JP2018207136A - 発光素子への光学要素の結合 - Google Patents
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Abstract
Description
用語「透明」は、「透明光学要素」のように説明した要素が、LEDの放射波長で、吸収又は散乱による単一パス損失の約50%未満、好ましくは約10%未満で光を透過させることを示すのに本明細書で用いられる。LEDの放射波長は、電磁スペクトルの赤外線、可視、又は紫外線領域にあるであろう。「単一パス損失の50%未満」及び「単一パス損失の10%未満」という条件は、透過経路長及び吸光係数の様々な組合せによって達成することができることを当業者は認識するであろう。
半導体層108及び110並びに活性領域112は、以下に限定はしないが、AlN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSbを含むIII−V族半導体、以下に限定はしないが、ZnS、ZnSe、CdSe、ZnO、CdTeを含むII−VI族半導体、以下に限定はしないが、Ge、Si、SiCを含むIV族半導体、及びそれらの混合物又は合金で形成することができる。
図1A及び図1Bは、LEDダイ104の特定の構造を示しているが、本発明は、LEDダイの構造と無関係である。従って、他の型のLED構成を図示の特定の構成の代わりに使用することができる。更に、LED104内の半導体層の数及び活性領域112の細部構造は異なるものとしてもよい。様々な図に示すLEDダイ104の各種の要素の寸法は、正確な比率ではないことに注意すべきである。
S.Haqueによる2004年5月5日申請の米国特許出願番号第10/840,459号を参照されたい。しかし、ここで理解すべきは、本発明がどの型のサブマウントにも限定されず、必要に応じて何れもの望ましいサブマウント構成を使用することができることである。
D.Camras他による2001年6月12日申請の「向上した光抽出効率を有する発光ダイオード」という名称の公告番号2002/0030194を有する米国特許出願番号第09/880,204号に説明されている。
D.Camras他による「向上した光抽出効率を有する発光素子」という名称の米国特許出願番号第10/633,054号、2000年9月12日出願のMichael
D.Camras他による「向上した光抽出効率を有する発光ダイオード」という名称の米国特許出願番号第09/660,317号、及び2001年5月30日出願のDouglas
Pociusによる「向上した光抽出のための発光素子表面上の光学要素の形成」という名称の公告番号2002/0141006を有する米国特許出願番号第09/823,841号に説明されており、これらは本出願と同じ出願人を有し、本明細書において引用により組み込まれている。更に、上述のLEDダイ104に光学要素を結合する処理は、本明細書において引用により組み込まれている米国特許第5,502,316号及び第5,376,580号に開示された素子を用いて実施することができ、この素子は、以前に半導体ウェーハを高温高圧で相互に結合させるために使用されている。これらの開示された素子は、LEDダイ及び光学要素に適応させるために必要であれば修正することができる。代替的に、上述の結合処理は、従来型の垂直プレスを用いて実施することができる。
LEDダイ204は、上述と同様にサブマウント206に各々装着される。LEDダイ204がサブマウント206に装着されると、個々の光学要素202a、202b、及び202cは、LEDダイ204a、204b、及び204cに上述のような様式でそれぞれ結合される。
図3に示すような複数のLEDダイ304を有する単一光学要素302の使用は、LEDダイ304を相互に接近させてサブマウント306に装着することができるという点で有利である。光学構成要素は、それが結合されるLEDダイよりも大きい設置面積を通常有し、従って、別々の光学要素を有するLEDダイの配置は、光学要素の寸法によって制約される。
LEDダイ304への光学要素302の熱結合処理中に、サブマウント306の加熱及び冷却に起因してLEDダイ304が側方に動く場合がある。Auのようないくつかのバンプ320を用いた時、バンプ320の柔軟性は、LEDダイ320の側方移動を受容するのには不十分である。従って、光学要素302の熱膨張係数(CTE302)は、サブマウント306の熱膨張係数(CTE306)とほぼ一致すべきである。CTE302とCTE306の間にほぼ一致があれば、サブマウント306の膨張及び収縮によって生じるLEDダイ304のいかなる移動も、光学要素302の膨張及び収縮によるものとほぼ一致することになる。これに対して、CTE302とCTE306の間の不一致は、熱結合処理の加熱及び冷却中に、光学要素302からのLEDダイ304の脱離及びLED素子300に対する他の損傷をもたらす可能性がある。
LEDダイ304は、例えば、InGaN、AlInGaP、又は、InGaN及びAlInGaPの組合せの素子とすることができる。一実施例において、サブマウント306は、AlNから生成することができ、一方、光学要素302は、例えば、オハラ・コーポレーションによるSLAM60、又はショット・グラス・テクノロジース・インコーポレーテッドから市販されているNZK7から生成することができる。別の実施例では、アルミナのサブマウント306を、サファイア、オハラガラスSLAH51、又はショットガラスNLAF21から生成された光学要素302と共に使用することができる。一部の実施例では、LEDダイ304とサブマウント306の間にバルク充填材(バルクフィラー)305を使用することができる。バルク充填材305は、例えば、シリコーン又はガラスとすることができる。バルク充填材305は、良好な熱伝導性を有することができ、かつサブマウント306及びダイ304のCTEにほぼ一致させることができる。必要に応じて、保護側面コーティングをバルク充填材305の代替として又はそれに加えて付加することができる。
光学要素を波長変換材料で覆う処理は、図1B及び図2に示す実施形態にも同様に適用することができることを理解すべきである。
S.Martin他による2004年6月9日申請の「予め作成された波長変換要素を有する半導体発光素子」という名称の米国特許出願番号第10/863,980号により詳細に説明されている。
別の実施例においては、波長変換材料のコーティングは、LEDダイの上に、例えば、ガラス、エポキシ、又はシリコーンの外皮上に外皮とLEDダイの間に中空空間がある状態で、遠隔に設置することができる。必要に応じて、中空空間は、シリコーン又はエポキシのような材料で充填することができる。
本発明は、説明目的のために特定的な実施形態に関連して示されたが、本発明はこれに限定されない。様々な適応及び修正を本発明の範囲から逸脱することなく実施することができる。従って、特許請求の精神及び範囲は、以上の説明に限定されるべきではない。
(実施形態1)少なくとも1つの発光素子ダイを接点要素を通じてサブマウントに装着する段階と、
光学要素を前記少なくとも1つの発光素子ダイに、該発光素子ダイが前記サブマウントに装着された後に結合する段階と、を含み、
前記少なくとも1つの発光素子ダイへの前記光学要素の結合は、該光学要素と該少なくとも1つの発光素子ダイとの間に配置された結合層によって達成される、ことを特徴とする方法。
(実施形態2)前記結合層は、無機材料を含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態3)結合する段階は、
前記光学要素、前記結合層、前記発光素子ダイ、及び前記サブマウントの温度を前記接点要素の融点よりも低い温度まで昇温させる段階と、
前記光学要素及び前記発光素子ダイを一緒に押圧するように圧力を印加し、それによって前記結合層を通じて該光学要素を該発光素子ダイに結合する段階と、
を含む、ことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態4)前記温度は、前記発光素子ダイと前記サブマウントを装着するのに使用される温度よりも高い温度に昇温されることを特徴とする実施形態3に記載の方法。
(実施形態5)前記接点要素は、前記発光素子ダイの底面及び前記サブマウントの上面の少なくとも一方に置かれ、該接点要素は、該発光素子ダイと該サブマウントの間の電気接触を提供することを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態6)前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成したバンプ及びパッドのうちの少なくとも1つであることを特徴とする実施形態5に記載の方法。
(実施形態7)前記少なくとも1つの発光素子ダイを前記サブマウントに装着するのに使用される温度は、約250℃未満であることを特徴とする実施形態4に記載の方法。
(実施形態8)前記光学要素を前記少なくとも1つの発光素子ダイに結合するのに使用される温度は、約400℃未満であることを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態9)前記光学要素と前記発光素子ダイの間の前記結合層は、テルルの酸化物、タングステンの酸化物、鉛の酸化物、及び亜鉛の酸化物のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態10)前記光学要素と前記発光素子ダイの間の前記結合層は、ナトリウムの酸化物、カリウムの酸化物、リチウムの酸化物、及び亜鉛のフッ化物のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態11)複数の発光素子ダイが、前記サブマウントに装着されることを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態12)1つの光学要素が、前記複数の発光素子ダイに結合されることを特徴とする実施形態11に記載の方法。
(実施形態13)ほぼ一致する熱膨張係数を有するように前記サブマウント及び前記1つの光学要素を選択する段階を更に含むことを特徴とする実施形態12に記載の方法。
(実施形態14)別々の光学要素が、前記複数の発光素子ダイの各々に結合されることを特徴とする実施形態11に記載の方法。
(実施形態15)前記光学要素の上に波長変換材料のコーティングを堆積させる段階を更に含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態16)前記光学要素の上に波長変換材料のコーティングを堆積させる段階は、
前記光学要素の上に前記変換材料の層を堆積させる段階と、
順方向バイアス電流を前記発光素子ダイに印加した時に素子によって発生する光の波長を判断する段階と、
望ましい波長の光が発生するまで、前記波長変換材料の層の厚みを繰返し変更し、前記素子によって発生する光の波長を判断する段階と、
を含む、ことを特徴とする実施形態15に記載の方法。
(実施形態17)前記少なくとも1つの発光素子ダイと前記光学要素の間に、該発光素子ダイに該光学要素を結合する前に、波長変換材料の層を配置する段階を更に含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態18)前記波長変換材料の層は、前記光学要素の底面及び前記発光素子ダイの上面の少なくとも一方に結合されることを特徴とする実施形態17に記載の方法。
(実施形態19)前記光学要素は、波長変換材料を含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
(実施形態20)前記発光素子ダイは、少なくとも1つが光を放射する活性領域である半導体層のスタックと、該活性領域に亘って電圧を印加するために電気的に結合され、該スタックの同じ側に配置された第1の接点及び第2の接点とを含むことを特徴とする実施形態1に記載の方法。
複数の発光素子ダイを準備する段階と、
前記サブマウントに前記複数の発光素子ダイを装着する段階と、
前記第1の熱膨張係数とほぼ同じ第2の熱膨張係数を有する光学要素を準備する段階と、
前記複数の発光素子ダイに、該発光素子ダイが前記サブマウントに装着された後に、前記光学要素を結合する段階と、を含むことを特徴とする方法。
(実施形態22)前記複数の発光素子ダイを前記サブマウントに装着する段階は、熱圧着法及び熱音波結合法の一方を用いて実施されることを特徴とする実施形態21に記載の方法。
(実施形態23)前記光学要素を前記複数の発光素子ダイに結合する段階は、該光学要素、該発光素子ダイ、及び前記サブマウントの温度を該複数の発光素子ダイと該サブマウントを装着するのに使用される温度よりも高い温度に昇温させる段階と、該光学要素及び該発光素子ダイを一緒に押圧するように圧力を印加する段階とを含むことを特徴とする実施形態22に記載の方法。
(実施形態24)前記発光素子ダイ及び前記サブマウントの少なくとも一方は、該発光素子ダイと該サブマウントの間の電気接触を提供する接点要素を含み、
前記光学要素を前記複数の発光素子ダイに結合する温度は、前記接点要素の融点よりも低い、ことを特徴とする実施形態23に記載の方法。
(実施形態25)前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成したバンプ及びパッドのうちの少なくとも1つであることを特徴とする実施形態24に記載の方法。
(実施形態26)前記複数の発光素子ダイの熱膨張係数は、前記第1の熱膨張係数とほぼ同じであることを特徴とする実施形態22に記載の方法。
(実施形態27)前記光学要素の上に波長変換材料のコーティングを堆積させる段階を更に含むことを特徴とする実施形態21に記載の方法。
(実施形態28)前記光学要素の上に波長変換材料のコーティングを堆積させる段階は、
前記光学要素の上に前記変換材料の層を堆積させる段階と、
順方向バイアス電流を前記発光素子ダイに印加した時に素子によって発生する光の波長を判断する段階と、
望ましい波長の光が発生するまで、前記波長変換材料の層の厚みを繰返し変更し、前記素子によって発生する光の波長を判断する段階と、
を含む、ことを特徴とする実施形態27に記載の方法。
(実施形態29)前記発光素子ダイの各々は、少なくとも1つが光を放射する活性領域である半導体層のスタックと、該活性領域に亘って電圧を印加するために電気的に結合され、該スタックの同じ側に配置された第1の接点及び第2の接点とを含むことを特徴とする実施形態21に記載の方法。
前記サブマウントに装着された複数の発光素子ダイと、
前記複数の発光素子ダイの各々の表面に結合した単一光学要素と、
を含むことを特徴とする装置。
(実施形態31)前記サブマウントの上面及び前記発光素子ダイの底面の少なくとも一方に置かれた接点要素を更に含み、該発光素子ダイは、該接点要素を通じて該サブマウントに電気的に結合されることを特徴とする実施形態30に記載の装置。
(実施形態32)前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成されることを特徴とする実施形態31に記載の装置。
(実施形態33)前記光学要素の上の波長変換材料のコーティングを更に含むことを特徴とする実施形態30に記載の装置。
(実施形態34)前記光学要素と少なくとも複数の前記発光素子ダイとの間の波長変換材料の層を更に含むことを特徴とする実施形態30に記載の装置。
(実施形態35)前記サブマウント及び前記光学要素は、ほぼ同じ熱膨張係数を有する材料で形成されることを特徴とする実施形態30に記載の装置。
(実施形態36)前記発光素子ダイは、前記サブマウントの熱膨張係数とほぼ同じ熱膨張係数を有することを特徴とする実施形態35に記載の装置。
(実施形態37)前記光学要素と前記発光素子ダイの各々との間の結合材料の層を更に含み、該結合層は、無機材料を含むことを特徴とする実施形態30に記載の装置。
(実施形態38)前記発光素子ダイの各々は、少なくとも1つが光を放射する活性領域である半導体層のスタックと、該活性領域に亘って電圧を印加するために電気的に結合され、該スタックの同じ側に配置された第1の接点及び第2の接点とを含むことを特徴とする実施形態30に記載の装置。
前記少なくとも1つの発光素子ダイに、該発光素子ダイが前記サブマウントに装着された後に、前記第1の温度よりも高い第2の温度で光学要素を結合する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
(実施形態40)前記発光素子ダイは、熱音波法によって前記サブマウントに装着されることを特徴とする実施形態39に記載の方法。
(実施形態41)前記第2の温度は、約150℃から450℃の間であることを特徴とする実施形態39に記載の方法。
(実施形態42)前記接点要素は、第3の温度で溶融し、
前記第2の温度は、前記第3の温度よりも低い、
ことを特徴とする実施形態39に記載の方法。
(実施形態43)前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成したバンプ及びパッドのうちの少なくとも1つであることを特徴とする実施形態39に記載の方法。
前記半導体発光素子に結合した光学要素と、
前記光学要素と前記半導体発光素子の間に配置された、テルルの酸化物を含む結合層と、
前記発光素子に電気的に接続したサブマウントと、
を含むことを特徴とする素子。
(実施形態45)前記サブマウントは、セラミックを含むことを特徴とする実施形態44に記載の素子。
(実施形態46)前記サブマウントは、AlN、アルミナ、及びSiの群から選択された材料を含むことを特徴とする実施形態44に記載の素子。
(実施形態47)前記サブマウントを前記発光素子に電気的に接続する接点要素を更に含み、
前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成される、
ことを特徴とする実施形態44に記載の素子。
(実施形態48)前記光学要素は、サファイア、SiC、酸窒化アルミニウム、ジルコニア酸化物、GaN、AlN、スピネル、GaP、ZnS、テルルの酸化物、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び透明アルミナの群から選択された材料を含むことを特徴とする実施形態44に記載の素子。
(実施形態49)活性領域を有する半導体層のスタックを含む半導体発光素子と、
前記半導体発光素子に結合した光学要素と、
前記光学要素と前記半導体発光素子の間に配置された、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び亜鉛の酸化物の群から選択された材料を含む結合層と、
を含むことを特徴とする素子。
(実施形態50)前記発光素子に電気的に接続したサブマウントを更に含むことを特徴とする実施形態49に記載の素子。
(実施形態51)前記サブマウントは、セラミックを含むことを特徴とする実施形態50に記載の素子。
(実施形態52)前記サブマウントは、AlN、アルミナ、及びSiの群から選択された材料を含むことを特徴とする実施形態50に記載の素子。
(実施形態53)前記サブマウントを前記発光素子に電気的に接続する接点要素を更に含み、
前記接点要素は、Au及びAuSnの少なくとも一方を含む材料で形成される、
ことを特徴とする実施形態50に記載の素子。
(実施形態54)前記光学要素は、サファイア、SiC、酸窒化アルミニウム、ジルコニア酸化物、GaN、AlN、スピネル、GaP、ZnS、テルルの酸化物、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び透明アルミナの群から選択された材料を含むことを特徴とする実施形態49に記載の素子。
光学要素を準備する段階と、
前記光学要素と前記半導体発光素子の間に配置された結合層によって達成される、該半導体発光素子を該光学要素に結合する段階と、を含み、
前記結合層は、テルルの酸化物、鉛の酸化物、タングステンの酸化物、及び亜鉛の酸化物の群から選択された材料を含む、ことを特徴とする方法。
(実施形態56)前記発光素子を前記光学要素に結合するのに使用される温度は、約200℃から400℃の間であることを特徴とする実施形態55に記載の方法。
(実施形態57)前記光学要素及び発光素子が結合温度にある時間は、約30秒から30分の間であることを特徴とする実施形態55に記載の方法。
(実施形態58)前記発光素子を前記光学要素に結合するのに使用される圧力は、約700から3000psiの間であることを特徴とする実施形態55に記載の方法。
(実施形態59)前記半導体発光素子を前記光学要素に結合する前に該半導体発光素子をサブマウントに結合する段階を更に含むことを特徴とする実施形態55に記載の方法。
前記半導体発光素子に結合した光学要素と、
前記光学要素と前記半導体発光素子の間に配置された、カルコゲニド及びカルコゲン−ハロゲニド・ガラスの群から選択された材料を含む結合層と、
を含むことを特徴とする素子。
104 発光ダイオード(LED)ダイ
106 サブマウント
Claims (1)
- サブマウントと、
前記サブマウントに装着された複数の発光素子と、
前記複数の発光素子の各々の表面に接合した単一の光学要素と、
前記発光素子と前記サブマウントとの間に配置された充填材と、
を有する装置。
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