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KR20090082499A - 발광 세라믹 및 광 산란 재료를 포함하는 발광 장치 - Google Patents

발광 세라믹 및 광 산란 재료를 포함하는 발광 장치 Download PDF

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KR20090082499A
KR20090082499A KR1020097012700A KR20097012700A KR20090082499A KR 20090082499 A KR20090082499 A KR 20090082499A KR 1020097012700 A KR1020097012700 A KR 1020097012700A KR 20097012700 A KR20097012700 A KR 20097012700A KR 20090082499 A KR20090082499 A KR 20090082499A
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KR
South Korea
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light emitting
transparent material
disposed
light
semiconductor structure
Prior art date
Application number
KR1020097012700A
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English (en)
Inventor
저드 오. 뮬러
레지나 비. 뮬러-마흐
Original Assignee
코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=39416048&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR20090082499(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이., 필립스 루미리즈 라이팅 캄파니 엘엘씨 filed Critical 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

파장 변환 재료를 포함하는 세라믹 본체(30)가 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조(12)의 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치된다. 또한, 투명 재료(36)의 층이 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치된다. 투명 재료는 세라믹 본체를 반도체 구조에 접속할 수 있다. 발광 영역에 의해 방출되는 광을 산란시키도록 구성된 입자들(45)이 접착 재료의 층 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 입자들은 형광체이며, 일부 실시예들에서 입자들은 파장 변환 재료가 아니다.
발광 장치, 파장 변환 재료, 세라믹, 반도체 구조, 투명 재료, 형광체

Description

발광 세라믹 및 광 산란 재료를 포함하는 발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING LUMINESCENT CERAMIC AND LIGHT-SCATTERING MATERIAL}
본 발명은 파장 변환 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED), 공진 공동 발광 다이오드(RCLED), 수직 공동 레이저 다이오드(VCSEL) 및 에지 발광 레이저를 포함하는 반도체 발광 장치들은 현재 이용 가능한 가장 효율적인 광원들에 속한다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도 발광 장치들의 제조에서 현재 관심 있는 재료 시스템들은 III-V족 반도체들, 특히 III족 질화물 재료라고도 하는 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 질소의 2원, 3원 및 4원 합금들을 포함한다. 통상적으로, III족 질화물 발광 장치들은 사파이어, 실리콘 탄화물, III족 질화물 또는 다른 적절한 기판 상에 금속-유기 화학 기상 증착(MOCVD), 분자 빔 에피텍시(MBE) 또는 기타 에피텍셜 기술에 의해 상이한 조성 및 도펀트 농도의 반도체 층들의 스택을 에픽텍셜 방식으로 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 종종 기판 위에 형성된, 예를 들어 Si로 도핑된 하나 이상의 n형 층, n형 층 또는 층들 위에 형성된 액티브 영역 내의 하나 이상의 발광 층, 및 액티브 영역 위에 형성된, 예를 들어 Mg로 도핑된 하나 이상의 p형 층을 포함한다. n형 및 p형 영역들 상에는 전기 콘택들이 형성된다.
III족 질화물 장치들에 의해 방출되는 광은 일반적으로 가시 스펙트럼의 보다 짧은 파장 끝단에 있으므로, III족 질화물 장치들에 의해 생성되는 광은 더 긴 파장을 갖는 광을 생성하도록 쉽게 변환될 수 있다. 제1 피크 파장을 갖는 광("1차 광")은 발광/형광으로 알려진 프로세스를 이용하여 더 긴 피크 파장을 갖는 광("2차 광")으로 변환될 수 있다는 것이 이 분야에 공지되어 있다. 형광 프로세스는 형광체와 같은 파장 변환 재료에 의해 1차 광을 흡수하고, 2차 광을 방출하는, 형광체 재료의 발광 중심들을 여기시키는 단계를 포함한다. 2차 광의 피크 파장은 형광체 재료에 의존할 것이다. 형광체 재료의 타입은 특정 피크 파장을 갖는 2차 광을 산출하도록 선택될 수 있다.
형광체들은 LED에 의해 방출되는 광의 경로 내에 여러 방법으로 배치될 수 있다. 미국 특허 제6,351,069호는 파장 변환 재료가 혼합된 투명 수지의 층에 의해 피복된 III족 질화물 LED 다이를 설명하고 있다. 미국 특허 제6,630,691호는 단결정 발광 기판들 상의 LED 장치들의 성장을 설명하고 있다. 미국 특허 제6,696,703호는 LED들 위에 배치된 박막 형광체 층들의 사용을 설명하고 있다. 여러 특허들은 예를 들어 미국 특허 제6,576,488호에 설명된 바와 같은 전기 영동 침적에 의해, 또는 미국 특허 제6,650,044호에 설명된 바와 같은 스텐실링에 의해 LED들 상에 등각 형광체 층들을 형성하는 것을 설명하고 있다. 이러한 많은 형광체 층들은 부서지기 쉽고 다루기 힘들며, LED에 의해 발생하는 높은 온도 및 높은 선속(flux) 환경에 견디지 못한다. 또한, 일부 프로세스들에 의해서는 다수의 형광체 층을 형성하는 것이 어렵거나 불가능하다.
전술한 형광체 층들에 대한 하나의 대안은 본 명세서에 참고로 반영되는 미국 특허 출원 공개 번호 2005-0269582에 더 상세히 설명되어 있는 바와 같이 세라믹 평판들 내에 형성된 파장 변환 재료들의 사용이다. 상기 공개 특허에 설명된 발광 세라믹 평판들은 일반적으로 반도체 장치와 별도로 형성된 후, 완성된 반도체 장치에 부착되거나 반도체 장치를 위한 성장 기판으로서 사용되는 자기 지지 층들이다. 발광 세라믹들은 전술한 형광체 층들보다 강한 경향이 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 파장 변환 재료를 포함하는 세라믹 본체가 n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 반도체 구조의 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치된다. 또한, 투명 재료의 층이 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치된다. 투명 재료는 세라믹 본체를 반도체 구조에 접속할 수 있다. 발광 영역에 의해 방출되는 광을 산란시키도록 구성된 입자들이 접착 재료의 층 내에 배치된다. 일부 실시예들에서, 입자들은 형광체이며, 일부 실시예들에서 입자들은 파장 변환 재료가 아니다. 접착제 내의 산란 입자들의 존재는 장치로부터의 복합 광의 방출의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 복합 광의 칼라 특성들을 향상시킬 수 있다.
도 1은 발광 층을 포함하는 반도체 구조 위에 배치된 발광 세라믹을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, 산란 입자들을 포함하는 투명 재료에 의해 반도체 구조에 부착된 발광 세라믹을 나타내는 도면.
도 3은 패키징된 발광 장치의 분해도.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른, 반도체 구조에 접속된 발광 세라믹 위에 형성된 산란 입자들을 포함하는 투명 재료를 나타내는 도면.
발광 세라믹 층들은 종래의 파우더 형광체를 가압 상태에서 형광체 입자들의 표면이 연해지고 녹기 시작할 때까지 가열함으로써 형성될 수 있다. 부분적으로 녹은 입자들은 서로 점착되어, 단단한 입자들의 집성체를 형성한다. 광학적 불연속을 갖지 않는 단일의 대형 형광체 입자로서 광학적으로 거동하는 박막과 달리, 발광 세라믹은 치밀하게 팩킹된 개별 형광체 입자들로서 거동하며, 따라서 상이한 형광체 입자들 사이의 계면에는 적은 광학적 불연속들이 존재한다. 파우더 형광체 시작 재료는 일반적으로 균일한 조성 및 도핑을 가지므로, 결과적인 발광 세라믹은 일반적으로 투명하고, 광학적으로 균일하며, 세라믹 평판 전반에 발광 중심들로서 작용하는 활성 도펀트들로 균일하게 도핑된다.
균일하게 도핑된 발광 세라믹들의 하나의 문제점은 발광 세라믹의 최소 두께가 세라믹을 재현 가능하게 제조할 수 있는 능력에 의해 제한된다는 점이다. 많은 형광체는 광을 효율적으로 흡수하고 방출하는 바람직한 도핑 범위를 갖는다. 등각 층들(conformal layers)과 같은 형광체 배열들에서, 바람직한 도핑 레벨을 갖는 형광체 파우더는 원하는 수의 발광 중심들을 얻는 데 필요한 임의의 두께로 퇴적되며, 이는 발광 다이오드로부터의 변환되지 않은 광에 대한 원하는 양의 형광체 변환 및 누설을 제공하여, 원하는 특성의 복합 광을 발생시킨다. 발광 세라믹에서, 제조성을 위해 필요한 두께는, 제조성을 위해 필요한 최소 두께의 세라믹 내의 바람직한 도핑 레벨 형광체 파우더의 사용이 너무 많은 발광 중심들, 따라서 너무 많은 형광체 변환을 발생시키는 경우에, 바람직한 레벨보다 훨씬 낮은 도핑 레벨의 사용을 강제할 수 있다.
전술한 너무 많은 발광 중심들의 문제는 백색 복합 광을 생성하기 위해 청색 발광 다이오드 및 황색 방출 발광 세라믹과 결합된 적색 방출 발광 세라믹에 대해 특히 심각하다. 백색 복합 광을 생성하는 데에는 적은 양의 적색 방출 형광체만이 필요하며, 너무 많은 적색 방출 형광체가 사용되는 경우, 복합 광은 너무 붉게 보일 것이다. 적색 방출 형광체 내의 발광 중심들의 바람직한 도핑 레벨에서, 원하는 적색 발광을 생성하는 데 필요한 원하는 수의 발광 중심들은 20 ㎛ 두께의 발광 세라믹에서 달성된다. 그러나, 형광체로부터 형성되는 발광 세라믹의 최소 제조 가능 두께는 100 ㎛이다. 100 ㎛ 두께의 발광 세라믹 내에 원하는 수의 발광 중심들을 달성하기 위해서는, 훨씬 더 낮은, 덜 바람직한 도핑 레벨이 발광 세라믹을 형성하는 데 사용되어야 한다.
투명 발광 세라믹들의 두 번째 문제가 도 1에 도시되어 있다. 투명 발광 세라믹(30)은 발광 장치(12)에 접속된다. 발광 영역(31)으로부터 방출되는 2개의 광선(33, 34)이 도시되어 있다. 광선(33)은 발광 층 표면의 법선에 대해 광선(34)보다 작은 각도로 방출되므로, 광선(33)은 발광 세라믹(30) 내의 형광체를 더 적게 "만나며", 형광체에 의한 변환 없이 발광 세라믹(30)으로부터 벗어날 가능성이 더 크다. 이와 달리, 광선(34)은 발광 세라믹(30) 내의 형광체를 훨씬 더 많이 만나며, 발광 세라믹(30)을 벗어나기 전에 형광체에 의해 변환될 가능성이 더 크다. 결과적으로, 발광 영역(31)이 청색 광을 방출하고, 발광 세라믹(30) 내의 형광체가 황색 광을 방출하는 것으로 가정할 때, 장치의 중심 근처의 상면으로부터 방출되는 광은 더 청색으로 보이는 반면, 장치의 에지들 근처의 상면으로부터 방출되는 광은 더 황색으로 보여서, 더 청색인 광의 중심 주위에 바람직하지 않은 황색의 "무리(halo)"가 발생하게 된다.
도 1에 도시된 황색 무리 문제는, 발광 세라믹(30)으로부터의 산란을 증가시킴으로써, 즉 종종 세라믹의 제조 동안에, 산란 중심들로서 작용하는 에어 포켓들을 포함시켜, 발광 세라믹(30)을 투명이 아니라 반투명하게 함으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 이러한 접근법의 한 가지 문제는 에어 포켓들의 포함을 제어하기가 어렵다는 점이다. 너무 많은 에어 포켓들의 포함은 너무 많은 산란을 유발하여, 발광 세라믹(30)으로부터의 추출 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서는, 도 2의 단면도에 도시된 장치에서와 같이, 산란을 일으키는 형광체와 같은 재료가 반도체 발광 장치와 발광 세라믹 사이에 배치된다. 도 2의 장치에서는, n형 영역 및 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역(31)을 포함하는 III족 질화물 반도체 구조가 성장 기판(도시되지 않음) 상에 성장된다. p형 영역 및 발광 영역의 부분들은 n형 영역의 일부를 노출시키도록 에칭된다. p 및 n 콘택들(39, 38), 종종 반사 콘택들이 반도체 구조의 p형 및 n형 영역들 각각의 노출된 부분들 상에 형성된다. 반도체 구조(12)는 예를 들어 땜납 또는 금 상호접속들일 수 있는 p 및 n 상호접속들(42, 41)을 통해 마운트(43)에 전기적으로, 물리적으로 접속된다.
반도체 구조(12)를 마운트(43) 상에 실장하기 전에, 실장 중에 또는 실장 후에 반도체 구조(12)와 마운트(43) 사이의 임의 공간들에 언더필(underfill) 재료(37)가 주입될 수 있다. 언더필 재료(37)는 반도체 구조(12)를 지지하여, 성장 기판의 제거에 의해 발생하는 균열 또는 다른 손상을 방지하거나 줄여준다. 언더필 재료(37)는 측벽들(37)이 반도체 구조(12)의 에지들을 따라, 그리고 심지어 에지들을 지나 연장하도록 형성될 수 있다. 성장 기판이 제거된 후, 반도체 구조(12)의 상면은 도 2에 도시된 방향을 따라 노출된다. 반도체 구조(12)의 표면은 광 추출을 향상시키기 위해, 예를 들어 광 전기 화학 에칭에 의해 거칠어지거나 텍스처(texture)화될 수 있다.
반도체 구조(12)의 상면에 발광 세라믹(30)이 부착된다. 반도체 구조(12)와 발광 세라믹(30) 사이에 투명 재료(36)의 층이 배치된다. 재료(36)는 여기서 "투명"한 것으로 설명되지만, 대부분의 실시예에서 재료(36)는 의미 있는 양의 광을 흡수하지 않는 것이 바람직하지만, 재료(36)는 완전히 투명할 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 투명 재료(36)는 발광 세라믹(30)을 반도체 구조(12)에 부착하기 위한 접착제로서 작용한다. 언더필 재료의 측벽들(37)은 투명 재료(36)의 측면 넓이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서는, 도 4의 단면도에 도시된 장치에서와 같이, 산란을 일으키는 재료가 반도체 발광 장치에 접속된 발광 세라믹 위에 형성된다. 도 2에서와 같이, 도 4의 장치에서는, 예를 들어 실리콘 수지, 에폭시 또는 졸 겔과 같은 투명 접착 층에 의해, 또는 직접 웨이퍼 본딩에 의해 발광 세라믹이 마운트 상에 실장된 III족 질화물 반도체 구조에 접속된다. 투명 재료(36)가 발광 세라믹(30) 위에 형성된다. 본 발명의 일부 실시예들에서는, 도 2에 도시된 바와 같은 반도체 구조(12)와 발광 세라믹(30) 사이에 배치된 투명 재료 층이 도 4에 도시된 바와 같은 발광 세라믹 위에 형성된 투명 재료 층과 조합될 수 있다.
도 2 또는 도 4의 투명 재료(35) 내에는, 산란 중심들로서 작용하는 입자들이 배치된다. 투명 재료(36) 내에는, 전술한 황색 무리 문제를 줄이거나 없애기 위해 충분한 산란을 유발하기에 충분한 입자들(45)이 넣어질 수 있다. 투명 재료(36)는 일반적으로 100 ㎛ 이상의 두께를 갖는 발광 세라믹(30)과 달리, 예를 들어 0.5 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 산란 입자들(45)은 파장 변환 재료가 아니다. 산란 입자들(45)은 투명 재료(36)와 산란 입자들(45) 간의 굴절률 차이가 가능한 한 크도록 선택된다. 예를 들어, 투명 재료(36)는 예를 들어 에폭시 또는 실리콘 수지의 경우와 같이 1.4 내지 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 산란 입자들은 예를 들어 도핑되거나 도핑되지 않은 Y3Al5O12 또는 ZnS의 경우와 같이 1.8 내지 2.4의 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률의 차이가 작을수록, 소정 양의 산란을 달성하기 위해서는 투명 재료(36) 내에 더 많은 산란 입자들(45)이 배치되어야 한다. 산란 입자들(45)에 대한 적절한 재료들의 예는 Y2O3와 같은 이트륨 산화물, 티타늄 산화물, 스트론튬 산화물 및 루비듐 산화물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 적절한 입자들은 0.5λ 내지 20λ의 평균 직경을 가지며, 여기서 λ는 발광 영역에 의해 방출되는 광의 장치 내에서의 파장이다. 일부 실시예들에서, 입자들의 적절한 부피 충전 팩터(volumetric fill factor)는 투명 재료(36)의 부피의 10 내지 50%이며, 입자들의 적절한 개수 밀도(number density)는 부피 (5λ)3당 하나의 입자이다. 입자 크기 및 입자 개수 밀도 양자는 투명 재료(36)와 입자들(45) 간의 굴절률 차이에 의존할 수 있다.
일부 실시예들에서, 산란 입자들(45)은 적색 방출 형광체 입자들과 같은 형광체 입자들이다. 적절한 적색 방출 형광체들은 eCAS, BSSNE, SSONE는 물론, 예를 들어 CaS:Eu2 + 및 SrS:Eu2 +를 포함하는 (Ca1 - XSrX)S:Eu2 +(여기서, 0<x≤1) 및 예를 들어 Sr2Si5N8:Eu2 +를 포함하는 (Sr1 -x- yBaxCay)2- zSi5 - aAlaN8 - aOa:Euz 2 +(여기서, 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1 및 0<z≤1)를 포함한다. Ca1 - XAlSiN3:Eux인 eCAS는 5.436g의 Ca3N2(>98% 순도), 4.099g의 AlN(99%), 4.732g의 Si3N4(>98% 순도) 및 0.176g의 Eu2O3(99.99% 순도)로부터 합성될 수 있다. 파우더들은 유성 볼 밀링(planetary ball milling)에 의해 혼합되고, H2/N2(5/95%) 분위기에서 1500℃에서 4시간 동안 연소된다.
Figure 112009036985004-PCT00001
인 BSSNE는 2-프로판올을 분산제로 사용하는 유성 볼 밀링에 의한 60g의 BaCO3, 11.221g의 SrCO3 및 1.672g의 Eu2O3(모두 99.99% 순도)의 혼합을 포함하는 열탄소 환원 반응에 의해 합성될 수 있다. 건조 후에, 혼합물은 포밍 가스 분위기에서 1000℃에서 4시간 동안 연소되며, 이렇게 얻어지는 10g의 Ba0 .8Sr0 .2O:Eu(2%)가 5.846g의 Si3N4(>98% 순도), 0.056g의 AlN(99% 순도) 및 1.060g의 흑연(마이크로 결정 등급)과 혼합된다. 파우더들은 20분의 유성 볼 밀링에 의해 충분히 혼합되고, 포밍 가스 분위기에서 1450℃에서 4시간 동안 연소되어,
Figure 112009036985004-PCT00002
Figure 112009036985004-PCT00003
의 파우더가 얻어진다. SSONE는 80.36g의 SrCO3(99.99% 순도), 20.0g의 SiN4 /3(>98% 순도) 및 2.28g의 Eu2O3(99.99% 순도)를 혼합하고 N2/H2(93/7) 분위기에서 1200℃에서 4시간 동안 연소함으로써 제조될 수 있다. 그러한 적색 방출 형광체 입자들은 0.5λ 내지 20λ의 평균 입자 직경(λ는 발광 영역에 의해 방출되는 광의 장치 내에서의 파장) 및 0.1 내지 95 부피 %, 더 바람직하게는 10 내지 30 부피 %의 투명 재료 내의 농도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 적색 방출 형광체의 입자들은 투명 재료(36) 내에 산란 입자들(45)로서 포함된다. 반도체 구조(12)의 발광 영역(31)은 적색 광을 방출한다. 발광 세라믹은 황색/녹색 범위의 광을 방출하는 형광체를 포함한다. 발광 영역(31)으로부터의 변환되지 않은 청색 광은 발광 세라믹(30)에 의해 방출되는 황색/녹색 광 및 적색 형광체 입자들(45)에 의해 방출되는 적색 광과 결합되어, 백색으로 보이는 복합 광이 된다. 투명 재료(36) 내에 배치되는 적색 형광체의 양 및 도핑 레벨은 원하는 양의 적색 발광 및 원하는 양의 산란을 생성하도록 선택될 수 있다. 원하는 양의 적색 발광에 필요한 적색 형광체의 양이 충분한 산란으로 이어지지 않는 경우, 원하는 양의 산란을 얻기 위해, 적색 형광체 입자들에 더하여, 전술한 입자들과 같은 파장을 변환하지 않는 입자들이 투명 재료(36) 내에 포함될 수 있다.
발광 세라믹(30)은 임의의 적절한 형광체로부터 형성될 수 있다. 적절한 황색/녹색 방출 형광체들은
Figure 112009036985004-PCT00004
및
Figure 112009036985004-PCT00005
와 같은 일반식
Figure 112009036985004-PCT00006
(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1)를 갖는 알루미늄 가닛(garnet) 형광체들;
Figure 112009036985004-PCT00007
; 예를 들어
Figure 112009036985004-PCT00008
를 포함하는
Figure 112009036985004-PCT00009
; 및
Figure 112009036985004-PCT00010
를 포함한다. 적절한
Figure 112009036985004-PCT00011
세라믹은 40g의 Y2O3(99.998%), 32g의 Al2O3(99.999%) 및 3.44g의 CeO2를 12시간 동안 롤러 벤치 상에서 이소프로판올 내에서 1.5 kg의 고순도 알루미나 볼들(2 mm 직경)로 밀링함으로써 제조될 수 있다. 이어서, 건조된 프리커서 파우더는 CO 분위기에서 2시간 동안 1300℃에서 석회화된다. 이어서, 얻어진 YAG 파우더는 에탄올 하에서 유성 볼 밀(애깃 볼(agate ball))로 분쇄된다. 이어서, 세라믹 슬러리를 캐스팅하여, 건조 후에 세라믹 생형체(green body)를 얻는다. 이어서, 생형체들은 흑연 판들 사이에서 2시간 동안 1700℃에서 소결된다.
전술한 2-형광체 예는 발광 세라믹 내에 형성된 황색/녹색 방출 형광체 및 투명 재료 내에 산란 입자들로서 포함된 적색 방출 형광체를 포함하지만, 2개의 형광체는 반대가 될 수 있다. 예를 들어, 전술한 적색 방출 형광체들 중 하나가 발광 세라믹 내에 형성되고, 전술한 황색/녹색 방출 형광체들 중 하나를 산란 입자들로서 포함하는 투명 재료와 결합될 수 있다.
투명 재료(36)는 예를 들어 에폭시, 아크릴 또는 실리콘 수지와 같은 유기 재료, 하나 이상의 높은 지수의 무기 재료 또는 졸-겔 유리일 수 있다. 이러한 재료들은 도 2에 도시된 장치에서와 같이 발광 세라믹(30)을 반도체 구조(12)에 부착하기 위한 접착제로서 사용될 수 있다.
높은 지수의 재료들의 예는 쇼트(Schott) 글라스 SF95, 쇼트 글라스 LaSF 3, 쇼트 글라스 LaSF N18 및 이들의 혼합물과 같은 높은 지수의 광학 유리들을 포함한다. 이러한 유리들은 Duryea, Pa의 쇼트 글라스 테크놀리지스 사로부터 입수할 수 있다. 다른 높은 지수의 재료들의 예는 (Ge,Sb,Ga)(S,Se) 칼코겐화물 유리와 같은 높은 지수의 칼코겐화물 유리, GaP, InGaP, GaAs 및 GaN을 포함하지만 이에 한정되지 않는 III-V족 반도체, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe 및 CdTe를 포함하지만 이에 한정되지 않는 II-VI족 반도체, Si 및 Ge를 포함하지만 이에 한정되지 않는 IV족 반도체 및 화합물, 유기 반도체, 텡스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 지르코늄 산화물, 인듐 주석 산화물 및 크롬 산화물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속 산화물, 마그네슘 불화물 및 칼슘 불화물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속 불화물, Zn, In, Mg 및 Sn을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속, 이트륨 알루미늄 가닛(YAG), 인화물 화합물, 비소화물 화합물, 안티몬화물 화합물, 질화물 화합물, 높은 지수의 유지 화합물 및 이들의 혼합물 또는 합금을 포함한다. 높은 지수의 무기 재료들과의 접착은 본 명세서에 모두 참고로 반영된, 2000년 9월 12일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 09/660,317 및 2001년 6월 12일자로 출원된 09/880,204에 더 상세히 설명되어 있다.
졸-겔 유리들은 본 명세서에 참고로 반영된 미국 특허 제6,642,618호에 더 상세히 설명되어 있다. 발광 세라믹이 졸-겔 유리에 의해 장치에 부착되는 실시예들에서, 티타늄, 세륨, 납, 갈륨, 비스무트, 카드뮴, 아연, 바륨 또는 알루미늄의 산화물들과 같은 하나 이상의 재료가 SiO2 졸-겔 유리 내에 포함되어, 유리의 굴절률을 증가시킴으로써, 유리의 굴절률과, 발광 세라믹 및 발광 세라믹이 부착되는 반도체 구조의 표면의 굴절률들을 더 근접하게 매칭시킬 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 발광 세라믹들은 예를 들어 광 추출의 향상을 위해 바람직한 형상들로 텍스처화 또는 성형, 연마, 머시닝, 핫 스탬핑 또는 폴리싱될 수 있다. 예를 들어, 발광 세라믹은 돔 렌즈 또는 프레넬 렌즈와 같은 렌즈로 정형되거나, 세라믹 내에 형성된 구멍들의 주기적 격자와 같은 광결정 구조를 갖도록 거칠어지거나 텍스처화될 수 있다. 정형된 세라믹 층은 그가 부착되는 표면보다 작거나, 동일한 크기이거나, 클 수 있다.
도 3은 미국 특허 제6,274,924호에 더 상세히 설명되는 바와 같은 패키징된 발광 장치의 분해도이다. 히트 싱킹 슬러그(heat-sinking slug)(100)가 삽입 성형(insert-molded) 리드프레임 내에 배치되어 있다. 삽입 성형 리드프레임은 예를 들어 전기 경로를 제공하는 금속 프레임(106) 주위에 성형된 충전 플라스틱 재료(105)이다. 슬러그(100)는 옵션인 반사기 컵(102)을 포함할 수 있다. 위의 실시예들에서 설명된 임의의 장치일 수 있는 발광 장치 다이(104)는 직접, 또는 열 전도 마운트(103)를 통해 간접적으로 슬러그(100)에 실장된다. 광학 렌즈일 수 있는 커버(108)가 추가될 수 있다.
본 발명을 상세히 설명하였지만, 이 분야의 기술자들은, 본 개시가 주어질 때, 여기에 설명된 발명의 개념의 사상을 벗어나지 않고 발명에 대한 변형들이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 여기에 설명된 예들은 III족 질화물 발광 다이오드들을 참조하지만, 본 발명의 실시예들은 III족 인화물 및 III족 비소화물과 같은 다른 재료 시스템들 및 공진 공동 LED, 레이저 다이오드 및 수직 공동 표면 발광 레이저와 같은 다른 구조들의 장치들을 포함하는 다른 발광 장치들로 확장될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 도시되고 설명된 특정 실시예들로 한정되는 것을 의도하지 않는다.

Claims (22)

  1. n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역(31)을 포함하는 반도체 구조(12);
    파장 변환 재료를 포함하고, 상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 세라믹 본체(30); 및
    상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 투명 재료(36)의 층
    을 포함하고,
    상기 발광 영역에 의해 방출되는 광을 산란시키도록 구성된 복수의 입자(45)가 상기 투명 재료의 층 내에 배치되는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 재료(36)는 상기 반도체 구조(12)와 상기 세라믹 본체(30) 사이에 배치되어, 상기 반도체 구조를 상기 세라믹 본체에 접속하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 본체(30)는 상기 투명 재료(36)와 상기 반도체 구조(12) 사이에 배치되는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 투명 재료(36)의 두께는 상기 세라믹 본체(30)의 두께의 50%보다 작은 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입자들(45)의 굴절률과 상기 투명 재료(36)의 굴절률 사이의 차이가 적어도 0.4인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입자들(45)은 이트륨 산화물, 티타늄 산화물, 스트론튬 산화물 및 루비듐 산화물의 그룹으로부터 선택되는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 입자들(45)은 0.5λ와 20λ 사이의 평균 직경을 가지며, 여기서 λ는 상기 반도체 구조(12) 내의 상기 발광 영역(31)에 의해 방출되는 광의 파장인 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 투명 재료(36)는 실리콘 수지, 에폭시 및 유리의 그룹으로부터 선택되는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 투명 재료(36)의 층은 0.5와 50 ㎛ 사이의 두께를 갖는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반도체 구조(12)는 복수의 III족 질화물 층을 포함하는 장치.
  11. n형 영역과 p형 영역 사이에 배치된 발광 영역(31)을 포함하는 반도체 구조(12);
    제1 파장 변환 재료를 포함하고, 상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 세라믹 본체(30); 및
    상기 발광 영역에 의해 방출되는 광의 경로에 배치되는 투명 재료(36)의 층
    을 포함하고,
    제2 파장 변환 재료의 복수의 입자(45)가 상기 투명 재료의 층 내에 배치되는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 투명 재료(36)는 상기 반도체 구조(12)와 상기 세라믹 본체(30) 사이에 배치되고, 상기 반도체 구조를 상기 세라믹 본체에 접속하는 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 세라믹 본체(30)는 상기 투명 재료(36)와 상기 반도체 구조(12) 사이에 배치되는 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 투명 재료(36)의 두께는 상기 세라믹 본체(30)의 두께의 50%보다 작은 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 발광 영역(31)은 청색 광을 방출하도록 구성되고, 상 기 제1 파장 변환 재료는 청색 광을 흡수하고 황색 또는 녹색 광을 방출하도록 구성되며, 상기 제2 파장 변환 재료는 청색 광을 흡수하고 적색 광을 방출하도록 구성되는 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 파장 변환 재료는 (Lu1 -x-y-a- bYxGdy)3(Al1 -zGaz)5012:CeaPrb(여기서, 0<x<1, 0<y<1, 0<z≤0.1, 0<a≤0.2 및 0<b≤0.1); Lu3Al5O12:Ce3+; Y3Al5O12:Ce3 +; SrSi2N2O2:Eu2 +; (Sr1 -u-v- xMguCavBax)(Ga2 -y- zAlyInzS4):Eu2 +; SrGa2S4:Eu2+; 및 Sr1 - xBaxSiO4:Eu2 +의 그룹으로부터 선택되는 장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 제2 파장 변환 재료는 (Ca1-xSrx)S:Eu2+(여기서, 0<x≤1); CaS:Eu2+; SrS:Eu2+; (Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+(여기서, 0≤a<5, 0<x≤1, 0≤y≤1 및 0<z≤1); Sr2Si5N8:Eu2+; Ca0.99AlSiN3;Eu0.01; Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz(M=Sr, Ca; 0≤x≤1, 0≤y≤4, 0.0005≤z≤0.05); 및 Sr1-xSi2O2N2:Eu2+의 그룹으로부터 선택되는 장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 투명 재료(36)의 층 내에 배치된 복수의 파장을 변환하지 않는 입자들을 더 포함하는 장치.
  19. 제11항에 있어서, 상기 투명 재료는 실리콘 수지, 에폭시 및 유리의 그룹으로부터 선택되는 장치.
  20. 제11항에 있어서, 상기 투명 재료(36)는 0.5와 50 ㎛ 사이의 두께를 갖는 장치.
  21. 제11항에 있어서, 상기 반도체 구조(12)는 복수의 III족 질화물 층을 포함하는 장치.
  22. 제11항에 있어서, 상기 n형 및 p형 영역들에 전기적으로 접속되는 n 및 p 콘택들(38, 39), 및 상기 발광 영역 위에 배치된 커버(108)를 더 포함하는 장치.
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