도핑하는 단계를 더 포함하는
    투명 광학 소자 접착 방법.
  49. 제 45 항에 있어서,
    상기 광학 소자와 상기 스택의 표면 사이에 투명 접착 재료 층을 배치하는 단계를 더 포함하는
    투명 광학 소자 접착 방법.
  50. 제 49 항에 있어서,
    상기 접착 재료는 광학 유리를 포함하고,
    상기 온도는 약 상기 광학 유리의 변형점(strain point) 온도까지 상승되는
    투명 광학 소자 접착 방법.
  51. 액티브 영역을 포함하는 반도체층을 포함하는 층의 스택을 갖는 발광 디바이스에 있어서,
    상기 스택에 접착되는 광학 소자와,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하는 제 1 및 제 2 컨택트
    를 포함하되,
    상기 층의 스택은 적어도 하나의 Ⅲ족-인화물 반도체를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 컨택트는 상기 스택의 동일면 상에 위치하는
    발광 디바이스.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 GaP를 포함하는
    발광 디바이스.
  53. 액티브 영역을 포함하는 반도체층을 포함하는 층의 스택을 갖는 발광 디바이스에 있어서,
    상기 스택에 접착되는 광학 소자와,
    전기적으로 접속되어 상기 액티브 영역 양단에 전압을 인가하는 제 1 및 제 2 컨택트를 포함하되,
    상기 층의 스택은 적어도 하나의 Ⅲ족-질화물 반도체층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 컨택트는 상기 스택의 동일면 상에 위치하는
    발광 디바이스.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 ZnS 및 사파이어 중 하나를 포함하는
    발광 디바이스.
  55. 반도체층 및 집광기를 포함하는 층의 스택을 포함하는 발광 디바이스 제조 방법에 있어서,
    투명 광학 소자 재료 블록을 상기 반도체층을 포함하는 층의 스택 상에 접착하는 단계와,
    상기 투명 광학 소자 재료 블록을 상기 집광기집광기형성하는 단계를 포함하는
    발광 디바이스 제조 방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 접착 단계는
    상기 광학 소자 및 상기 스택의 온도를 상승시키는 단계와,
    상기 광학 소자 및 상기 스택을 함께 누르도록 압력을 가하는 단계
    를 포함하는 발광 디바이스 제조 방법.
  57. 제 55 항에 있어서,
    상기 형성 단계는 에칭 기법을 포함하는
    발광 디바이스 제조 방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 에칭 기법은 건식 에칭 또는 습식 에칭 중 하나로부터 선택되는
    발광 디바이스 제조 방법.
  59. 상기 건식 에칭은 플라즈마 에칭(plasma etching), 반응성 에칭(reactive etching) 및 화학 지원 이온 빔 에칭(chemical-assisted ion beam etching) 중 하나인
    발광 디바이스 제조 방법.
  60. 제 55 항에 있어서,
    상기 형성 단계는 리소그래피 기법을 포함하는
    발광 디바이스 제조 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 리소그래피 기법은 포토리소그래피, 전자 빔 리소그래피, 이온 빔 리소그래피, X 레이 리소그래피 및 홀로그래픽 리소그래피로 이루어진 그룹으로부터 선택되는
    발광 디바이스 제조 방법.
  62. 제 55 항에 있어서,
    상기 형성 단계는 밀링(milling), 집중 이온 빔 밀링(focused ion beam milling), 애블레이팅(ablating), 머시닝(machining), 절단(sawing), 스탬핑(stamping) 및 스크라이빙(scribing)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기계적 기법을 포함하는
    발광 디바이스 제조 방법.
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