JP5248737B2 - 発光デバイスのマウントの集積反射カップ - Google Patents

Description

本発明は、発光デバイスのための集積反射カップを有するマウントに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光デバイスは、現在利用可能な光源の中でも最も効率的な光源である。可視スペクトルにわたって作動できる高輝度ＬＥＤの製造において現在関心が寄せられている材料系には、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元合金、三元合金、及び四元合金と、ＩＩＩ族リン化物材料とも呼ばれる、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及びリンの二元合金、三元合金、及び四元合金の、ＩＩＩ−Ｖ族の半導体が含まれる。多くの場合、ＩＩＩ族窒化物デバイスは、サファイア基板、炭化ケイ素基板、又はＩＩＩ族窒化物基板上でエピタキシャル成長させられ、ＩＩＩ族リン化物デバイスは、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）又は他のエピタキシャル技術によりガリウムヒ素上でエピタキシャル成長させられる。ｎ型層を基板上に堆積させ、次いで該ｎ型層上に活性領域を堆積させ、次いで該活性領域上にｐ型層を堆積させることが多い。層の順番は、ｐ型層が基板に隣接するように逆にされてもよい。

ＬＥＤは、サブマウント上に実装され、次いでパッケージされることが多い。図１は、「表面実装可能なＬＥＤパッケージ」という名称の米国特許第６，２７４，９２４号においてより詳細に記載されたパッケージを示す。ＬＥＤ１０４は、サブマウント１０３に取り付けられる。リードフレーム１０５のリード１０６は、ＬＥＤ−サブマウント複合体に電気的に接続される。ＬＥＤ−サブマウント複合体は、ヒートシンク１００上に（例えば、スタンピングによって）形成された反射カップ１０２内に配置される。反射カップ１０２は、ＬＥＤ１０４の側部又は底部から発光される如何なる光をもレンズ１０８の垂直軸の方向に反射させて、光をパッケージから有効に取り出すことができるように設計されている。サブマウント１０３は、通常は、該サブマウント１０３上に形成されなければならない電気接触に適応させるために、ＬＥＤ１０４よりも大きくされる。その結果、反射カップ１０２は、ＬＥＤ１０４のサイズと比べて大きくなり、したがって、反射カップ１０２が、図１に示すパッケージによって形成される光源のサイズを大幅に増大させる。

本発明の実施形態によると、半導体発光デバイスのマウントは、集積反射カップを含む。反射カップは、マウント上に形成された壁を含み、該壁は、発光デバイスから放出される側方光を、デバイス／マウント複合体の垂直軸に沿って反射させるように形成され、且つそのように配置される。壁は、反射性金属のような反射性材料で被覆されてもよい。

図２は、本発明の実施形態による、集積反射カップを有する半導体発光デバイスのマウントの断面図を示す。以下に説明される実施形態においては、マウントは発光デバイスの下に配置されることが多いので、「サブマウント」という言葉が用いられる。「サブマウント」という言葉は、マウントと異なる構造体を含意するか又は特定の構成を含意するように意図されるものではない。ｎ型領域２と、発光活性領域３と、ｐ型領域４とを含む発光デバイスが、基板１に形成されている。ｐ−コンタクト５は、ｐ型領域４に電気的に接続されており、ｎ−コンタクト６は、ｎ型領域２に電気的に接続されている。例えばはんだ又は金とすることができるサブマウント相互接続部７が、発光デバイス１２をサブマウント１１上のコンタクト・パッド１０に接続する。サブマウント１１は、例えば、集積回路を含むシリコンデバイスとすることができる。

サブマウント１１は、反射壁９を含んでいる。発光デバイス１２は、上方光Ｔをデバイス１２の上部を通して放出し、側方光Ｓをデバイス１２の側部の外に放出する。壁９は、側方光Ｓをデバイス／サブマウント複合体の垂直軸に沿って反射させて、反射光Ｒをデバイス／サブマウント複合体から有効に取り出せるようにするために、発光デバイス１２に面した或る角度をなす面を有する。反射面の角度は、発光デバイス１２から放出される光のパターンに基づいて選択することができる。図２の壁９は、デバイスに面した直線面を有するが、放物面などの他の面を用いることもできる。多数の直線セグメント、多数の湾曲セグメント、又はこの２つの組み合わせを含めて、他の有用な外形を考案することができる。
壁を形成するために反射性金属などの反射性材料を用いることによって、壁を反射性金属又は反射性誘電体スタックなどの反射性材料で被膜することによって、或いは壁と該壁に隣接した材料間の屈折率の差異を生じさせることによって、壁９を反射性にすることができる。

図２は、例えば、壁９を除いたサブマウントをマスキングし、次いでコーティング８を壁９にわたって蒸着させることによって壁９上に形成された随意的な反射コーティング８を有する実施形態を示す。或いは、反射コーティング８は、サブマウント１１の全面に形成され、次いで壁９以外の領域のコーティングを取り除くようにパターン付けされてもよい。コーティング８は、発光デバイス１２によって放出される光を反射できるように選択される反射性金属とすることができる。好適な金属の例としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ、及びＣｒが挙げられる。幾つかの実施形態において、反射性金属は、誘電層で被覆することができる。コーティング８はまた、発光デバイス１２によって放出される光を反射できるように選択される反射性誘電体スタックとすることもできる。誘電体スタックの例には、交互配置される高屈折率誘電体と低屈折率誘電体との如何なる組み合わせも含まれる。高屈折率材料の例としては、ＩＩＩ族窒化物材料、並びにチタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、スズ、マンガン、及びアンチモン酸化物が挙げられる。低屈折率材料の例としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコンオキシナイトライド、アルミニウム酸化物、並びにリチウム、カルシウム、及びマグネシウムフッ化物が挙げられる。随意的な材料（図示せず）をデバイス１２と壁９との間に配置することができる。図２に示すように、デバイスがフリップ・チップ構成で実装されている場合には、その材料は、サファイア又はＳｉＣ基板であることが多いデバイス１２の光取り出し面の屈折率に適合させて、デバイスからの光の取り出しを容易にするために含められる。サファイア基板を有するデバイスに適した材料の例としては、約１．４から約１．７の間の屈折率を有するエポキシ又はシリコンが挙げられる。

図４は、壁９での反射が屈折率の差異によって生じる別の実施形態を示す。図４のデバイスにおいては、壁９は低屈折率材料であり、高屈折率を有する材料１８が、デバイス１２と壁９との間に配置され、該材料１８と壁９との界面に屈折率の高低差が生じる。次に、壁９の角度が、全反射を生じるように選択される。例えば、壁９は、低屈折率プラスチック又は誘電性材料の固体片とすることができ、材料１８は、高屈折率エポキシ又はシリコンとすることができ、それにより光は、壁９と材料１８との間の界面にて反射させられる。或いは、壁９は、材料１８の屈折率に適合された高屈折率を有する空気封入プラスチック材料であってもよく、それにより光は、封入された空気と高屈折率プラスチックとの間の界面にて反射させられる。
上述の反射壁の実施形態のいずれも、任意の適切なサブマウント上に形成することができる。図２及び図４は、サブマウントの２つの例を示す。図２のデバイス／サブマウント複合体においては、デバイス１２は、相互接続部７によりサブマウント１１のコンタクト１０に実装されている。図３は、図２に示すデバイスの平面図である。発光デバイス１２は、反射壁９の中央に配置されている。コンタクト１０は、例えばワイヤボンドによってサブマウント１１を別のデバイスに接続できるようにするために、反射壁９を超えて延びている。

図４は、デバイス／サブマウント複合体の別の実施形態の断面図である。図４のデバイスにおいては、サブマウント１１のコンタクト１０が、図２の場合のデバイスと同じ面にではなく、デバイス１２が実装されている面とは反対側のサブマウント面に形成されている。サブマウント１１は、例えば、シリコン領域１６と、電気接続をデバイス１２とサブマウント１１の裏面のコンタクト１０との間に形成するための導電性材料１７によって囲まれたガラス領域１５とを有するシリコン／ガラス複合サブマウントとすることができる。図４に示すサブマウントのようなサブマウントは、２００３年７月３１日に出願され、引用により本明細書に組み入れられる、「半導体発光デバイスのマウント」という名称の米国出願第１０／６３２，７１９号においてより詳細に記載されている。他の実施形態においては、サブマウントは、アルミニウム酸化物又はアルミニウム窒化物などのセラミックか、或いはプリント回路基板に用いられる、ＦＲ４などのポリマーとすることができる。半導体発光デバイスのセラミックサブマウントは、２００３年８月２９日に出願され、引用により本明細書に組み入れられる、「半導体発光デバイスのパッケージ」という名称の米国出願番号第１０／６５２，３４８号により詳細に記載されている。
図３に示す実施形態においては、デバイス１２及び反射壁９の両方が正方形であり、サブマウント１１は長方形である。各々についての他の形状も可能である。例えば、反射壁９は、円形とすることができ、特定のサブマウント形状又は発光デバイス形状に適合する形状とすることもできるし、或いは特定の発光プロフィールが得られる形状とすることもできる。

図２か又は図４のいずれかの壁９は、例えば、サブマウント１１の製造中に厚膜をサブマウント・ウエーハ上に堆積させ、次いで該厚膜を、壁９を成す形状にすることによって形成されてもよい。膜は、およそデバイス１２の高さプラス約２５％の高さとデバイス１２の高さの約１０倍の高さとの間の厚さにまで堆積させることができる。好適な厚膜の例は、ダウ・ケミカル社から入手可能なＢＣＢ、ＰＭＭＡ、フォトレジスト、ガラス、スピンオン・ガラス、ポリアミド類、並びにＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ、及びＣｒなどの金属類である。厚膜は、サブマウント１１上に回転適用するか、めっきするか、又はその他のあらゆる適切な技術を用いて堆積させることができる。厚膜は、壁９の形で堆積させることもできるし、或いは、例えばマスキング及びガス・エッチングなどの標準的なフォトリソグラフィ技術を用いて壁９を成す形状にすることもできる。或いは、壁９は、例えばリング又は正方形としてサブマウント１１とは別に形成され、次いで糊又はエポキシなどの接着剤によって、圧力及び温度を加えることによって、或いは、はんだ付け又はサーモソニック結合によって、サブマウント１１に結合することができる。
図２から図４に示すようなサブマウントに形成される反射カップは、図１に示す反射カップを上回る幾つかの利点をもたらすことができる。図２から図４の反射カップの壁は、発光デバイスに非常に近接して配置することができ、その結果、図２から図４の反射カップは、図１の反射カップよりもかなり小さなものとなり、その結果、大きな光源より多くの用途に適する小さな光源サイズをもたらす。光源のサイズを小さくすると、一般的には、小さな光源は大きな光学系より費用の少ない小さな光学系を必要とするので、デバイス／サブマウント複合体を含む完成したデバイスの費用を削減できる。さらに、図２から図４のデバイスは、図１の反射カップ１０２のスタンピングを不要とする。

図２から図４のデバイスのさらなる利点は、図１の単一の反射カップ内に配置された多数の発光デバイスを示している図５に示される。例えば、赤Ｒデバイス、緑Ｇデバイス、及び青Ｂデバイスとすることができる３つの発光デバイスが、反射カップ１０２内で光を放出する。反射カップ１０２は、デバイスの各々によって放出される光の一部が見えているだけである。例えば、デバイスＢの場合には、領域４０に放出された光は、反射カップ１０２上に入射することができるが、領域４１に放出された光の少なくとも一部は、デバイスＲ及びデバイスＧによってブロックされる。デバイスＲ及びデバイスＧ並びに反射カップ１０２のデバイスＲ及びデバイスＧを実装する構造体が、Ｂによって放出されて、それらの上に入射した光を吸収し又は散乱させ、反射カップ１０２から有効に取り出される光の量を減少させる可能性がある。図２から図４に示すサブマウント上に形成された反射カップを用いると、各々のデバイスが別のデバイスの存在によってブロックされることがないそれぞれの反射カップを有するので、こうした問題が避けられる。
本発明を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本開示から、本明細書に記載された発明概念の精神から逸脱することなく本発明に修正をなし得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲が、図示され、説明された特定の実施形態に限定されることは意図されていない。

従来技術のＬＥＤパッケージを示す。 本発明の実施形態による、発光デバイス／マウント複合体の断面図である。 図２の複合体の平面図である。 発光デバイス／マウント複合体の別の実施形態の断面図である。 図１の反射カップ内に配置された多数の発光デバイスを示す。

符号の説明

８：コーティング
９：壁
１１：マウント
１２：発光デバイス

Claims (25)

1. 上方光及び側方光を放出する半導体発光デバイスと、
   マウント本体と、前記マウント本体上に堆積された材料の厚膜からフォトリソグラフィ技術を用いて形成された壁とを備えるマウントと、
   を含むデバイスであって、
   前記壁が、前記半導体発光デバイスから放出された光を反射することができ、前記半導体発光デバイスが前記マウントに取り付けられ、
   前記壁は、前記側方光を上方へ反射させるように形成されたことを特徴とするデバイス。
2. 前記材料の厚膜が反射性であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記壁に形成された反射層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. 前記反射層が、前記半導体発光デバイスによって放出された光を反射することができることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
5. 前記反射層が、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ及びＣｒの群から選択された金属からなることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
6. 前記反射層が金属であることを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
7. 前記金属反射層の上に重ねられる誘電層をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のデバイス。
8. 前記反射層が、誘電体スタックを含むことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
9. 前記マウントが、シリコン、セラミック、ポリマー、ＦＲ４、アルミニウム酸化物、及びアルミニウム窒化物の群から選択される材料からなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
10. 前記材料が、ＢＣＢ、ＰＭＭＡ、フォトレジスト、ポリアミド、ガラス、スピンオン・ガラス、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｎｉ及びＣｒの１つからなることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
11. 前記壁が、前記半導体発光デバイスの高さプラス２５％の高さと、前記半導体発光デバイスの高さの約１０倍の高さとの間の高さを有することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
12. 前記壁が或る角度をなすことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
13. 前記壁が放物面形状であることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
14. 前記壁が、前記半導体発光デバイスによって放出された光を反射する形状にされ、且つそのように配置されたことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
15. 前記材料が第１材料であり、前記半導体発光デバイスと前記壁との間に配置された第２材料を備えることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
16. 前記第２材料が、前記第１材料より高い屈折率を有することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記第２材料が空気からなることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
18. 前記第１材料が空気を封入したプラスチック材料から構成されることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
19. 前記第２材料がエポキシ及びシリコンの１つからなることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
20. 前記第２材料が約１．４から約１．７までの間の屈折率を有することを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
21. デバイスを形成する方法であって、
    マウント本体を形成し、
    フォトリソグラフィ技術を用いて、前記マウント本体の上に堆積させた材料の厚膜から壁を形成し、
    前記マウント本体に半導体発光デバイスを取り付ける、
    ことを含み、
    前記半導体発光デバイスは、上方光及び側方光を放出し、
    前記壁は、前記半導体発光デバイスから放出された光を反射することができ、前記側方光を上方へ反射させるように形成される方法。
22. 前記壁を形成することが、
    前記マウント本体に前記材料を堆積させ、
    前記材料の一部をエッチング除去して或る角度をなす壁を形成する、
    ことを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記材料が、およそ前記半導体発光デバイスの高さプラス２５％の高さと前記半導体発光デバイスの高さの約１０倍の高さとの間の厚さを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記壁に反射層を形成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
25. 前記半導体発光デバイスの取り付けが、前記半導体発光デバイスによって放出された光の少なくとも一部が前記壁に入射するように該デバイスを取り付けることを含む、請求項２１に記載の方法。

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