KR20190065391A - 적외선 방출 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적외선 방출 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 제1 광(104)을 방출하는 광원(100), 및 광원에 의해 방출된 광의 경로 내에 배치된 파장 변환 구조({102, 108})를 포함한다. 파장 변환 구조는 적외선 광({110, 112})을 방출하는 제1 인광체(108), 및 제1 광(104)을 흡수하고 가시 광인 제2 광(106)을 방출하는 제2 인광체(102)를 포함한다. 제1 인광체(108)는 제1 광(104)을 흡수하고 제3 광(112)을 방출한다. 제1 인광체(108)는 또한 제2 광(106)을 흡수하고 제4 광(110)을 방출한다. 제3 광(112)과 제4 광(110)은 적외선 방출 범위에서 상이한 피크 파장들을 갖는다.
Description
발광 다이오드들(LED들), 공진 캐비티 발광 다이오드들(RCLED들), 수직 캐비티 레이저 다이오드들(VCSEL들), 및 에지 방출 레이저들을 포함하는 반도체 발광 디바이스들은 현재 가용한 가장 효율적인 광원들에 속한다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도 발광 디바이스들의 제조에서 현재 관심이 되고 있는 재료 계들은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체들, 특히, Ⅲ-질화물 재료들이라고도 하는, 갈륨, 알루미늄, 인듐, 및 질소의 2원, 3원, 및 4원 합금들을 포함한다. 전형적으로, Ⅲ-질화물 발광 디바이스들은 금속-유기 화학 증착(MOCVD), 분자 빔 에피택시(MBE), 또는 다른 에피택셜 기술들에 의해 사파이어, 실리콘 탄화물, Ⅲ-질화물, 또는 다른 적합한 기판 상에 상이한 조성들 및 도펀트 농도들의 반도체 층들의 스택을 에피택셜 성장함으로써 제조된다. 스택은 보통 예를 들어, 기판 위에 형성된 Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층, n형 층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역 내의 하나 이상의 발광 층, 및 예를 들어, 활성 영역 위에 형성된 Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층을 포함한다. 전기적 접점들이 n형 영역 및 p형 영역 상에 형성된다.
LED와 같은 발광 디바이스들은 보통 인광체와 같은 파장 변환 재료와 조합된다. 이러한 디바이스들을 보통 인광체 변환 LED들, 또는 PCLED들이라고 한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 광원을 도시한다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 2개의 근적외선 방출 인광체들의 방출 스펙트럼들을 도시한다.
도 3은 근적외선 방출 인광체들과 적색 인광체들의 혼합물들과 조합된 청색 방출 LED들의 방출 스펙트럼들을 도시한다.
도 4는 LED의 단면도이다.
도 5는 LED와 직접 접촉하여 있는 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 6은 LED와 가까이 근접하여 있는 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 7은 LED와 떨어져 이격된 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 8은 합성된 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의 X-선 회절(XRD) 패턴이다.
도 9는 합성된 La3Ga4.48Al0.5SiO14:Cr0.02의 XRD 패턴이다.
도 10은 합성된 Gd2.8La0.2Sc1.7Lu0.2Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
도 11은 합성된 Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 2개의 근적외선 방출 인광체들의 방출 스펙트럼들을 도시한다.
도 3은 근적외선 방출 인광체들과 적색 인광체들의 혼합물들과 조합된 청색 방출 LED들의 방출 스펙트럼들을 도시한다.
도 4는 LED의 단면도이다.
도 5는 LED와 직접 접촉하여 있는 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 6은 LED와 가까이 근접하여 있는 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 7은 LED와 떨어져 이격된 파장 변환 구조를 갖는 디바이스의 단면도이다.
도 8은 합성된 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의 X-선 회절(XRD) 패턴이다.
도 9는 합성된 La3Ga4.48Al0.5SiO14:Cr0.02의 XRD 패턴이다.
도 10은 합성된 Gd2.8La0.2Sc1.7Lu0.2Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
도 11은 합성된 Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
본 발명의 실시예들은 예를 들어, 인광체와 같은 NIR 방출 발광 재료를 통해, 적외선, 특히 근적외선(NIR) 방사를 방출하는 PCLED들과 같은 디바이스들을 포함한다. 언어의 간소화를 위해, 적외선 방사를 여기서 "광"이라고 할 수 있다. NIR 방출 PCLED들은 예를 들어, NIR 분광학과 같은 임의의 적합한 목적을 위해 사용될 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 NIR 방출 디바이스를 도시한다. LED 또는 기타 적합한 소스일 수 있는 광원(100)은 제1 광(104)을 방출한다. 제1 광(104)의 일부는 NIR 인광체(108)에 입사한다. NIR 인광체(108)는 제1 광(104)을 흡수하고 제2 광(112)을 방출한다. 제1 광(104)의 일부는 제2 인광체(102)에 입사한다. 제2 인광체는 제1 광(104)을 흡수하고 제3 광(106)을 방출한다. 제3 광(106)은 가시적일 수 있지만, 이것은 반드시 요구되지 않는다. 제3 광(106)은 NIR 인광체(108)에 입사한다. NIR 인광체(108)는 제3 광(106)의 모두 또는 일부를 흡수하고 제4 광(110)을 방출한다.
NIR 인광체(108) 및 제2 인광체(102)는 제1 광 또는 제3 광이 디바이스로부터의 최종 방출 스펙트럼의 일부가 거의 또는 전혀 아니도록 구성될 수 있지만, 이것은 반드시 요구되지 않는다.
일부 실시예들에서, 제1 광(104)은 청색 광이다. 제1 광(104)은 일부 실시예들에서 예를 들어, 440㎚ 내지 460㎚의 피크 파장을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 광(112)과 제4 광(110) 둘 다는 근적외선이고 상이한 피크 파장들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 제3 광(106)은 적색이다.
인광체들과 같은 파장 변환 재료들은 전형적으로 호스트 격자 및 적어도 하나의 도펀트 종들을 포함한다. 도펀트 종들의 원자들은 발광 중심들로서 기능한다. 일부 실시예들에서, NIR 인광체는 도펀트 종들로서 적어도 Cr(Ⅲ)(Cr3+)를 갖는 적어도 하나의 인광체이다. Cr(Ⅲ) 인광체는 4A2 → 4T1 전자 전이들을 통해 제1 광(104)에 의해 여기된다. 제3 광(106)은 4A2 → 4T2 전자 전이들을 통해 Cr(Ⅲ) 인광체를 여기한다. 조합된 여기 광들은 4T2 → 4A2 (제2 광(112)) 및 2E → 4A2 (제4 광(110)) 방출 채널들을 통해 Cr(Ⅲ) 인광체에 의한 방출 광에 이른다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체는 위에 설명된 것과 같이 상이한 방출 채널들을 통해 방출하는, 하나보다 많은 화학적으로 상이한 Cr(Ⅲ) 방출 위치들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 위에 설명된 2개의 채널에 의한 방출은 (a) Ge 위치들 상에 Cr3+를 갖는 La3GaGe5O16:Cr과 같은, 도펀트에 대한 하나보다 많은 치환 위치를 갖는 정렬된 구조로 이루어진 결정질 인광체 재료, (b) Si4+와 Ga3+가 통계적으로 동일한 격자 위치를 차지하는 La3Ga5-ySiO14:Cry와 같은, 상이한 결정 유형들이 상이한 방출 채널들을 통해 방출하는 고체 용액 또는 혼합된 결정 유형 인광체, 또는 (c) GeO2 - Al2O3 - LaF3 - LiF - Cr2O3 플루오르저메네이트 유형 유리와 같은, 유리 또는 비정질 재료에 의해 달성될 수 있다.
도 1에 도시된 디바이스는 단지 하나의 유형의 펌프 광을 갖는, 700㎚ 내지 1200㎚의 매우 넓은 적외선 방출 범위를 가질 수 있다. 넓은 방출 범위는 NIR 분광학 응용들을 위해 유용할 수 있다.
NIR 인광체(108)는 일부 실시예들에서 적어도 700㎚ 및 일부 실시예들에서 1100㎚ 이하의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. NIR 인광체(108)는 700㎚ - 1100㎚ 범위 내의 분포된 방출 세기를 가질 수 있는데; 예를 들어, 일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 일부 실시예들에서 적어도 1700㎝-1 및 일부 실시예들에서 3000㎝-1 이하의 반치전폭을 가질 수 있다.
NIR 인광체(108)는 예를 들어, 가시 스펙트럼 범위 내의 광에 의해 여기될 수 있고, 이는 그것이 가시 광을 흡수하고, 응답하여 NIR 광을 방출한다는 것을 의미한다. NIR 인광체(108)의 밴드 갭은 일부 실시예들에서 적어도 4.8eV 및 일부 실시예들에서 5eV보다 클 수 있다.
일부 실시예들에서, 위에 설명된 것과 같이 NIR 인광체(108)는 방출 중심들로서 Cr(Ⅲ)(Cr(Ⅲ)은 Cr3+와 동일)과 같은 3가 양이온들을 포함한다. 일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)의 호스트 격자는 Cr(Ⅳ)(Cr(Ⅳ)은 Cr4+와 동일)의 유효 이온 반지름보다 적어도 10% 작은 유효 이온 반지름을 나타내는 4가 양이온들을 포함한다. 4가 양이온은 Cr4+의 유효 반지름보다 38% 적은 4중 배위를 위한 유효 이온 반지름을 갖는 Si4+일 수 있다. 작은 4가 양이온 크기는 원하지 않는 Cr(Ⅳ)의 형성을 억제할 수 있어서, NIR 인광체의 안정성을 개선시킬 수 있고 상승된 온도들에서 NIR 인광체의 발광 변환 효율을 증가시킬 수 있다. NIR 인광체는 NIR 인광체 내의 총 크롬 함량과 비교하여, 일부 실시예들에서 10% 미만 Cr(Ⅳ), 일부 실시예들에서 5% 미만 Cr(Ⅳ), 일부 실시예들에서 1% 미만 Cr(Ⅳ), 및 일부 실시예들에서 0% Cr(Ⅳ)를 포함한다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 극 공간 그룹 P321에서 결정화하는 삼방정계 칼슘 갈로저메네이트 구조 군에 속하는 호스트 격자를 갖는다. 적합한 칼슘 갈로저메네이트 재료들은 조성 범위 RE3Ga5-x-yAxSiO14:Cry(RE = La, Nd, Gd, Yb, Tm; A = Al, Sc)(여기서 0 ≤ x ≤ 1 및 0.005 ≤ y ≤ 0.1)를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 Mg, Ca, Yb, Sr, Eu, Ba, Zn, Cd와 같은 2가 미량 금속들의 양을 포함하는 칼슘 갈로저메네이트 또는 가넷 결정 구조 호스트 격자를 갖는다. 2가 미량 금속들의 농도는 일부 실시예들에서 400ppm 미만 및 일부 실시예들에서 100ppm 미만으로, 낮게 유지된다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 5.1eV에서 광학 밴드 갭을 나타내는, 랑가사이트라고도 알려진, La3Ga5-ySiO14:Cry이다. 일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 4.6 - 5.1eV의 범위 내의 광학 밴드 갭들을 나타내는, 조성 La3Ga5-xGe1-ySiyO14:Crx, 0 ≤ y < 1의 하나 이상의 갈로저메네이트 화합물이다. 일부 실시예들에서, 갈로저메네이트 재료의 광학 밴드 갭은 Al 및/또는 Sc로 Ga를 부분적으로 치환함으로써, 및/또는 La의 부분을 더 작은 희토류 원소들 Nd, Gd, 및 Yb로 대체함으로써 증가될 수 있다. Nd3+ 및 Yb3+는 소정의 응용들에서 유익할 수 있는 950 - 1070㎚ 파장 범위에서 추가적인 방출을 나타낸다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 혼합된 다중 NIR 인광체를 포함한다. 예를 들어, RE3Ga5-x-yAxSiO14:Cry(RE = La, Nd, Gd, Yb, Tm; A = Al, Sc)는 조성 Gd3-xRExSc2-y-zLnyGa3-wAlwO12:Crz(Ln = Lu, Y, Yb, Tm; RE = La, Nd)(여기서 0 ≤ x ≤ 3; 0 ≤ y ≤ 1.5; 0 ≤ z ≤ 0.3; 및 0 ≤ w ≤ 2)의 하나 이상의 크롬 도핑된 가넷, 및/또는 조성 AAEM1-xF6:Crx(A = Li, Cu; AE = Sr, Ca; M = Al, Ga, Sc)(여기서 0.005 ≤ x ≤ 0.2)의 하나 이상의 크롬 도핑된 콜퀴리트 재료와 같은 제2의 넓은 밴드 갭 인광체 재료와 조합될 수 있다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 2개의 가넷 NIR 인광체 분말들의 방출 스펙트럼들을 도시한다. 곡선 A는 440㎚ 광에 의해 여기될 때 Gd2.8La0.2Sc1.7Lu0.2Ga3O12:Cr0.1의 방출 스펙트럼이다. 곡선 B는 440㎚ 광에 의해 여기될 때 Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1의 방출 스펙트럼이다. 이들 재료의 합성이 예들에서 아래에 설명된다.
임의의 적합한 제2 인광체(102)가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 인광체(102)는 예를 들어 Ba0.2Ca0.06Sr1.64Si4.98Al0.02O0.02N7.98:Eu0.1와 같은, 조성 M2-xSi5-yAlyOyN8-y:Eux(M = Ba, Sr, Ca)의 BSSNE 유형 인광체들; 예를 들어 Ca.985SiAlN3:Eu0.015와 같은 조성 M1-xSiAlN3:Eux(M = Sr, Ca)의 CASN 또는 SCASN 유형 인광체들; 또는 예를 들어, 특정한 격자 위치들을 차지하는 Ba 및 Ca를 갖는 UCr4C4 구조 유형의 정렬된 구조 변형에서 결정화할 수 있는, (Ba0.5Ca0.5)0.995LiAl3N4:Eu0.005와 같은 M1-xLiAl3N4:Eux(M = Ba, Sr, Ca)와 같은 Eu2+ 도핑된 적색 방출 재료이다. 유사한 정렬된 변형들이 RbNaLi6Si2O8와 같은 산화물들용으로 공지되어 있다. (Ba0.5Ca0.5)1-xLiAl3N4:Eux에서 ∼630㎚에서의 좁은 밴드 방출이 Ba 위치들 상의 Eu에 대해 획득되는 반면 파장들 > 700㎚에서의 NIR 방출이 Ca 위치들 상의 Eu에 대해 획득된다.
한 실시예에서, NIR 인광체(108)는 조성 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의 랑가사이트 유형 인광체이고 제2 인광체(102)는 조성 Ca0.985SiAlN:Eu0.015의 CASN 유형 인광체이다. CASN 유형 적색 방출 인광체들은 예를 들어 Mitsubishi Chemical(BR-101 시리즈)에 의해 시판되고 있다. 도 3은 다양한 혼합물들에 대한 방출 스펙트럼들을 도시한다. 곡선 A는 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의, 445㎚에서 방출하는 LED에 의해 펌프될 때의 방출을 도시한다. 곡선 B는 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02 + 0.5wt% Ca0.985SiAlN:Eu0.015의 혼합물의, 445㎚에서 방출하는 LED에 의해 펌프될 때의 방출을 도시한다. 곡선 C는 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02 + 1.6wt% Ca0.985SiAlN:Eu0.015 혼합물의, 445㎚에서 방출하는 LED에 의해 펌프될 때의 방출을 도시한다. 곡선 D는 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02 + 3.2wt% Ca0.985SiAlN:Eu0.015 혼합물의, 445㎚에서 방출하는 LED에 의해 펌프될 때의 방출을 도시한다. 도 3에 도시된 것과 같이, 방출 세기가 적색 방출 Eu2+ 인광체(102)와 Cr3+ 인광체(108)의 방출 밴드들이 중첩하지 않은 파장들에서도 상당히 향상된다.
또 하나의 실시예에서, 776㎚에서 방출 최대를 나타내는 조성 Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1(5wt%)의 추가적인 가넷 유형 인광체는 실리콘 내로 1.6wt% Ca0.985SiAlN:Eu0.015 및 93.4wt% La3Ga4.98SiO14:Cr0.02와 혼합되고 청색 방출 LED 다이(444㎚ 방출) 상으로 퇴적된다.
위에 설명된 NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 예를 들어, 분말 형태로, 세라믹 형태로, 또는 기타 적합한 형태로 제조될 수 있다. NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 사전 제작된 유리 또는 세라믹 타일과 같은 광원과 분리되게 형성되고 그와 별도로 취급될 수 있는 하나 이상의 구조로 형성될 수 있거나, 광원 상에 또는 위에 형성된 컨포멀 또는 다른 코팅과 같은, 광원과 인시추로 형성된 구조로 형성될 수 있다.
NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 단일 파장 변환 층 내에 함께 혼합될 수 있거나, 분리된 파장 변환 층들로서 형성될 수 있다. 분리된 파장 변환 층들을 갖는 구조에서, NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 제2 인광체(102)가 NIR 인광체(108)와 광원 사이에 배치될 수 있거나, NIR 인광체(108)가 제2 인광체(102)와 광원 사이에 배치될 수 있도록 스택된다.
일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 예를 들어 투명 매트릭스, 유리 매트릭스, 세라믹 매트릭스, 또는 기타 적합한 재료 또는 구조로 분산된 분말일 수 있다. 매트릭스로 분산된 인광체는 예를 들어, 광원 위에 배치된 타일 내로 싱귤레이트되거나 형성될 수 있다. 유리 매트릭스는 예를 들어 1000℃ 미만의 연화점을 갖는 저융점 유리, 또는 기타 적합한 유리 또는 다른 투명 재료일 수 있다. 세라믹 매트릭스 재료는 예를 들어 CaF2와 같은 플루오르화물 염 또는 기타 적합한 재료일 수 있다.
NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 예를 들어, 분말 인광체를 실리콘과 같은 투명 재료와 혼합하고 광의 경로 내에 그것을 디스펜스하거나 혹은 배치함으로써 분말 형태로 사용될 수 있다. 분말 형태에서, 인광체들의 평균 입자 크기(예를 들어, 입자 직경)는 일부 실시예들에서 적어도 1㎛, 일부 실시예들에서 50㎛ 이하, 일부 실시예들에서 적어도 5㎛, 및 일부 실시예들에서 20㎛ 이하일 수 있다. 개별적인 인광체 입자들, 또는 분말 인광체 층들은, 예를 들어 흡수 및 발광 특성들을 개선시키고/시키거나 재료의 기능적 수명을 증가시키기 위해 일부 실시예들에서 실리케이트, 포스페이트, 및/또는 하나 이상의 산화물과 같은 하나 이상의 재료로 코팅될 수 있다.
NIR 인광체(108)와 제2 인광체(102)는 예를 들어, 발광 다이오드(LED)를 포함하는 광원에서 사용될 수 있다. 발광 다이오드에 의해 방출된 광은 본 발명의 실시예들에 따라 인광체들에 의해 흡수되고 상이한 파장으로 방출된다. 도 4는 적합한 발광 다이오드, 청색 광을 방출하는 Ⅲ-질화물 LED의 한 예를 도시한다.
아래의 예에서 반도체 발광 디바이스는 청색 또는 UV 광을 방출하는 Ⅲ-질화물 LED이지만, 레이저 다이오드들과 같은 LED들 이외의 반도체 발광 디바이스들 및 다른 Ⅲ-Ⅴ 재료들, Ⅲ-인화물, Ⅲ-비소화물, Ⅱ-Ⅵ 재료들, ZnO, 또는 Si계 재료들과 같은 다른 재료들로 만들어진 반도체 발광 디바이스들이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 Ⅲ-질화물 LED(1)를 도시한다. 임의의 적합한 반도체 발광 디바이스가 사용될 수 있고 본 발명의 실시예들은 도 4에 도시된 디바이스로 제한되지 않는다. 도 4의 디바이스는 본 기술 분야에 공지된 것과 같이 성장 기판(10) 상에 Ⅲ-질화물 반도체 구조체를 성장함으로써 형성된다. 성장 기판은 보통 사파이어이지만 예를 들어, SiC, Si, GaN, 또는 합성 기판과 같은 임의의 적합한 기판일 수 있다. Ⅲ-질화물 반도체 구조체가 성장할 수 있는 성장 기판의 표면은 성장 전에 패턴되고, 거칠어지거나, 또는 텍스처될 수 있어서, 디바이스로부터의 광 추출을 개선시킬 수 있다. 성장 표면에 대향하는 성장 기판의 표면(즉, 광의 대부분이 이를 통해 플립 칩 구성에서 추출되는 표면)은 성장 전 또는 후에 패턴되고, 거칠어지거나 또는 텍스처될 수 있어서, 디바이스로부터의 광 추출을 개선시킬 수 있다.
반도체 구조체는 n형 영역과 p형 영역 사이에 샌드위치된 발광 또는 활성 영역을 포함한다. n형 영역(16)이 먼저 성장할 수 있고 예를 들어, 버퍼 층들 또는 핵형성 층들, 및/또는 n형 또는 의도적으로 도핑되지 않을 수 있는, 성장 기판의 제거를 용이하게 하도록 설계된 층들과 같은 준비 층들, 및 광을 효율적으로 방출하기 위해 발광 영역에 대해 바람직한 특정한 광학적, 물질적, 또는 전기적 특성들을 위해 설계된 n형 또는 심지어 p형 디바이스 층들을 포함하는, 상이한 조성들 및 도펀트 농도의 다층을 포함할 수 있다. 발광 또는 활성 영역(18)은 n형 영역 위에 성장한다. 적합한 발광 영역들의 예들은 단일의 두꺼운 또는 얇은 발광 층, 또는 배리어 층들에 의해 분리된 다수의 얇은 또는 두꺼운 발광 층을 포함하는 다수의 양자 우물 발광 영역을 포함한다. p형 영역(20)이 다음에 발광 영역 위에 성장할 수 있다. n형 영역과 마찬가지로, p형 영역은 의도적으로 도핑되지 않은 층들, 또는 n형 층들을 포함하는, 상이한 조성, 두께, 및 도펀트 농도의 다층을 포함할 수 있다.
성장 후에, p-접점이 p형 영역의 표면 상에 형성된다. p-접점(21)은 보통 반사성 금속 및 반사성 금속의 일렉트로마이그레이션을 방지 또는 감소시킬 수 있는 가드 금속과 같은 다수의 도전성 층을 포함한다. 반사성 금속은 보통 은이지만 임의의 적합한 재료 또는 재료들이 사용될 수 있다. p-접점(21)을 형성한 후에, p-접점(21), p형 영역(20), 및 활성 영역(18)의 일부는 n-접점(22)이 형성되는 n형 영역(16)의 부분을 노출시키도록 제거된다. n-접점 및 p-접점(22 및 21)은 실리콘의 산화물 또는 기타 적합한 재료와 같은 유전체로 채워질 수 있는 갭(25)에 의해 서로 전기적으로 분리된다. 다수의 n-접점 비아가 형성될 수 있고; n-접점 및 p-접점(22 및 21)은 도 4에 도시된 배열로 제한되지 않는다. n-접점 및 p-접점은 본 기술 분야에 공지된 것과 같이, 유전체/금속 스택으로 본드 패드들을 형성하기 위해 재분배될 수 있다.
LED(1)와의 전기적 접속들을 형성하기 위해서, 하나 이상의 상호접속(26 및 28)이 n-접점 및 p-접점(22 및 21) 상에 형성되거나 그들에 전기적으로 접속된다. 상호접속(26)은 도 4에서 n-접점(22)에 전기적으로 접속된다. 상호접속(28)은 p-접점(21)에 전기적으로 접속된다. 상호접속들(26 및 28)은 n-접점 및 p-접점(22 및 21)과 그리고 유전체 층(24) 및 갭(27)에 의해 서로로부터 전기적으로 분리된다. 상호접속들(26 및 28)은 예를 들어, 솔더, 스터드 범프들, 금 층들, 또는 기타 적합한 구조일 수 있다.
기판(10)은 얇아질 수 있거나 전체적으로 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 얇아짐에 의해 노출된 기판(10)의 표면은 광 추출을 개선시키기 위해 패턴되고, 텍스처되거나, 거칠어진다.
임의의 적합한 발광 디바이스가 본 발명의 실시예에 따라 광원들에서 사용될 수 있다. 본 발명은 도 4에 도시된 특정한 LED로 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 LED와 같은 광원이 다음의 도면들에서 블록(1)으로 도시된다.
도 5, 6, 및 7은 LED(1)와 파장 변환 구조(30)를 조합한 디바이스를 도시한다. 파장 변환 구조(30)는 위에 설명된 실시예들 및 예들에 따라, NIR 인광체(108) 및 제2 인광체(102)를 포함할 수 있다.
도 5에서, 파장 변환 구조(30)는 LED(1)에 직접 접속된다. 예를 들어, 파장 변환 구조는 도 4에 도시된 기판(10)에, 또는 기판(10)이 제거된다면, 반도체 구조체에 직접 접속될 수 있다.
도 6에서, 파장 변환 구조(30)는 LED에 가까이 근접하여 배치되지만, LED(1)에 직접 접속되지 않는다. 예를 들어, 파장 변환 구조(30)는 접착 층(32), 작은 공기 갭, 또는 기타 적합한 구조에 의해 LED(1)와 분리될 수 있다. LED(1)와 파장 변환 구조(30) 사이의 간격은 예를 들어, 일부 실시예들에서 500㎛ 미만일 수 있다.
도 7에서, 파장 변환 구조(30)는 LED(1)와 떨어져 이격된다. LED(1)와 파장 변환 구조(30) 사이의 간격은 예를 들어, 일부 실시예들에서 수 밀리미터 정도일 수 있다. 이러한 디바이스를 "원격 인광체" 디바이스라고 할 수 있다.
파장 변환 구조(30)는 정사각형, 직사각형, 다각형, 6각형, 원형, 또는 기타 적합한 형상일 수 있다. 파장 변환 구조는 LED(1)과 동일한 크기이거나, LED(1)보다 크거나, LED(1)보다 작을 수 있다.
다수의 파장 변환 재료 및 다수의 파장 변환 구조는 단일 디바이스에서 사용될 수 있다. 파장 변환 구조들의 예들은 발광 세라믹 타일들; 시트 내로 롤링되고, 주조되거나, 혹은 형성되고, 다음에 개별적인 파장 변환 구조들로 싱귤레이트되는 실리콘 또는 유리와 같은 투명 재료 내에 배치된 분말 인광체들; LED(1) 위에 적층되거나 혹은 배치될 수 있는, 가요성 시트 내로 형성되는 실리콘과 같은 투명 재료 내에 배치된 분말 인광체들과 같은 파장 변환 재료들, 실리콘과 같은 투명 재료와 혼합되고 LED(1) 위에 디스펜스되고, 스크린 프린트되고, 스텐실되고, 몰드되거나, 혹은 배치된 분말 인광체들과 같은 파장 변환 재료들; 및 전기 영동, 증기, 또는 기타 적합한 유형의 퇴적에 의해 LED(1) 또는 또 하나의 구조 상에 코팅된 파장 변환 재료들을 포함한다.
디바이스는 또한 위에 설명된 NIR 인광체(108) 및 제2 인광체(102) 외에, 예를 들어, 통상적인 인광체들, 유기 인광체들, 퀀텀 닷들, 유기 반도체들, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체들, Ⅱ-Ⅵ 또는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 퀀텀 닷들 또는 나노결정들, 다이들, 폴리머들, 또는 발광하는 다른 재료들과 같은, 다른 파장 변환 재료들을 포함할 수 있다.
파장 변환 재료들은 LED에 의해 방출된 광을 흡수하고 하나 이상의 상이한 파장의 광을 방출한다. LED에 의해 방출된 비변환된 광은 보통은 구조로부터 추출된 광의 최종 스펙트럼의 일부이지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 상이한 파장들의 광을 방출하는 파장 변환 재료들은 특정한 응용을 위해 원하거나 요구되는 대로 구조로부터 추출된 광의 스펙트럼에 맞추도록 포함될 수 있다.
다수의 파장 변환 재료들이 함께 혼합될 수 있거나 분리된 구조들로서 형성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 예를 들어, 광학 성능을 개선시키는 재료들, 산란을 촉진하는 재료들, 및/또는 열적 성능을 개선시키는 재료들과 같은 다른 재료들이 파장 변환 구조 또는 디바이스에 첨가될 수 있다.
예들
1. La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의 합성
시작 재료들 4.805g 란탄 산화물(Auer Remy, 4N), 4.589g 갈륨 산화물(Alfa, 5N), 0.0149g 크롬(Ⅲ) 산화물(Alfa, 99%), 0.591g 훈증된 실리카(Evonik) 및 0.1g 붕산(Aldrich)이 에탄올에서 혼합되고, 100℃에서 건조되고 4시간 동안 1300℃에서의 일산화탄소 하에서 소성된다. 볼 밀링 후에, 분말은 물로 세척되고, 건조되고 체질된다. 단일 상태 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02가 획득된다. 도 8은 a0 = 8.163Å 및 c0 = 5.087Å을 갖는 칼슘 갈로저메네이트 구조에서 결정화한, 합성된 La3Ga4.98SiO14:Cr0.02의 X-선 회절(XRD) 패턴이다.
2. La3Ga4.48Al0.5SiO14:Cr0.02의 합성
시작 재료들 9.8182g 란탄 산화물(Auer Remy, 4N), 8.4354g 갈륨 산화물(Molycorp, UHP 등급), 0.0314g 크롬(Ⅲ) 산화물(Alfa, 99%), 1.208g 훈증된 실리카(Evonik), 0.5136g 알루미나(Baikowski) 및 0.2005g 붕산(Aldrich)이 에탄올에서 혼합되고, 100℃에서 건조되고 4시간 동안 1320℃에서의 일산화탄소 하에서 그리고 또 다른 4시간 동안 1000℃에서의 형성 가스 하에서 소성된다. 볼 밀링 후에, 분말은 물로 세척되고, 건조되고 체질된다. 도 9는 a0 = 8.146Å 및 c0 = 5.075Å을 갖는 칼슘 갈로저메네이트 구조에서 결정화한, 합성된 La3Ga4.48Al0.5SiO14:Cr0.02의 XRD 패턴이다.
3. Gd2.8La0.2Sc1.7Lu0.2Ga3O12:Cr0.1의 합성
시작 재료들 5.148g 가돌리늄 산화물(Rhodia, superamic 등급), 1.189g 스칸듐 산화물(Alfa Aesar, 4N), 0.404g 루테튬 산화물(Rhodia), 2.852g 갈륨 산화물(Alfa Aesar, 4N), 0.0771g 크롬(Ⅲ) 산화물(Alfa, 99%), 0.3305g 란탄 산화물(Auer Remy, 4N) 및 0.2g 바륨 플루오르화물(Alfa Aesar)이 혼합되고 공기 분위기에서 4시간 동안 1500℃에서 소성된다. 분쇄 및 볼 밀링 후에, 분말은 뜨거운 물로 세척되고, 건조되고 체질된다. 도 10은 a0 = 12.440Å을 갖는 가넷 구조에서 결정화한, 합성된 Gd2.8La0.2Sc1.7Lu0.2Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
4. Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1의 합성
시작 재료들 4.330g 가돌리늄 산화물(Rhodia, superamic 등급), 1.103g 스칸듐 산화물(Alfa Aesar, 4N), 0.792g 루테튬 산화물(Rhodia), 2.799g 갈륨 산화물(Alfa Aesar, 4N), 0.0757g 크롬(Ⅲ) 산화물(Alfa, 99%), 0.9730g 란탄 산화물(Auer Remy, 4N) 및 0.2g 바륨 플루오르화물(Alfa Aesar)이 혼합되고 공기 분위기에서 4시간 동안 1550℃에서 소성된다. 밀링 후에 분말은 일산화탄소 분위기에서 4시간 동안 1400℃에서 다시 소성된다. 분쇄 및 볼 밀링 후에, 분말은 뜨거운 물로 세척되고, 건조되고 체질된다. 도 11은 a0 = 12.604Å를 갖는 가넷 구조에서 결정화한, 합성된 Gd2.4La0.6Sc1.5Lu0.4Ga3O12:Cr0.1의 XRD 패턴이다.
5. SrLiAl0.995F6:Cr0.005의 합성
시작 재료들 AlF3(99.99%, anhydrous), LiF(99.999%), SrF2(99.99%, 건조) 및 CrF3(99.98%, anhydrous)이 아르곤 하에서 혼합되고 백금 도가니에서 전사된다. 아르곤 분위기 하에서의 4시간 동안 600℃의 소성 후에, 결과적인 분말 케이크가 에탄올 하에서 밀링되고 건조된다.
6. 인광체 혼합물들
NIR 분광학과 같은 적외선 조명 응용들을 위해 넓은 연속적인 방출 세기 분포를 갖는 것이 보통 바람직하다. 따라서, 일부 실시예들에서, NIR 인광체(108)는 예를 들어, 예들 3) 및 4)에 의해 예시된 예를 들어 Cr 도핑된 가넷들의 부류로부터의 하나 이상의 더 짧은 파장 방출 재료, 및/또는 예를 들어 예 5)에 의해 예시된 Cr 도핑된 콜퀴리트 재료들의 부류로부터의 재료와 조합된, 예를 들어 예 1) 및 예 2)에 의해 예시된 예를 들어 Cr 도핑된 칼슘 갈로저메네이트 유형 인광체들의 부류로부터의 하나 이상의 더 긴 파장 방출 재료를 포함한다.
본 발명을 상세히 설명하였지만, 본 기술 분야의 기술자들은 본 개시내용이 주어지는 경우에, 수정들이 여기에 설명된 발명 개념의 취지에서 벗어나지 않고서 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다. 그러므로, 본 발명은 도시되고 설명된 특정한 실시예들로 제한되는 것이 의도되지 않는다.
Claims (8)
- 디바이스로서,
제1 광을 방출하는 광원; 및
상기 광원에 의해 방출된 광의 경로 내에 배치된 파장 변환 구조를 포함하고, 상기 파장 변환 구조는
적외선 광을 방출하는 제1 인광체; 및
상기 제1 광을 흡수하고 가시 광인 제2 광을 방출하는 제2 인광체를 포함하고,
상기 제1 인광체는 상기 제1 광을 흡수하고 제3 광을 방출하고,
상기 제1 인광체는 상기 제2 광을 흡수하고 제4 광을 방출하고,
상기 제3 광과 상기 제4 광은 적외선 방출 범위에서 상이한 피크 파장들을 갖는 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 제1 광은 청색 광이고 상기 제2 광은 적색 광인 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체는 4A2 → 4T1 전자 전이들을 통해 상기 제1 광에 의해 여기되고 4A2 → 4T2 전자 전이들을 통해 상기 제2 광에 의해 여기되는 Cr(Ⅲ) 인광체를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체는 도펀트에 대한 하나보다 많은 치환 위치를 갖는 정렬된 구조로 이루어진 결정질 인광체 재료를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체는 상이한 결정 유형들이 상이한 방출 채널들을 통해 방출하는 혼합된 결정 유형 인광체 및 고체 용액 중 하나를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체는 유리 또는 비정질 재료를 포함하는 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 인광체는 RE3Ga5-x-yAxSiO14:Cry(RE = La, Nd, Gd, Yb, Tm; A = Al, Sc)이고, 여기서 0 ≤ x ≤ 1 및 0.005 ≤ y ≤ 0.1인 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 인광체들은 투명 재료와 혼합되고 상기 광원 위에 배치되는 디바이스.
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