СИД С ЧАСТИЦАМИ В ГЕРМЕТИКЕ ДЛЯ ПОВЫШЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ СВЕТА И НЕЖЕЛТОГО ЦВЕТА В ВЫКЛЮЧЕННОМ СОСТОЯНИИ

Область изобретения

Данное изобретение относится к светоизлучающим диодам (СИД) и, в частности, к технологии улучшения извлечения света (от англ. light extraction). Это изобретение также относится к обеспечению нежелтого цвета СИД в выключенном состоянии, имеющего желтоватое покрытие из люминофора.

Предпосылки изобретения

Полупроводниковый СИД, такой как СИД на нитриде галлия (GaN), имеет показатель преломления (например, n=2,2-3 для GaN), который намного больше, чем у воздуха (n = примерно 1). Путем герметизации СИД в прозрачном материале, таком как силикон (n=1,4-1,76), имеющем промежуточный показатель преломления, извлечение света значительно повышается. Герметик также защищает кристалл полупроводникового СИД. Желательно еще больше повысить извлечение света.

СИД высокой мощности сейчас обычно используют в качестве вспышек в небольших фотокамерах, включая фотокамеры сотовых телефонов. Эти СИД излучают белый свет. Такие СИД, используемые в качестве вспышек, типично представляют собой один или более излучающих синий свет кристаллов GaN СИД, покрытых слоем люминофора на основе алюмоиттриевого граната (АИГ-люминофора), который при возбуждении синим светом излучает желто-зеленый свет. Сочетание синего света, проходящего через АИГ-люминофор, и желто-зеленого света дает белый свет.

Покрытие из АИГ-люминофора на СИД выглядит желто-зеленым при белом окружающем освещении, когда СИД выключен. Такой желто-зеленый цвет, как правило, непривлекателен и обычно не сочетается с внешним видом фотокамеры. Желательно каким-то образом устранить желто-зеленый цвет вспышки в выключенном состоянии.

Сущность изобретения

В одном варианте воплощения гранулы TiO_x, ZrO_x или другого белого инертного материала-нелюминофора смешивают с практически прозрачным герметиком для СИД. Одним из подходящих герметиков является силикон. Заявителями было обнаружено, что имеющие субмикронный размер частицы инертного материала, такого как TiO₂, в герметике усиливают яркость (в люменах) СИД на GaN более чем на 5%, когда инертный материал составляет между примерно 2,5-5% (по весу) герметика. Обычно высокое процентное содержание инертного материала начинает снижать световой выход. Такое малое количество частиц в герметике давало удивительные результаты, которые превзошли все предполагаемые изобретателями результаты. Интервал содержания TiO₂ в герметике от 0,5-10% обычно увеличивает яркость, в зависимости от фактически используемого СИД. Более высокое процентное содержание начинает значительно уменьшать пропускание через герметик.

Как диоксид титана, так и диоксид циркония используются в качестве белых пигментов в красках и эмалях. Считающийся белым цвет имеет интервал цветовых температур, и на этот цвет влияет свет наблюдения. Термин «белый», который используется в этом раскрытии, относится к цвету, который для наблюдателя выглядит практически белым при солнечном свете.

Повышение света, достигнутое путем добавления частиц в герметик, происходит вне зависимости от того, покрыт ли СИД люминофором или не покрыт.

Добавление TiO₂ к герметику в некоторых экспериментах немного снижает цветовую температуру излучаемого света, когда СИД включен, что не существенно. Тем не менее, добавление TiO₂ значительно снижает (например, на две трети) отклонение цветовой температуры по всему углу излучения в 180 градусов. При фотографии это важно, так как весь объект освещается практически равномерным светом.

Кроме того, добавление TiO₂ к герметику также улучшает однородность цветовой температуры по корпусу. Это особенно важно, когда используется оптика, которая проецирует увеличенное изображение СИД, такая как при лампе-вспышке или проекторе.

Так как инертный материал (например, TiO₂ или ZrO₂) является белым, внешний вид СИД с покрытием из АИГ-люминофора становится намного более белым, когда СИД выключен, что более приятно, чем желто-зеленый цвет АИГ-люминофора.

В одном варианте воплощения в модуле СИД вспышки используется силиконовый герметик с примерно 5% по весу TiO₂, причем герметик сформирован имеющим плоскую поверхность с тем, чтобы существенно не влиять на форму излучения СИД (т.е. герметик не образует линзу). Фотокамера включает в себя линзу поверх вспышки для контроля конфигурации излучения света вспышкой. В другом варианте воплощения силиконовый герметик может быть отформован в линзу, чтобы задавать конфигурацию излучения света.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является видом в разрезе СИД вспышки согласно уровню техники, содержащего кристалл синего СИД, покрытие из АИГ-люминофора, монтажную подложку и силиконовый герметик.

Фиг.2 является видом в разрезе СИД вспышки в соответствии с вариантом воплощения изобретения, где частицы TiO₂ смешаны с герметиком.

Фиг.3 является графиком, иллюстрирующим изменение внешнего вида по цвету вспышки в ее выключенном состоянии с желто-зеленого на белый при добавлении TiO₂ в герметик.

Фиг.4 является графиком, иллюстрирующим уменьшение цветовой температуры вспышки в ее включенном состоянии при добавлении TiO₂ в герметик и уменьшение отклонения цветовой температуры по углу наблюдения.

Фиг.5 является графиком, иллюстрирующим улучшение цветовой температуры равномерно по корпусу СИД, когда к герметику добавлен TiO₂.

Фиг.6 является видом в разрезе кристалла синего СИД без покрытия из люминофора в соответствии с вариантом воплощения изобретения, где частицы TiO₂ смешаны с герметиком.

Фиг.7 является графиком выходной мощности света СИД с Фиг.5, показывающим увеличение выходной мощности с увеличением количества TiO₂ в герметике.

Фиг.8 является видом спереди фотокамеры, имеющей вспышку в соответствии с одним вариантом воплощения изобретения, где частицы TiO₂ смешаны с герметиком.

Элементы, которые являются похожими или идентичными на различных фигурах, обозначены одинаковыми номерами.

Подробное описание

Хотя изобретение может быть применено к любому типу СИД, подробно будет описан один конкретный СИД, который используется во всех примерах. Фиг.1 является видом в разрезе традиционного СИД 10 белого свечения, герметизированного силиконом.

Активный слой СИД 10 в этом примере генерирует синий свет. СИД 10 формируют на исходной подложке для выращивания, такой как сапфир, SiC или GaN. Обычно сначала выращивают n-слой 12, за ним активный слой 14, а за ним p-слой 16. P-слой 16 протравливают, обнажая часть нижележащего n-слоя 12. Затем поверх поверхности СИД формируют отражающие металлические электроды 18 (например, из серебра, алюминия или сплава) для контакта с n- и p-слоями. Может быть много распределенных электродов для более равномерного растекания тока. Когда к диоду прикладывают напряжение прямого смещения, активный слой 14 излучает свет, длина волны которого определяется составом активного слоя (например, AlInGaN). Формирование таких СИД хорошо известно и не требует более подробного описания. Дополнительные подробности формирования СИД описаны в патенте США №6828596 на имя Steigerwald и пр. и в патенте США №6876008 на имя Bhat и пр., права на которые принадлежат настоящему заявителю и которые включены сюда по ссылке.

Полупроводниковый СИД затем монтируют на монтажной подложке 22 в качестве перевернутого кристалла. Верхняя поверхность монтажной подложки 22 содержит металлические электроды, которые припаивают или приваривают ультразвуковой сваркой к металлическим электродам 18 на СИД посредством шариков припоя. Также могут быть использованы и другие типы соединения. Шарики припоя могут быть исключены, если сами электроды могут быть приварены ультразвуковой сваркой друг к другу.

Электроды монтажной подложки электрически подсоединяют с помощью межсоединений к катодной и анодной контактным площадкам 24 на нижней части монтажной подложки, так чтобы монтажную подложку можно было установить методом поверхностного монтажа на металлические контактные площадки на печатной плате, которая обычно образует часть модуля вспышки для фотокамеры. Металлические полоски на печатной плате электрически соединяют контактные площадки с источником питания. Монтажная подложка 22 может быть выполнена из любого подходящего материала, такого как керамика, кремний, алюминий и т.д. Если материал монтажной подложки является проводящим, поверх материала подложки формируют изолирующий слой, а поверх изолирующего слоя формируют металлический рисунок электродов. Монтажная подложка 22 действует в качестве механической опоры, обеспечивает электрический интерфейс между хрупкими (тонкими) n- и p-электродами и кристаллом СИД и источником питания, а также обеспечивает отвод тепла. Монтажные подложки хорошо известны.

Чтобы сделать СИД 10 имеющим низкий профиль и предотвратить поглощение света подложкой для выращивания, подложку для выращивания удаляют, например, с помощью химико-механического полирования (ХМП) или с использованием метода лазерного отслаивания, при котором лазер нагревает поверхность раздела GaN и подложки для выращивания, создавая газ высокого давления, который отталкивает эту подложку от GaN. В одном варианте воплощения удаление подложки для выращивания осуществляют после того, как на пластине монтажной подложки смонтируют матрицу СИД-диодов, и до того, как СИД-диоды/монтажные подложки разделят (например, распиливанием). Окончательная толщина полупроводниковых слоев может составлять примерно 40 микрон. Слои СИД плюс монтажная подложка могут быть примерно 0,5 мм толщиной.

Обработка полупроводниковых слоев СИД может производиться до или после того, как СИД смонтируют на монтажной подложке 22.

После того как удалена подложка для выращивания, поверх СИД формируют слой 30 люминофора для преобразования длин волн синего света, излучаемого активным слоем 14. Слой 30 люминофора может быть осажден методом распыления, центрифугирования, тонкопленочного осаждения электрофорезом, предварительно сформирован в виде керамической пластины и прикреплен к верху слоев СИД, или сформирован с использованием любой другой технологии. Слой 30 люминофора может представлять собой частицы люминофора в прозрачном или полупрозрачном связывающем, которое может быть органическим или неорганическим, или может представлять собой спеченные частицы люминофора. Свет, излучаемый слоем 30 люминофора, затем смешивается с синим светом, создает белый свет или другой желаемый цвет. В этом примере люминофор является люминофором на основе алюмоиттриевого граната (АИГ), который дает желтый свет (Ж+С=белый). Люминофор может быть любым другим люминофором или сочетанием люминофоров, таким как красный люминофор и зеленый люминофор (К+З+С=белый), чтобы создавать белый свет. Толщина слоя 30 люминофора во всех примерах может быть примерно 20 микрон.

С АИГ-люминофором (т.е. Ce:АИГ), цветовая температура белого света сильно зависит от легирующей добавки Ce в люминофоре, а также от толщины слоя 30 люминофора.

Затем поверх структуры СИД формируют силиконовый герметик 32, чтобы защитить СИД и чтобы повысить извлечение света. В одном варианте воплощения герметик наносят центрифугированием. В другом варианте воплощения герметик отливают непосредственно поверх СИД и люминофора. Если желательно использовать герметик в качестве линзы, герметик может быть отформован с использованием литейной формы.

Структура СИД согласно уровню техники с Фиг.1 используется как отправная точка, чтобы показать улучшенные характеристики структуры при применении данного изобретения.

Фиг.2 является видом в разрезе структуры СИД, которая идентична структуре с Фиг.1, но в которой с силиконовым герметиком 32 до герметизации СИД смешаны частицы 34 TiO₂. Оптимальное количество TiO₂ может варьироваться где-то между 1-10% от веса силикона в зависимости от характеристик структуры СИД. В одном варианте воплощения герметик, содержащий TiO₂, наносят центрифугированием. В другом варианте воплощения герметик, содержащий TiO₂, отливают непосредственно поверх СИД и люминофора. Если желательно использовать герметик в качестве линзы, герметик может быть отформован с использованием литейной формы.

В одном варианте воплощения средний размер частиц TiO₂ составляет 0,25 микрона, и частицы имеют случайную форму. В типичном варианте воплощения толщина силикона составляет примерно 100 микрон.

По мере того как весовое процентное содержание TiO₂ увеличивается до примерно 5%, световой выход структуры СИД увеличивается. В некоторых экспериментах световой выход уменьшался после 5%. В одном эксперименте световой выход образца был равен 90 люменам с 0% TiO₂, 96 люменам с 5% TiO₂ и 93 люменам с 7% TiO₂, с дальнейшим уменьшением светового выхода при увеличении количеств TiO₂. Цветовая температура (КЦТ) также изменялась с изменением процентного содержания TiO₂. В одном эксперименте КЦТ была равна 5815 К с 0% TiO₂, 5332 К с 5% TiO₂ и 5486 К с 7% TiO₂, свидетельствуя о том, что КЦТ была самой низкой при наиболее эффективном процентном содержании TiO₂.

В другом эксперименте световой выход образца был равен 145 люменам с 0% TiO₂, увеличиваясь до 154 люменов всего при 1% TiO₂, что составляет 6%-ое повышение светового выхода. В другом эксперименте значительное повышение светового выхода наблюдалось всего при 0,5% TiO₂. В еще одном эксперименте световой выход увеличился на 6% при 5% TiO₂. Оптимальное количество TiO₂ может быть определено эмпирически для каждого типа СИД, используемых материалов и области применения.

Фиг.3 является графиком, иллюстрирующим изменение внешнего вида по цвету структуры СИД с Фиг.2 в ее выключенном состоянии, отложенное на графике с использованием системы цветности CIE xy (версия 1931). Люминофор является АИГ-люминофором. Кривая цветности нагретого черного тела, также называемая кривой Планка, также изображена в качестве эталона, где координаты 0,32, 0,33 соответствуют цветовой температуре примерно 5500-6000 К. Цвет СИД становится обычно более желто-зеленым при совместном увеличении значений x и y в сторону значения цвета объемного люминофора 0,42, 0,54 (не нанесено на график). Когда сформировали тонкий слой люминофора (например, примерно 20 микрон) поверх кристалла СИД и герметизировали СИД чистым силиконом (толщиной примерно 100 микрон), имеющим 0% TiO₂, как изображено на Фиг.1, внешний вид СИД (например, вспышки в фотокамере) в его выключенном состоянии имеет желто-зеленый цвет, хотя и менее желто-зеленый, чем объемный люминофор. Когда герметик смешан с 5% TiO₂, вспышка практически белая. Когда герметик смешан с 7% TiO₂, вспышка еще более белая (еще менее желто-зеленая).

Хотя на момент подачи этого раскрытия изобретатели все еще анализируют причины улучшения рабочих характеристик, считается, что добавление TiO₂ к герметику как-то увеличивает показатель преломления герметика и что цвет TiO₂ (белый) приводит к тому, что внешний вид СИД/люминофора приближается к чистому белому.

Фиг.4 является графиком цветовой температуры структуры СИД с Фиг.2 при угле наблюдения от -90 градусов до +90 градусов, когда СИД включен. График иллюстрирует то, как цветовая температура (КЦТ) структуры СИД с Фиг.2 в ее включенном состоянии нелинейно меняется с количеством добавляемого TiO₂. Желаемое снижение отклонения цвета в пределах угла наблюдения минимально (примерно 150 К) для 5% TiO₂. Это выгодно для фотографии, так как вся фотографируемая область освещается вспышкой практически одинакового цвета. График с 0% TiO₂ имеет очень значительное отклонение, которое в три раза больше отклонения при использовании 5% TiO₂. Считается, что частицы TiO₂ рассеивают свет от СИД, что способствует смешиванию выходящего света, создавая более равномерные яркость и цвет в пределах поля зрения.

Вместо TiO₂ могут также быть использованы другие беловатые инертные частицы, такие как ZrO₂.

Хотя изобретение особенно желательно для использования со светодиодными (СИД) вспышками, так как одним эффектом частиц TiO₂ является обеление внешнего вида желто-зеленого АИГ-люминофора поверх кристалла СИД, изобретение также улучшает общий световой выход СИД без использования покрытия из люминофора.

Этот эффект TiO₂ в герметике также эффективно отфильтровывает значительные отклонения цвета вдоль корпуса СИД, когда угол наблюдения является нормальным к поверхности СИД. Фиг.5 является графиком, аппроксимирующим фактические экспериментальные результаты, когда измеряли цветовую температуру вдоль корпуса СИД (приблизительно 3 мм в поперечнике). Измерения были проведены на СИД, не имевшем TiO₂ в герметике, и на похожем СИД, имевшем TiO₂ в герметике. Герметик образовывал отформованную полусферическую линзу поверх СИД. СИД был синим СИД с пластиной люминофора, прикрепленной к верху кристалла СИД, причем люминофор в сочетании с проходящим через него синим светом генерировал оранжевое излучение. Пластина люминофора не закрывала края слоев СИД.

Как видно на графике с Фиг.5, рядом с левым краем СИД без TiO₂ в герметике имеет место всплеск цветовой температуры из-за непревращенного синего света, излучавшегося из края СИД. Правая сторона имеет менее резкое увеличение цветовой температуры рядом с краем СИД. Если бы этот СИД был использован в лампе-вспышке или проекторе, где оптика сильно увеличивает изображение СИД, синий свет рядом с краем был бы видимым на проецируемом изображении. В отличие от этого, как видно по измерению цветовой температуры СИД с TiO₂ в герметике, никакого значительного всплеска цветовой температуры рядом с краем СИД нет, так как TiO₂ эффективно отфильтровывает любые всплески.

Фиг.6 является видом в разрезе кристалла СИД без слоя люминофора, с частицами 34 TiO₂, смешанными с силиконовым герметиком 32. Кристалл СИД излучает синий свет. Все особенности СИД за исключением слоя люминофора аналогичны Фиг.2.

На графике с Фиг.7 обозначенные квадратиками точки данных отображают выходную мощность света (в мВт) структуры СИД с Фиг.6 в зависимости от процентного содержания TiO₂ в герметике при токе возбуждения 1000 мА. Кружки представляют собой контрольные точки данных, показывающие выходную мощность света кристалла СИД без герметика. Точка данных при 0% является оценочной; другие точки данных были измерены. Как видно, введение частиц TiO₂ в герметик поверх незакрытого кристалла СИД значительно увеличивает выходную мощность света СИД, даже когда количество TiO₂ составляет примерно 0,5%.

Фиг.8 является представлением фотокамеры 40, которая может быть фотокамерой сотового телефона, с использованием описанного здесь изобретения. Модуль 42 вспышки включает в себя три СИД 44 синего излучения, для увеличенной выходной мощности света, смонтированные на единственной монтажной подложке, которая установлена на печатной плате. Эти СИД покрывает слой АИГ-люминофора. На монтажной подложке может быть также установлена цепь защиты от статического электричества (ESD), которая закрыта люминофором. Эти СИД, люминофор и ESD-цепь герметизированы силиконом, смешанным с TiO₂, чтобы добиться описанных здесь преимуществ. Также изображен объектив 48 фотокамеры.

Испытания показали отсутствие уменьшения надежности структур СИД при добавлении инертных частиц в герметик.

Дополнительное использование частиц TiO₂ или ZrO₂ в герметике может способствовать блокированию или отражению света герметиком. При увеличении процентного содержания частиц свыше 10%, уменьшение пропускания через герметик становится очень значительным (от 90% пропускания при 0% TiO₂ до 25% пропускания при 10% TiO₂). Если процентное содержание частиц продолжает увеличиваться, герметик становится все более и более похожим на диффузный отражатель, отражая большую часть света назад в СИД и в стороны. Такой СИД с боковым (торцевым) излучением полезен в определенных областях применения, таких как задняя подсветка жидкокристаллических дисплеев (ЖКД). В одном варианте воплощения процентное содержание частиц превышает 25%, чтобы создать СИД с практически боковым излучением.

Имея подробно описанное изобретение, специалисты в данной области техники поймут, что, учитывая данное раскрытие, в изобретении могут быть проделаны модификации без отклонения от описанных здесь сути и изобретательских замыслов. Поэтому не предполагается, что объем изобретения ограничен проиллюстрированными и описанными конкретными вариантами воплощения.