(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイスであって、
長方形の発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイであり、
エピタキシャル層、及び
前記エピタキシャル層の上に位置した、第１の基板面と第２の基板面とを持つ基板であり、前記第１の基板面が前記エピタキシャル層に直に接続され、当該基板は第１の屈折率を持つ、基板
を有するＬＥＤダイと、
前記第２の基板面の上に位置する透明なピラーであり、当該ピラーは、第２の屈折率を持ち、当該ピラーは、頂面及び側壁を有する直方体ピラーであり、当該ピラーは、前記ＬＥＤダイと略同じサイズのフットプリントを持ち、当該ピラーは、前記ＬＥＤダイの辺の長さよりも大きい高さを有する、ピラーと、
前記ピラーを取り囲むレンズ部分であり、前記ピラーの前記側壁と当該レンズ部分との境界面において前記ピラー内での全反射（ＴＩＲ）を生じさせるよう、前記第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つレンズ部分と
を有し、
前記ピラーは、光が前記ピラーの前記頂面を通って出て行くよう、前記エピタキシャル層によって生成された光の一部を、前記ピラーの前記側壁から、前記ＴＩＲによって、前記ピラーの前記頂面に向けて反射するように構成されている、
発光デバイス。
【請求項２】
前記第２の屈折率は前記第１の屈折率の１０％以内である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第３の屈折率は前記第２の屈折率の０．６倍から０．８５倍の範囲内である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第３の屈折率は前記第２の屈折率の略０．８倍である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ピラーの前記フットプリントは前記第２の基板面の面積に略等しい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１の基板面は、正方形を含め、長方形であり、前記ピラーの前記フットプリントも長方形である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２の基板面は蛍光体で被覆されている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記蛍光体は前記ピラーの屈折率と整合する屈折率を持つ、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
前記レンズ部分は、
前記ピラーを取り囲む円筒形部分と、
前記ピラー及び前記円筒形部分の上に位置する頂部レンズ部分と
を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記頂部レンズ部分はドーム形状を有する、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ピラー及び前記レンズ部分は、接着剤を用いて前記ＬＥＤダイの上に取り付けられている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
当該デバイスは更に、前記ＬＥＤダイが上にマウントされた支持基板を有し、前記レンズ部分は、下方に前記支持基板の頂面まで延在している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記レンズ部分は、前記ピラーの周りに成形された材料を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記基板は、前記エピタキシャル層のための成長基板である、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、そのようなＬＥＤの光取り出し効率を高める技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤデバイスの光取り出し効率（extraction  efficiency；ＥｘＥ）は、光が生成されるところである高い屈折率（ｎ）のエピタキシャル層内での全反射（total  internal  reflection；ＴＩＲ）によって制限されている。このＴＩＲを抑制するため、高屈折率の封入ドームレンズが広く使用されている。何故なら、それらは実効的にＥｘＥを２０％ほども増大させることができるからである。ＧａＮ系ＬＥＤの屈折率は２から３の間であり、封入材料の屈折率は典型的に１．４から１．８の間であり、ＧａＮと空気との間での良好な移行をもたらす。
【０００３】
例えば薄膜フリップチップ（Thin-Film-Flip-Chip；ＴＦＦＣ）ダイレクトエミッタなどのＬＥＤダイアーキテクチャにおいて、光は主としてエピタキシャル層の片面から取り出される。光取り出し面は一般に、成長基板が（例えば、レーザ支援リフトオフプロセスによって）除去された後に空気に露出される面である。光取り出し面の適切な表面粗面化処理により、ドーム封入後のそのようなダイレクトエミッタにおける取り出し効率は、かなり乏しいサブマウント反射率の場合であっても、８０％ほどの高さになり得る。何故なら、薄いエピタキシャル層からの下向きの側面光は殆ど存在しないからである。
【０００４】
サファイア成長基板が除去されずに様々な理由で保持される例えばパターンドサファイア基板（Patterned  Sapphire  Substrate；ＰＳＳ）ベースのＬＥＤなどのフリップチップ（ＦＣ）アーキテクチャにおいては、状況がかなり変わり得る。そのようなデバイスにおいては、エピタキシャル層からの光が透明基板に入り、該基板の反対側の表面が光を放つ。光は故に、エピタキシャル材料（例えば、ＧａＮ）から基板へ、そして、基板から空気又はドーム封入材料（その後、空気）の何れかへと取り出されなければならない。光の大きな部分が基板（典型的に、２００〜３００ミクロン厚）の４つの側面から取り出されるので、このようなＬＥＤデバイスのフィールド放射は遥かに広いものとなる。取り出された側面放射のかなりの部分が、下方にサブマウントに向けられ、そこで損失を伴って反射され返す。従って、例えばＰＳＳベースのダイなどのＦＣアーキテクチャは、ＴＦＦＣの取り出し効率と同等の取り出し効率を提供するために、高反射性のパッケージサブマウントに頼っている。そのようなＦＣベースのＬＥＤデバイスの一例を図１及び２に示す。図２は、図１のデバイスの左側面図である。
【０００５】
図１及び２において、活性層を含むＬＥＤエピタキシャル層１２が、パターン形成（粗面化）されたサファイア基板１４の表面に成長されている。エピタキシャル層１２は、図２に示すよりも、基板１４に対して遥かに薄く、図１では単純化のために特定していない。
【０００６】
反射性の金属電極１５Ａ及び１５ＢがＬＥＤダイ１６の底面に形成されており、これらの電極が直接的に、サブマウント２２上のアノード及びカソードの金属パッド１８Ａ及び１８Ｂに接合されている。サブマウント２２の本体（ボディ）は、セラミック又は何らかのその他の熱伝導材料とし得る。パッド１８Ａ及び１８Ｂは、サブマウント２２内部のビアを用いて、関連付けられた底部金属パッド２３（この側面図には１つのパッド２３のみが示されている）に接続される。底部パッド２３は、後に、印刷回路基板にはんだ付けされ得る。金属パッド１８Ａ及び１８Ｂは反射性であり、基板１４の側面から放たれた光（例えば光線２６など）を反射し得る。図２において留意されたいことは、エピタキシャル層１２によって発せられた光線２６がどのように、浅い角度で基板１４の頂面に突き当たり、ＴＩＲによって反射され、基板１４の側壁を出て行き、そして、サブマウント２２上のパッド１８Ａによって上向きに反射されるかということである。従って、光線２６は、各反射と様々な材料内で進行する追加の距離とによって減衰される。
【０００７】
そして、成形することによって、あるいはプリフォームされたレンズを接着性の封入材（例えば、シリコーン又はエポキシ）を用いてＬＥＤダイ１６上に取り付けることによっての何れかで、ＬＥＤダイ１６を覆ってドームレンズ２８が固定される。
【０００８】
知られていることには、恐らくは８００ミクロンほどだけ、基板１４の厚さを増すことは、ＥｘＥ利得を生み出すが、製造上の問題を生じさせるとともにコストを上昇させる。より厚い基板１４を用いると、その頂面に突き当たる光は、法線角度により近い角度となり、故に、ＴＩＲはあまり起こらない。また、より浅い角度の光が、厚い基板の側壁から放射される。これは、一部の用途で望ましくないものであり得る広い放射角を生じさせる。
【０００９】
故に、必要とされるのは、成長基板の厚さを増大させる必要なくＬＥＤデバイスの光取り出し効率（ＥｘＥ）を高める技術である。
【発明の概要】
【００１０】
一実施形態において、透明サファイア基板のパターン形成表面上にＧａＮ系ＬＥＤ層がエピタキシャル成長される。基板厚さは、薄化後で、１００−５００ミクロンの間とし得る。
【００１１】
そして、ＬＥＤダイがサブマウント上にマウントされる。処理がウエハスケールで行われ得るよう、複数のＬＥＤダイがサブマウントウエハ上にマウントされ得る。全ての処理後、サブマウントウエハが個片化されて、個々のＬＥＤデバイスが分離される。
【００１２】
ＬＥＤダイのフットプリントは典型的に、各辺が０．５−１ｍｍの間の正方形である。
【００１３】
ＬＥＤダイの頂部の基板面の上に直接的に、ＬＥＤダイと略同じサイズのフットプリントを持つ透明な長方形ピラー（矩形プリズム）が位置付けられる。ピラーは、サファイア基板の屈折率（およそ１．８）と略等しい屈折率（ｎ）を持つ材料（例えば、シリコーン）で形成され、故に、整合した屈折率により、実質的にＴＩＲが存在しない。ピラーは、ＬＥＤダイの辺（例えば、０．８ｍｍ−１．５ｍｍ）の長さよりも大きい高さを有する。
【００１４】
長方形ピラー及びＬＥＤダイを透明なシリンダが取り囲み、シリンダの頂面はピラーの頂面と略平坦である。シリンダの直径は好ましくは、ＬＥＤダイの辺の長さの１．５倍から３倍の間である。シリンダ材料の屈折率は、基板の屈折率の約０．８倍であり、これは、約１．８の屈折率を持つサファイア基板の場合に約１．４−１．５である。
【００１５】
シリンダの頂部に、シリンダと同じ材料で形成され且つ同じ直径を持つ透明なドームがある。ドームはシリンダと一体にされ得る。
【００１６】
ピラー、シリンダ、及びドームは、プリフォームされたレンズ部品として形成されて、屈折率が整合するシリコーン又はエポキシの薄い層を用いて基板及びサブマウントに取り付けられ得る。
【００１７】
蛍光体変換光が望まれる場合、レンズをＬＥＤダイの上に取り付けるのに先立って、ＬＥＤダイ表面が蛍光体で被覆され得る。蛍光体の屈折率は好ましくは、ピラー及び基板の屈折率と整合する。
【００１８】
ピラー４０は比較的高背であり、且つシリンダとピラーとの境界面は有意な屈折率不整合を有するので、ＬＥＤダイから発せられた光は、直接的にピラーの頂面を通過することになるか、ピラーの側面で内部反射されて頂面を通ることになるかの何れかである。故に、サブマウントによって反射される必要がある側方光が低減される。従って、ピラーは、ＬＥＤダイそれ自体と同程度の幅であるので放射フィールドを狭くするように作用するとともに、サブマウント表面によって減衰される光が少ないので効率を向上させる。
【００１９】
シリンダ及びドームが、光取り出しを向上させるように空気への屈折率遷移を提供するとともに、光放射をよりいっそうランバーシアンにする。所望の放射パターンを作り出すために、半球状ドーム以外のレンズが使用されてもよい。ドーム形状は、取り出し効率を更に高めるために、ピラーからの実際の放射に合わせて適応され得る。
【００２０】
本発明はまた、フリップチップ以外のＬＥＤダイにも適用される。
【００２１】
その他の実施形態も記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】パッケージングされたＬＥＤデバイスの斜視図である。
【図２】図１のＬＥＤデバイスの左側面図である。
【図３】図１のサブマウントの側面図である。
【図４】ＬＥＤダイが上にマウントされた図１のサブマウントの側面図である。
【図５】プリフォームされた完成レンズの側面図である。
【図６】図４のＬＥＤダイを覆って取り付けられた図５のレンズの側面図である。
【図７】オプションで蛍光体で被覆されたＬＥＤダイの側面図である。
【図８】完成したＬＥＤデバイスの斜視図である。
【図９】図１及び２に示したものなどの従来のＬＥＤデバイスと比較しての、シミュレーションによるレンズシリンダ高さに対する光取り出し効率の改善を示すグラフである。
【図１０】図１及び２のＬＥＤデバイスと比較して狭められた図８のＬＥＤデバイスの放射プロファイルを例示するプロットである。
【００２３】
同じ又は同様である要素には同じ参照符号を付している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図３−８は、発明ＬＥＤデバイスに関する製造プロセスの様々な段階を例示している。
【００２５】
図３は、図１及び２に関して説明したものと同じとし得る従来からのサブマウント２２を例示している。例えば印刷回路基板（ＰＣＢ）など、他の種類のサブマウント又は他の支持基板が使用されてもよい。
【００２６】
図４は、サブマウント２２の金属パッド１８Ａ及び１８Ｂに超音波ボンディング又ははんだ付けされた底部アノード及びカソード電極１５Ａ及び１５Ｂを持つ従来からのＬＥＤダイ３０を例示している。ＬＥＤダイ３０は、光取り出し向上のため、サファイア基板３４のパターン形成（粗面化）表面の上に成長されたエピタキシャル層３２を有している。例えばＳｉＣやＧａＮなどのその他の種類の透明基板が使用されてもよい。現実の実施形態において、基板３４はエピタキシャル層３２よりも遥かに厚い。一実施形態において、基板３４は１００−５００ミクロン厚であり、好適な一実施形態において約２００ミクロン厚である。エピタキシャル層３２は、ほんの数ミクロン厚とし得る。なお、基板３４は、その厚みが光取り出し向上に使用されないので、図２の基板１４よりも遥かに薄くし得る。これは、製造プロセスにおいてダイ個片化を容易にするので有利となり得る。
【００２７】
一実施形態において、ＬＥＤダイ３０は、０．５−１ｍｍ長さの辺を持つ正方形である。ＬＥＤダイ３０は、蛍光体で被覆された青色ダイとすることができ、あるいは、その他の種類のＬＥＤダイであってもよい。フリップチップが示されているが、ＬＥＤダイはその他のタイプであってもよく、ＬＥＤダイ電極をサブマウント（又はその他の支持基板）パッドに接続するのに必要なワイヤボンディングがレンズ内に設けられ得る。
【００２８】
図５は、本発明の一実施形態に従ったプリフォームされたレンズ３８を例示している。明瞭さのため、レンズ３８の空洞内のＬＥＤダイ３０の位置を示してある。
【００２９】
レンズ３８は、ＬＥＤダイ３０と略同じサイズのフットプリント（設置面積）を持つ透明な長方形ピラー４０（矩形プリズム）を含んでいる。ピラー４０は、サファイア基板３４の屈折率（およそ１．８）と略等しい屈折率（ｎ）を持つ材料（例えば、シリコーン、エポキシなど）で形成され、故に、これらの整合した屈折率により、基板３４とピラー４０との境界面には実質的にＴＩＲが存在しない。一実施形態において、ピラー４０の屈折率と基板３４の屈折率との間の差は１０％未満である。典型的に、ピラー４０は、ＬＥＤダイの辺の長さ（例えば、０．８ｍｍ−１．５ｍｍ）よりも大きい高さを有するが、その他の構成も企図され、本発明の範囲に含まれる。例えば、ピラー４０は、ＬＥＤダイ３０と重なり合ってもよいし、発光面の一部のみを覆ってもよい。他の例において、ピラー４０は、異なる光分布効果を作り出すように、ＬＥＤダイ３０の長さよりも短くてもよい。
【００３０】
透明シリンダ（円筒）４２が長方形ピラー４０を取り囲んでおり、シリンダ４２の頂面４４がピラー４０の頂面と略同じ高さにある。シリンダ４２の頂部がピラー４０の頂部と揃うことは本質的なことではない。シリンダ４２の直径は好ましくは、ＬＥＤダイの辺の長さの１．５倍から３倍の間である。シリンダ材料の屈折率は、基板３４の屈折率の約０．８倍であり、約１．８の屈折率を持つサファイア基板３４の場合、これは約１．４−１．５である。シリンダ材料の屈折率の好適範囲は、基板３４の屈折率の約０．６倍から０．８５倍である。
【００３１】
シリンダ４２の頂部上に、シリンダ４２と同じ材料で形成されて同じ直径を持つ透明ドーム４６がある。典型的に、シリンダ４２及びドーム４６は単一のピース（部品）として形成されることになる。
【００３２】
レンズ３８内の空洞４８はＬＥＤダイ３０とほぼ同じサイズであり、故に、シリンダ４２の底面がサブマウント２２の表面と同一平面となり得る。
【００３３】
ピラー４０、シリンダ４２、及びドーム４６は、単一のピースとしてプリフォームされて、図６に示すように、屈折率が整合するシリコーン又はエポキシ４９の薄い層（例えば、１０ミクロン）を用いて基板３４及びサブマウント２２に取り付けられ得る。選択可能な屈折率を有するこのような接着剤は商業的に入手可能である。
【００３４】
一例において、ピラー４０がピラーのアレイとして成形され、各ピラー４０の周りにシリンダ４２及びドーム４６が成形される。そして、得られたレンズ３８が分離され、ウエハスケールプロセスにて、サブマウントウエハ上のそれぞれのＬＥＤダイ３０に取り付けられる。他の一実施形態において、シリンダ４２とドーム４６とが、ガラス又はその他の材料（例えば、シリコーン）で一体形成され、その空洞が、ピラー材料用の金型として使用される。他の一実施形態において、ピラー４０は、高屈折率ガラス（例えば、ＳＦ１１型）であってもよく、高屈折率の透明エポキシを有する基板３４（又は蛍光体）に取り付けられ得る。次に、シリコーンに基づくレンズ部分（シリンダ４２及びドーム４６）が、ピラー４０及びサブマウントウエハの上に、例えば、本出願人に譲渡され且つここに援用するＢａｓｉｎ等による米国特許第７４５２７３７号に記載されるものなどのオーバーモールドプロセスによって形成され得る。
【００３５】
蛍光体変換光が望まれる場合、レンズ３８をＬＥＤダイ３０の上に取り付けるのに先立って、図７に示すように、ＬＥＤダイ表面が蛍光体層５０で被覆され得る。蛍光体層５０の屈折率は、好ましくは、ピラー４０及び基板３４の屈折率と整合する。
【００３６】
図８は、得られるＬＥＤデバイスの斜視図である。
【００３７】
シリンダ４２及びドーム４６が、光取り出しを向上させるように空気（ｎ＝１）への屈折率遷移を提供するとともに、光放射をよりいっそうランバーシアンにする。所望の放射パターンを作り出すために、半球状ドーム以外のレンズが使用されてもよい。ドーム形状は、取り出し効率を更に高めるために、ピラー４０からの実際の放射に合わせて適応され得る。
【００３８】
ピラー４０は比較的高背であり、且つシリンダ４２とピラー４０との境界面は有意な屈折率不整合を有するので、ＬＥＤダイ３０から発せられた光は、直接的にピラー４０の頂面を通過することになるか、図６に光線５１によって示すように、ピラーの側面で内部反射されて頂面を通ることになるかの何れかである。故に、サブマウント２２によって反射される必要がある側方光が低減される。従って、ピラー４０は、ＬＥＤダイ３０それ自体と同程度の幅であるので放射フィールドを狭くするように作用するとともに、サブマウント表面によって減衰される光が少ないので効率を向上させる。
【００３９】
ピラー４０の高さは、ピラー４０の頂面に入射する光線のＴＩＲが実質的に最小化されるように設計され得る。これは、正方形のダイに関して以下の設計ルール：
【００４０】
【数１】
0006574768.tif 000002
を適用することによって行われ得る。ただし、“area”はダイ面積であり、“heightpiller”はピラー高さであり、”heightsubstrate”は基板高さであり、“heightepoxy”はエポキシ高さであり、”nlens”はレンズの屈折率であり、“npillar”はピラーの屈折率である。
【００４１】
上式を適用することは、ＬＥＤダイ３０を出て行く直接光線がピラー４０の頂面（すなわち、ダイ３０から最も離れた面）でＴＩＲを受けないことを意味する。ここで、基板−エポキシ−ピラー界面で屈折が存在しないと仮定する。ダイ面積に関して１ｍｍ２、レンズに関してｎ＝１．５、ピラー及び基板３４に関してｎ＝１．８、基板３４に関して２００ミクロン、及びエポキシ接着剤（又はシリコーン）に関して１０ミクロンという典型値は、７７０ミクロンの最小ピラー４０高さをもたらす。
【００４２】
サブマウント２２での後方反射が低減されるので、大きいサブマウント反射の結果としてのＰＳＳベースのフリップチップデバイスにおけるかなり幅広の放射フィールドと比較して、放射フィールドが狭められる。故に、そのような幅狭の放射フィールドに従ってレンズ形状を更に適応させることで、更なるＥｘＥ利得を生み出すことができる。後者を達成する１つの手法は、レンズ３８のシリンダ４２高さパラメータを調節することによる。図９は、シリンダ４２高さを（ピラー４０の高さとともに）増すことによって有意な利得が得られることを示している。シミュレーション結果は、図１及び２によって例示したような最新ソリューションに対してＥｘＥが６％ほどの大きさだけ増大され得ることを指し示している。
【００４３】
図１０は、８００ミクロンのシリンダ４２高さを用いて得られる遠視野の比較を示している。線５４は、例えば図１及び２のものなどの最新のパターンドサファイア基板（ＰＳＳ）フリップチップＬＥＤデバイスのフィールド放射パターンを表している。線５６は、ランバーシアン放射パターンを表している。線５８は、本発明に従ったＬＥＤデバイスの典型的な放射パターンを表しており、このパターンは、シリンダ／ピラーの高さを変更することによって調整され得る。また、放射パターンの制御は、ドーム４６の形状によって得ることができる。
【００４４】
本発明の特定の実施形態を図示して説明したが、当業者に明らかなように、より広い観点での本発明を逸脱することなく変形及び変更が為され得るのであり、故に、添付の請求項は、その範囲内に、本発明の真の精神及び範囲に入るそのような変形及び変更の全てを包含するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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