KR20120086731A - 파장 변환된 반도체 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
디바이스는 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 층을 포함하는 반도체 구조체(50)를 포함한다. 발광 재료(58a, 58b)는 발광 층에 의해 방출된 광의 경로에 배치된다. 열 결합 재료(56)는 투명한 재료(60) 내에 배치된다. 열 결합 재료는 투명한 재료의 열 전도성보다 더 큰 열 전도성을 가진다. 열 결합 재료는 발광 재료로부터의 열을 소산시키기 위해 배치된다.
Description
본 발명은 파장 변환된 반도체 발광 디바이스들에 관한 것이다.
LEDs(light emitting diodes), RCLEDs(resonant cavity light emitting diodes), VCSELs(vertical cavity laser diodes), 및 엣지 방출 레이저들(edge emitting lasers)을 포함하는 반도체 발광 디바이스들은 최근 이용 가능한 가장 효율적인 광원들 중 하나이다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작 가능한 고휘도 발광 디바이스들의 제조에서 최근 관심 있는 재료 시스템들은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체들, 특히, 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 Ⅲ-질화물 재료라고도 언급되는 니트로겐의 2원, 3원 및 4원 합금들을 포함한다. 전형적으로, Ⅲ-질화물 발광 디바이스들은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 또는 다른 에피택셜 기술들에 의해, 사파이어, 실리콘 카바이드, Ⅲ-질화물, 또는 다른 적절한 기판상에, 서로 다른 조성물들과 도펀트 농도들의 반도체 층들의 스택을 에피택셜하게 성장시킴으로써 제조된다. 이 스택은 기판 위에 형성된, 예를 들어, Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층들, n형 층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역 내의 하나 이상의 발광 층들, 및 활성 영역 위에 형성된, 예를 들어, Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층들을 종종 포함한다. 전기 접촉부들은 n형 및 p형 영역들 상에 형성된다.
활성 영역에 의해 방출된 광의 파장은 활성 영역에 의해 방출된 광의 경로에 형광체 또는 염료(dye)와 같은 파장 변환 재료를 위치시키는 것에 의해 이동될 수 있다. 파장 변환 재료는 활성 영역에 의해 방출된 광을 흡수하고, 전형적으로 활성 영역에 의해 방출된 광의 피크(peak) 파장보다 더 긴, 상이한 피크 파장에서 광을 방출한다. 도 1은 파장 변환 반도체 발광 디바이스를 도시하며, 이는 US 6,870,311에서 더 자세히 설명된다. 도 1의 디바이스에서, 발광 반도체 디바이스(32)는 반사성 컵(34) 내에 배치된다. 투명한 재료(36)의 층(44)은 디바이스(32)의 하나 이상의 표면상에 배치된다. 나노입자들(38) 및 형광체 입자들(40)은 재료(36) 내에 분산되어 있다. 적절한 나노입자들의 예들은 금속 산화물들, 질화물들, 나이트리도실리케이트들(nitridosilicates) 및 그것들의 혼합물들의 나노입자들을 포함한다. 적절한 금속 산화물들은 칼슘 산화물(calcium oxide), 세륨 산화물(cerium oxide), 하프늄 산화물(hafnium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 산화 아연(zinc oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 및 그것들의 조합을 포함할 수 있으나, 그것들에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 약 2㎚에서 약 10㎚의 크기 범위를 가지는 그러한 금속 산화물들의 나노입자들은, 예를 들어, 독일 프랑크푸르트/메인의 Degussa-Huls AG로부터 이용가능하다. 또한, 그런 구현들에 대한 적절한 나노입자들은 황화 아연(zinc sulfide), 셀렌화 아연(zinc selenide), 황화 카드뮴(cadmium selenide), 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride), 및 그것들의 3성분 또는 4성분 혼합물들과 같은 Ⅱ-Ⅳ 반도체들의 나노입자들과, Ⅲ-질화물, Ⅲ-인화물, 및 그것들의 혼합물들과 같은 Ⅲ-Ⅴ 반도체들의 나노입자들을 포함할 수 있다. 나노입자들은 호스트 재료의 굴절률보다 더 큰 굴절률을 가지도록 선택된다.
투명한 재료(36)는 유기물 또는 무기물일 수 있고, 예를 들어, 종래의 에폭시들(epoxies), 아크릴 고분자(acrylic polymers), 폴리카보네이트들(polycarbonates), 실리콘 고분자들(silicone polymers), 광학 유리들, 칼코게나이드 유리들(chalcogenide glasses), 스피로 화합물들(spiro compounds), 및 그것들의 혼합물들을 포함할 수 있지만, 그것들에 한정되지는 않는다.
본 기술 분야에서 필요한 것은 파장 변환 반도체 발광 디바이스를 위한 효율적인 설계이다.
본 발명의 목적은 발광 재료 및 그 발광 재료로부터의 열을 소산시키기 위해 배치된 열 결합 재료를 포함하는 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 디바이스는 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 층을 포함하는 반도체 구조체를 포함한다. 발광 재료(luminescent material)는 발광 층에 의해 방출된 광의 경로에 놓여진다. 열 결합 재료(thermal coupling material)는 투명한 재료 내에 배치된다. 열 결합 재료는 투명한 재료의 열 전도성보다 더 큰 열 전도성을 가진다. 열 결합 재료는 발광 재료로부터의 열을 소산시키기 위해 놓여진다.
도 1은 형광체 입자들 및 나노입자들을 포함하는 투명 재료로 코팅된 종래의 반도체 발광 디바이스를 도시한다.
도 2는 발광 디바이스 위에 배치된 형광체들 및 열 결합 재료를 포함하는 투명한 재료를 도시한다.
도 3은 각각이 투명 재료, 형광체, 및 열 결합 재료를 포함하는, 발광 디바이스 위에 배치된 두 개의 별개의 층들을 도시한다.
도 4는 발광 디바이스 상에 배치된, 세라믹 형광체와, 형광체 및 열 결합 재료를 포함하는 투명한 재료의 층과, 열 결합 재료를 포함하는 접착층(glue layer)을 포함하는 다층(multilayer) 디바이스를 도시한다.
도 5는 발광 디바이스 위에 배치된 형광체 층과 열 결합 재료로 채워진 렌즈를 도시한다.
도 6은 발광층과 형광체층 사이의 온도 기울기를 열 결합 재료들이 있는 디바이스 및 열 결합 재료들이 없는 디바이스들에 대한 순방향 전류의 함수로서 도시한다.
도 2는 발광 디바이스 위에 배치된 형광체들 및 열 결합 재료를 포함하는 투명한 재료를 도시한다.
도 3은 각각이 투명 재료, 형광체, 및 열 결합 재료를 포함하는, 발광 디바이스 위에 배치된 두 개의 별개의 층들을 도시한다.
도 4는 발광 디바이스 상에 배치된, 세라믹 형광체와, 형광체 및 열 결합 재료를 포함하는 투명한 재료의 층과, 열 결합 재료를 포함하는 접착층(glue layer)을 포함하는 다층(multilayer) 디바이스를 도시한다.
도 5는 발광 디바이스 위에 배치된 형광체 층과 열 결합 재료로 채워진 렌즈를 도시한다.
도 6은 발광층과 형광체층 사이의 온도 기울기를 열 결합 재료들이 있는 디바이스 및 열 결합 재료들이 없는 디바이스들에 대한 순방향 전류의 함수로서 도시한다.
도 1에 도시된 형광체에 의한 파장 변환은, 예를 들어, 더 높은 파장의 광자들의 방출, 형광체들의 한정된 변환 효율, 디바이스로부터 추출되지 않은 광자들의 재흡수에서의 에너지 손실로 인해 열을 발생시킬 수 있다. 도 1의 디바이스로부터의 열 소산은, 투명한 재료의 낮은 열 전도성 때문에 디바이스 패키지에 대한 형광체의 약한 열 결합에 의해 지연될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 투명 재료는 종종 약 0.1 내지 0.2 W/m-℃의 열 전도성을 가진다. 파장 변환으로부터의 과도한 열은 투명 재료 내의 유기물 종들의 분해를 유발하기에 충분히 높은 동작 온도를 야기할 수 있으며, 이는 투명 재료의 황화 현상 또는 심지어 디바이스 고장을 야기할 수 있다. 더욱이, 일부 형광체들의 양자 효율들은 높은 온도에서 감소될 수 있으며, 이는 디바이스에 의해 방출된 광의 색점(color point)에서의 이동 또는 광 출력의 감소를 원하지 않게 유발할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 열 결합 재료는 파장 변환 재료 내부 및 그 주변의 열을 제거하기 위해 반도체 발광 디바이스의 위에 배치된다. 파장 변환 재료로부터의 열은 열 결합 재료를 통해 발광 디바이스 및 히트 싱크(heat sink) 또는 발광 디바이스가 연결되는 마운트로 소산된다.
열 결합 재료는 투명한 호스트 재료 내에 배치될 수 있다. 적절한 호스트 재료의 일 예는 1.4와 1.55 사이의 가시 광에 대한 굴절률을 갖는 실리콘이다. 투명한 호스트 재료들의 추가적인 예들은 실리콘 고분자들, 에폭시들, 아크릴 고분자들, 폴리카보네이트들, 광학 유리들, 칼코게나이드 유리들, 및 그것들의 혼합물들과 같은 유기물 또는 무기물을 포함한다. 또한, 예를 들어, 고지수(high index) 유리들 및 실리콘, 에폭시, 및 솔-겔들과 같은 재료들의 고지수 투명 호스트 재료들이 사용될 수 있으며, 그것들의 굴절률은 US 6,870,311에서 설명된 것과 같이, 나노입자들의 부가에 의해 변형되었다.
열 결합 재료는 호스트 재료의 굴절률에 가깝거나 그것에 매칭하는 굴절률을 가질 수 있다. 열 결합 재료의 굴절률은 일부 실시예들서는 호스트 재료의 굴절률과 10% 미만만큼 상이하고, 일부 실시예들에서는 1% 미만만큼 상이하다.
열 결합 재료의 열 전도성은 호스트 재료의 열 전도성을 초과한다. 예를 들어, 열 결합 재료는 일부 실시예들에서는 0.5W/m-℃보다 더 큰, 일부 실시예들에서는 1W/m-℃ 보다 더 큰, 그리고 일부 실시예들에서는 5W/m-℃ 보다 더 큰 열 전도성을 가질 수 있다.
적절한 열 결합 재료들의 예들은 알루미늄/실리콘 혼합 산화물, 실리카, 비결정질 실리카, SiC, AlN, 다이아몬드, Ce 도핑없는 YAG의 투명 입자와 같은 비활성화된 형광체 입자들, 및 그것들의 혼합물을 포함한다. YAG와 같은 비활성화된 형광체 입자는 발광 디바이스에 의해 방출된 광에 대해 파장 변환하지 않는다.
열 결합 재료는, 예를 들어, 일부 실시예들에서는 결합되는 형광체의 중간값의 입자 크기보다 더 크고, 일부 실시예들에서는 1㎛ 보다 크며, 일부 실시예들에서는 5㎛이며, 일부 실시예들에서는 1㎛와 50㎛ 사이이며, 일부 실시예들에서는 1㎛와 10㎛ 사이이며, 그리고 일부 실시예들에서는 10㎛와 50㎛ 사이인 중간값의 입자 크기를 갖는 파우더일 수 있다. 파우더 형광체들은 종종 1㎛와 10㎛ 사이의 입자 크기를 가진다. 열 결합 재료는 구형 파우더이거나 구형 입자들에 가까울 수 있다. 일부 실시예들에서는, 열 결합 재료 입자들의 상당한 부분이 그것들의 가장 가까운 이웃 입자들과 접촉하고 망을 형성하도록 열 결합 재료들이 놓여진다. 열은 그것이 발광 디바이스쪽으로 소산될 때까지 이 망을 따라 전도된다.
본 발명의 실시예들이 아래에 설명된다. 실시예들이 Ⅲ-질화물 박막 플립-칩 디바이스들을 예시하지만, 본 발명의 실시예들은 성장 기판이 완료된 디바이스의 일부로 남아있는 종래의 플립-칩 디바이스들, 접촉부들이 반도체 구조체의 반대 측면들 상에 형성되는 버티컬(vertical) 디바이스들, 반도체 구조체의 동일 또는 반대 측면들 상에 형성된 접촉부들을 통해 광이 추출되는 디바이스들, 및 예를 들어, AlInGaP 또는 AlGaAs 디바이스들과 같은 다른 재료 시스템들로부터 만들어진 디바이스들과 같은 다른 디바이스들과 함께 사용될 수 있다.
예시된 박막 플립-칩 디바이스들은 성장 기판 상에 반도체 구조체를 우선 성장시킴으로써 형성된다. 반도체 구조체는 n형 영역, 발광 또는 활성 영역, 및 p형 영역을 포함한다. n형 영역이 먼저 성장된다. n형 영역은, 예를 들어, n형 이거나 또는 의도적으로 도핑되지 않을 수 있는 버퍼 층들 또는 핵 생성(nucleation) 층들과 같은 준비 층들, 기판의 추후 릴리즈 또는 기판 제거 후의 반도체 구조체의 박형화를 촉진시키도록 설계된 릴리즈 층들, 및 발광 영역이 효율적으로 광을 방출하기에 바람직한 특정한 광학적 또는 전기적 특성들을 위해 설계된 n형 또는 심지어 p형 디바이스 층들을 포함하는 상이한 조성물과 도펀트 농도의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
발광 또는 활성 영역은 n형 영역 위에 성장된다. 적절한 발광 영역들의 예들은 단일의 두꺼운 또는 얇은 발광 층, 또는 배리어 층들에 의해 분리된 다수의 얇거나 두꺼운 양자 우물 발광 층들(quantum well light emitting layers)을 포함하는 다수의 양자 우물 발광 영역을 포함한다. 예를 들어, 다수의 양자 우물 발광 영역은 각각의 두께가 100Å 미만인 배리어들에 의해 분리된, 각각의 두께가 25Å 미만인 다수의 발광 층들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서는, 디바이스 내의 발광 층들의 각각의 두께가 50Å보다 두껍다.
p형 영역은 발광 영역 위에 성장된다. n형 영역과 마찬가지로, p형 영역은 의도적으로 도핑되지 않은 층들 또는 n형 층들을 포함하는, 상이한 조성, 두께, 및 도펀트 농도의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
예를 들어, 은일 수 있고, 가드 층들과 같은 다른 층들을 포함할 수 있는 반사성 금속 p-접촉부는 p형 영역 상에 형성된다. 반도체 구조체의 p-접촉부의 부분들, p형 영역, 및 발광 영역은 n형 영역의 부분들을 노출시키기 위해 에칭된다. n-접촉부들은 n형 영역의 노출된 부분들 상에 형성된다.
LED(50)는 땜납, Au, Au/Sn 또는 다른 금속들과 같은 임의의 적절한 재료일 수 있고, 재료들의 다수의 층들을 포함할 수 있는 n-상호 접속부 및 p-상호 접속부에 의한 지지대에 본딩된다. 일부 실시예들에서는, 상호 접속부들은 적어도 하나의 금 층을 포함하고, LED와 마운트(54) 사이의 본딩은 초음파 본딩에 의해 형성된다.
LED 다이를 지지대에 본딩시킨 후에, 반도체 층들이 성장된 기판의 전부 또는 일부는 제거될 수 있다. 호스트 기판을 제거한 후에 남아 있는 반도체 구조체는, 예를 들어, 광전화학 에칭에 의해 박형화될 수 있다. 반도체 표면은, 예를 들어, 광 결정 구조체를 이용하여 거칠어지거나 패터닝될 수 있다. 이 후에, LED(50)는 지지대일 수 있는 마운트(54)에 또는 지지대가 마운트되는 별개의 구조체에 부착될 수 있다. 종래의 실리콘 집적 회로로서 종종 형성된, 예를 들어, ESD 보호 회로 또는 다른 회로일 수 있는 광학 디바이스(52)는 마운트(54)에 부착되거나 마운트(54)에 통합될 수 있다.
아래에 설명된 실시예들에서, 열 결합 재료 및 하나 이상의 파장 변환 재료들, 전형적으로 형광체들은 Ⅲ-질화물 LED와 결합될 수 있다. 더 많은 또는 더 적은 파장 변환 재료들이 사용될 수 있고, 염료들 또는 양자 점들(quantum dots)과 같은 비형광체 파장 변환 재료들이 사용될 수 있다. 파장 변환 재료들은 단색광 또는 백색 광을 형성하도록 LED로부터의 광의 전부를 변환시킬 수 있으며, 또는 파장 변환 재료들은 LED에 의해 방출된 일부 광이 변환되지 않은 채로 구조체를 빠져나가도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 변환되지 않은 광 및 파장 변환된 광은 백색 광을 형성하기 위해 결합한다. 예를 들어, 청색-방출 LED는 황색-방출 형광체와 결합될 수 있으며, 또는 청색-방출 LED는 적색-방출 형광체 및 황색-방출 형광체 또는 녹색-방출 형광체와 결합될 수 있다. 다른 색들의 광을 방출하는 다른 형광체들은 원하는 색 점을 달성하기 위해 부가될 수 있다.
형광체들은 잘 알려져 있고, 임의의 적절한 형광체가 사용될 수 있다. 적절한 적색-방출 형광체들의 예들은 eCAS, BSSNE, SSONE 뿐만 아니라, 예를 들어, CaS:Eu2+ 및 SrS:Eu2 +를 포함하는 (Ca1 - xSrx)S:Eu2 +(0＜x≤1) 및, 예를 들어, Sr2Si5N8:Eu2+를 포함하는 (Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 - aOa:Euz 2 +(0≤a＜5, 0＜x≤1, 0≤y≤1, 및 0＜z≤1)를 포함한다. Ca1 - xAlSiN3:Eux인 eCAS는 5.436g Ca3N2(＞98% 순도), 4.099g AlN(99%), 4.732g Si3N4(＞98% 순도) 및 0.176g Eu2O3(99.99% 순도)로부터 합성될 수 있다. 파우더들은 유성형 볼 밀링(planetary ball milling)에 의해 혼합되고, H2/N2(5/95%)의 대기에서 1500℃에서 4시간 동안 발포된다. Ba2 -x- zMxSi5 - yAlyN8 -yOy:Euz(M=Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)인 BSSNE는 분산제로서 2-프로판올을 사용하는 유성형 볼 밀링에 의해 60g BaCO3, 11.221g SrCO3 및 1.672g Eu2O3(모두 99.99% 순도)를 혼합시키는 것을 포함하는 탄소 환원 질화법(carbothermal reduction)에 의해 합성될 수 있다. 건조 후에, 이 혼합물은 형성 가스 대기의 1000℃에서 4시간 동안 발포되고, 따라서 얻어진 Ba0 .8Sr0 .2O:Eu(2%)의 10g은 5.846g Si3N4(＞98% 순도), 0.056g AlN(99% 순도) 및 1.060g 그라파이트(graphite)(마이크로크리스탈 등급)와 혼합된다. 파우더는 전체적으로 20 분 동안 유성형 볼 밀링에 의해 혼합되고, Ba2 -x- zMxSi5 - yAlyN8 - yOy:Euz(M=Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05)의 파우더를 얻기 위해 형성 가스 대기의 1450℃에서 4시간 동안 발포된다. SSONE는 80.36g SrCO3(99.99% 순도), 20.0g SiN4 /3(＞98% 순도) 및 2.28g Eu2O3(99.99% 순도)를 혼합하고, N2/H2(93/7) 대기의 1200℃에서 4시간 동안 발포하는 것에 의해 제조될 수 있다.
적절한 황색/녹색 발광 형광체들의 예들은, 예를 들어, SrGa2S4:Eu2 +; 및 Sr1 -xBaxSiO4:Eu2+를 포함하는 Lu3Al5O12:Ce3 + 및 Y3Al5O12:Ce3 +;SrSi2N2O2:Eu2 +;(Sr1 -u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+와 같은 일반 공식 (Lu1 -x-y-a- bYxGdy)3(Al1 -zGaz)5O12:CeaPrb(0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜z≤0.1, 0＜a≤0.2, 및 0＜b≤0.1)를 갖는 알루미늄 가넷(aluminum garnet) 형광체들을 포함한다. 적절한 Y3Al5O12:Ce3 + 세라믹은 아래와 같이 생산될 수 있다: 40g Y2O3(99.998%), 32g Al2O3(99.999%) 및 3.44g CeO2는 12시간 동안 롤러 벤치 상에서 이소프로판올 내의 1.5㎏ 고순도 알루미나 볼들(직경 2㎜)과 함께 밀링된다. 이 후에, 건조된 전구체(precursor) 파우더는 CO 분위기 하에서 두 시간 동안 1300℃에서 하소된다(calcined). 얻어진 YAG 파우더는, 이 후에, 에탄올 하에서 유성형 볼 밀링(마노 볼들(agate balls))로 분쇄(deagglomerated)된다. 이 후에, 세라믹 슬러리(slurry)는 건조 후의 세라믹 녹색 몸체를 얻기 위해 주입 성형(slip casted)된다. 이 후에, 녹색 몸체들은 1700℃에서 두 시간 동안 그라파이트 판들 사이에서 소결(sintered)된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 열 결합 재료(56)는 파우더 형광체들(58a 및 58b)과 혼합되고, 투명한 호스트 재료(60) 내에 배치된다. 이 혼합물은 LED(50) 위에서 액체 또는 슬러리 형태로 조제되며, 이 후에 경화된다(cured). 예를 들어, 발명의 명칭이 "Overmolded Lens Over LED Die"이고, 본 명세서에 참조로서 통합된, US 7,344,902에 설명된 것과 같이, 혼합물은 LED(50) 위에서 몰딩될 수 있다. 또는, 형광체들을 포함하는 필름 및 열 결합 재료는 LED와는 별개로 형성될 수 있으며, 이 후에, LED(50) 위에 놓여질 수 있다. LED 위에 형광체와 투명한 호스트 재료의 혼합물을 형성하는 것의 다른 예들은 필름으로서 별개로 형성된 그 혼합물을 라미네이팅 또는 접착하는 것, 그 혼합물의 스크린 프린팅, 또는 그 혼합물의 나이프-에지 퇴적(knife-edge deposition)을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 파우더 형광체(58a)의 하나의 형태만이 혼합물 내에 나타날 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 두 개의 형광체는 별개의 층들로서 LED 위에 분리되고 배치된다. 각각의 형광체는 열 결합 재료(56) 및 투명한 바인딩 재료(60)와 함께 혼합된다. 일부 실시예들에서, 열 결합 재료(56)는 다수의 형광체 층들 중의 단지 하나의 형광체 층에, 또는 형광체가 없는 호스트 재료의 분리 층에 포함될 수 있다. 별개의 층들은 상이한 방법들에 의해 형성될 수 있으며, 이 방법은 라미네이션, 접착(glue down), 스크린 프린팅, 나이프-에지 퇴적을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 2 및 도 3의 디바이스들에서, 형광체들 및 열 결합 재료의 결합된 부피는, 일부 실시예들에서는 형광체, 열 결합 재료, 및 호스트 재료의 전체 부피의 적어도 30%일 수 있고, 일부 실시예들에서는 형광체, 열 결합 재료, 및 호스트 재료의 전체 부피의 적어도 60%일 수 있다. 황색 또는 녹색 방출 형광체:적색 방출 형광체:투명한 재료:열 결합 재료의 가중치에 의한 비율은 일 예에서는 3.67:1.33:7:3, 일 예에서는 3.67:1.33:8:2, 및 일 예에서는 3.67:1.33:5:5일 수 있다.
도 4에 도시된 디바이스는 열 결합 재료와 발광 세라믹 또는 세라믹 형광체(66)를 포함한다. 세라믹 형광체들은 본 명세서에 참조로서 통합된 US 7,361,938에서 더 상세하게 설명된다. 세라믹 형광체(66)는 LED(50)의 프로세싱과는 별도로 판으로 미리 형성될 수 있으며, 이 후에, 투형한 접착제(63)를 포함하는 접착 층(62)에 의해 LED(50)에 접착될 수 있다. 열 결합 재료(56)는 접착 층(62) 내에서 투명한 접착제(63)와 혼합될 수 있다.
선택적인 제2 형광체 층(64)은 세라믹 형광체(66)와 다이(50) 사이에 배치될 수 있다. 선택적인 제2 형광체 층(64)은, 예를 들어, 위에서 설명된 투명한 호스트(60)와 혼합된 파우더 형광체(58)일 수 있고, 이 후에 세라믹 형광체(66)의 바닥 표면상에 도포되고 경화될 수 있다. 열 결합 재료(56)는 필요하지 않음에도 불구하고 호스트 재료(60) 내의 형광체(58)와 혼합될 수 있다. 도 4에 도시된 디바이스에서, 열 결합 재료(56)는 접착 층(62)과 제2 형광체 층(64) 중 단지 하나 또는 둘 모두에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 만약, 형광체 층(64) 내의 호스트 재료(60)가 세라믹 형광체(66)를 다이(50)에 부착시키기에 적절하다면, 별개의 접착 층(62)은 생략될 수 있다.
도 5의 디바이스에서, 렌즈와 같은 광학 요소가 LED(50) 위에 형성된다. 렌즈(68)는, 예를 들어, 실리콘 또는 임의의 다른 적절한 투명한 재료(60)로부터 형성될 수 있다. 열 결합 재료의 부피는, 일부 실시예들에서는 열 결합 재료 및 투명한 호스트 재료의 전체 부피의 적어도 30%일 수 있고, 일부 실시예들에서는 열 결합 재료 및 투명한 호스트 재료의 전체 부피의 적어도 60%일 수 있다. 발광 층(70)은 렌즈(68) 위에 형성될 수 있다. 발광 층(70)은 투명한 호스트 재료(60) 내에 배치된 하나 이상의 형광체들(58a 및 58b)을 포함할 수 있다. 렌즈(68) 및 발광 층(70) 중 하나 또는 둘 모두는 열 결합 재료(56)를 포함할 수 있다.
도 6은 발광 층과 형광체 층 사이의 온도 기울기를 열 결합 재료들이 있는 디바이스 및 없는 디바이스에 대한 순방향 전류의 함수로서 도시한다. 도 6에 도시된 디바이스에서, LuAG와 유로퓸-도핑형(Europium-doped) (Ca0 .2Sr0 .8)AlSiN3 형광체들의 혼합물은 실리콘 호스트 재료 내에 배치되었고, 박막 플립 칩 디바이스 위에 배치되었다. 속이 채워진 원들은 본 발명의 실시예들에 따라, 호스트 재료 내에 배치된 열 결합 재료를 갖는 디바이스를 도시한다. 속이 빈 원들은 열 결합 재료가 없는 디바이스를 도시한다. 도 6에 도시된 것과 같이, 모든 순방향 전류 값들에서, 열 결합 재료를 포함하는 디바이스에 대한 온도 기울기가 보다 작으며, 이는 열 결합 재료가 형광체로부터의 열을 소산시키지만, 모든 순방향 전류들에서 디바이스로부터의 광 출력의 감소를 유발하지는 않는다는 것을 의미한다.
일부 실시예들에서는, 투명 재료의 입자들은 투명 호스트 재료 내의 형광체 파우더와 혼합된다. 투명한 재료 입자들은 호스트 재료의 굴절률과 매칭되거나 그것에 가까운 굴절률을 가지고, 호스트 재료 내에 형광체의 침전을 방지하도록 위치된다. 투명한 재료 입자들의 결합 부피는, 일부 실시예들에서는 형광체, 투명 재료 입자들, 및 호스트 재료의 총 부피의 적어도 0.1%일 수 있으며; 일부 실시예들에서는 형광체, 투명한 재료 입자들, 및 호스트 재료의 총 부피의 적어도 1%일 수 있으며; 그리고 일부 실시예들에서는 형광체, 투명한 재료 입자들, 및 호스트 재료의 총 부피의 적어도 20%일 수 있다. 투명 재료의 입자들은, 예를 들어, 일부 실시예들에서는 0.1㎛와 5㎛ 사이, 일부 실시예들에서는 1㎛와 10㎛사이, 및 일부 실시예들에서는 10㎛와 50㎛ 사이의 중간값 입자 크기를 갖는 파우더일 수 있다. 투명 재료의 입자들은 형상이 통상적으로 구형이거나 구형에 가깝다.
본 발명을 자세히 설명하였지만, 본 기술 분야의 전문가들은 본 명세서를 고려할 때, 본 명세서에 설명된 발명의 개념의 정신을 벗어나지 않고, 본 발명에 변경들이 행해질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주가 도시되고 설명된 특정한 실시예들에 한정되는 것으로 의도되지는 않는다. 청구항들에서, 삽입구 사이에 있는 참조 부호들은 청구항을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. "포함하다(comprising)"라는 단어는 청구항에 나열된 요소들이나 단계들 이외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배재하지 않는다. 요소 앞에 위치하는 단어 "a" 또는 "an"은 그러한 요소들의 복수의 존재를 배재하지 않는다. 몇몇 수단들을 나열하는 디바이스 청구항에서, 이들 수단들 중 몇몇은 하드웨어의 다름 아닌 동일한 아이템에 의해 구현될 수 있다. 서로 다른 종속 청구항들에서 특정한 수단들이 언급되었다는 단순한 사실은 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다.
Claims (15)
- 디바이스로서,
발광 층을 포함하는 반도체 구조체(50),
상기 발광 층에 의해 방출된 광의 경로에 위치한 발광 재료(58a, 58b, 58, 66), 및
투명한 재료(60) 내에 배치된 열 결합 재료(56)
를 포함하고,
상기 열 결합 재료는 상기 발광 층에 의해 방출된 광에 대해 비파장 변환성(non-wavelength converting)이며,
상기 열 결합 재료는 상기 투명한 재료의 열 전도성보다 더 큰 열 전도성을 가지며,
상기 열 결합 재료는 상기 발광 재료로부터의 열을 소산시키도록 위치하며,
상기 열 결합 재료의 굴절률은 상기 투명한 재료의 굴절률과는 10% 미만만큼 차이가 나는, 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)는 상기 투명한 재료(60) 내에 배치된 파우더 형광체(58a, 58b, 58)인 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)는 제1 피크 파장에서 광을 방출하도록 구성된 제1 발광 재료(58a)이며,
상기 디바이스는 제2 피크 파장에서 광을 방출하도록 구성된 제2 발광 재료(58b)를 더 포함하며,
상기 제1 및 상기 제2 발광 재료들은 투명한 재료(60) 내에서 혼합되고 배치되는 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)는 제1 피크 파장에서 광을 방출하도록 구성된 제1 발광 재료(58a)이며,
상기 디바이스는 제2 피크 파장에서 광을 방출하도록 구성된 제2 발광 재료(58b)를 더 포함하며,
상기 제1 및 상기 제2 발광 재료들은 투명한 재료(60) 내에 배치되고, 별개의 층들 내의 상기 반도체 구조체 위에 놓여지는 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)는 세라믹 형광체(66)인 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 투명한 재료(60) 내에 배치된 파우더 형광체(58)를 더 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 투명한 재료(60)는 렌즈(68)로 형성되고, 상기 투명한 재료는 상기 반도체 구조체(50)와 상기 발광 재료(58a, 58b) 사이에 배치되는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 발광 층은 Ⅲ-질화물 재료인 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 열 결합 재료(56)는 적어도 5W/m-℃의 열 전도성을 가지는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 열 결합 재료(56)는 알루미늄/실리콘 혼합 산화물, 실리카, 비결정질 실리카, SiC, AlN, 다이아몬드, 비활성화된 형광체 입자들, Ce 도핑 없는 YAG, 및 그것들의 혼합물들 중 하나를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 열 결합 재료(56)는 1㎛와 50㎛ 사이의 중간값(median) 입자 크기를 갖는 파우더를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 열 결합 재료(56)는 파우더를 포함하며, 상기 열 결합 재료 입자들의 적어도 일부는 가장 가까운 이웃 입자들과 직접 접촉하고, 상기 반도체 구조체(50)에 대한 열 전도 경로를 형성하는 디바이스.
- 발광 층을 포함하는 반도체 구조체(50)를 제공하는 단계,
상기 발광 층에 의해 방출된 광의 경로에 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)를 위치시키는 단계, 및
상기 발광 재료로부터의 열을 소산시키기 위해 투명한 재료(60) 내에 배치된 열 결합 재료(56)를 위치시키는 단계
를 포함하며,
상기 열 결합 재료는 상기 발광 층에 의해 방출된 광에 대해 비파장 변환성이며,
상기 열 결합 재료는 상기 투명한 재료의 열 전도성보다 더 큰 열 전도성을 가지며,
상기 열 결합 재료의 굴절률은 상기 투명한 재료의 굴절률과는 10% 미만만큼 차이가 나는, 방법. - 제13항에 있어서, 상기 발광 재료(58a, 58b, 58, 66)는 세라믹 형광체(66)인 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 열 결합 재료(56)는 알루미늄/실리콘 혼합 산화물, 실리카, 비결정질 실리카, SiC, AlN, 다이아몬드, 비활성화된 형광체 입자들, Ce 도핑 없는 YAG, 및 그것들의 혼합물들 중 하나를 포함하는 방법.
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