JP2003524295A - 改良された電流拡散構造を有するスケーラブルled - Google Patents
改良された電流拡散構造を有するスケーラブルledInfo
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Abstract
Description
,338号の利益を主張する。
拡散構造(current spreading structure)を有するLEDに関する。
一方はp型、他方はn型の2つの向かい合ったドープされた層に挟まれた活性半
導体材料層を含む。ドープされた層の電気コンタクトを横切って駆動電流を印加
すると、ドープされた層から活性層に電子および正孔が注入される。次いで、電
子と正孔が再結合して光が発生し、光は、活性層から全方向に放射されて、LE
Dの全ての表面から出ていく。
べて低いことである。そのために、LEDの使用はたいていの場合、電子装置の
表示ランプなどの応用に限られ、このときのLEDのダイサイズは0.25mm 2 未満、光パワーは10ミリワット(mW)未満である。
クトル領域で発光し、それを使用して、白色光を含むさまざまな色の光を生み出
すことができる明るくて高効率のLEDが開発された(日亜社の白色LED、部
品番号NSPW300BS、NSPW312BS他、およびHaydenの米国特許第5959316号「
Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices」を参照されたい)。これら
の進歩が、高出力パワーおよび高光束を必要とする照明および信号への応用とし
て使用する固体発光体に結びついた。このような応用の1つが交通信号機である
。現行のLED信号機は、高い出力パワーが得られるように組み合わされた単一
LEDデバイスのアレイからなる。しかし、LEDアレイの代わりに使用できる
高出力の単一LEDデバイスがあれば、複雑さおよびコストが低減し、信頼性も
高くなろう。
発光面積を大きくすることである。しかし、窒化物ベースの従来のLEDのサイ
ズは、電気コンタクトから活性層へ電流を効果的に拡散(spread)することがで
きないことにより制限されている。窒化物ベースのp型半導体材料の導電率は比
較的低く、p型コンタクトに印加された電流は、p型層内の限られた領域にしか
拡散されない。電流は、活性層全体に移動せず、LEDは、コンタクト周囲の局
部の加熱と早期の劣化を生じることになる。
抵抗を示す。デバイスのサイズが増大するにつれ、n型コンタクトからの電流を
均一に拡散するn型材料の能力は低下する。その結果、窒化物ベースのLEDの
サイズは、p型層とn型層両方の電流拡散特性によって制限される。
ngfellow and M.G.Crawford (1997), High Brightness Light Emitting Diodes,
Semiconductors and Semimetals, Vol.48, pp.170-178を参照されたい)。この
デバイスは一般に、導電性基板上に成長させたn型エピタキシャル層と、n型層
上に成長させたLED活性領域およびp型層とを含む。p型層の表面の中央に導
電性コンタクトが堆積され、エピタキシャル層とは反対側の導電性基板上に導電
性コンタクトパッドが堆積されている。p型コンタクトからの電流は、p型層の
中央から縁に向かって拡散し、活性層に達する。基板は、エピタキシャル層に比
べて非常に厚く、その結果、活性領域に拡散する全電流は、p型コンタクトによ
って与えられる拡散によって制限される。この基本構造は、小さなLED(約0
.25mm2)には有効だが、より大きなLEDにスケーリングすることはでき
ない。LEDサイズのスケーリングを容易にするためには、LEDに変更を加え
なければならない。
stance)を小さくし、電流がLEDの縁まで拡散するようにする。この方法は、
LEDの面積を増大させるのには有効だが、p型層の厚さを際限なく増大させる
ことはできないので、LEDのスケーリングは事実上制限される。さらに、Ga
NベースのLEDシステムでは、p型材料の導電率が非常に低く、この方法は実
用的ではない。
表面の縁に向かって薄い放射状の導電性フィンガを走らせる。コンタクトに印加
された電流は、導電性フィンガおよびその下のp型面に広がる。この方法は1つ
の改良ではあるものの、LEDを大きなサイズに自由にスケーリングできるわけ
ではない。サイズが増大するにつれて、放射状フィンガの端部の距離が増大し、
ついにはこの距離が、p型層全体に電流が拡散するのを妨げるようになる。この
構造は、絶縁基板上に製作されたLEDでは使用することができない。
物ベースのLEDにおける電流拡散を改善する構造が開示されている。この構造
は、絶縁基板上のLED構造を含み、基板に隣接するn型層と、エピタキシャル
層表面のp型層とがある。基板が絶縁基板であるので、コンタクトパッドを使用
して、基板を介してn型層まで電流を拡散することはできない。その代わりに、
LED構造の角を、p型層、活性層およびn型層の途中までエッチングする。エ
ッチングした領域にコンタクトを堆積し、コンタクトに印加された電流が、相対
的に導電性のn型材料を通って拡散する。p型層全体に電流を拡散するため、半
透過(semi-transparent)な電流拡散層をp型層上に堆積させる。p型コンタク
トは、拡散層上のn型コンタクトとは反対側の角に堆積される。p型コンタクト
に印加された電流は、拡散層を通ってその下のp型層に広がる。
サイズよりも大きなLEDで電流を効率的に拡散することはできない。p型層は
LEDの表面であるので、拡散層は、放射された光を吸収しないようにできるだ
け薄くしなければならない。しかし、拡散層を薄くすればするほど、そのシート
抵抗(sheet resistance)は大きくなる。LEDのサイズが増大するにつれ、増
大したシート抵抗が、p型層全体にわたって電流が十分に拡散するのを妨げる。
半透過の金属材料を使用し、および/またはその厚さを厚くすることによって、
拡散層のシート抵抗を小さくすることができる。しかしこのような変更は、透過
度を下げ、光吸収を増大させ、LEDの光出力を減らすことになろう。
散および均一な光出力を妨げる。拡散抵抗を小さくするためには、デバイスサイ
ズの増大につれてn型層の厚さを厚くすればよい。しかし、これによって必要な
材料およびプロセス時間が大幅に増大する。これらの増大はともに、とてつもな
く大きなコスト増をもたらす可能性がある。
良されたLEDは、標準サイズとすることができ、またはより大きなサイズにス
ケーリングして、パワー出力および光束を増大させることができる。新しい電流
拡散構造は、小型LEDと大型LEDの両方でp型およびn型層内における電流
拡散を改善する。その結果、LEDの活性層への正孔および電子の注入が向上し
、これにより発光効率が高まり、直列抵抗および加熱が低減する。
にp型層とn型層の間にエピタキシャル成長させた活性層を有するLEDコアを
含む。LEDコアに隣接して第1の電流スプレッダ(spreader)層が含まれる。
LEDコアを通してスプレッダ層に達する少なくとも1つの溝が形成され、この
溝の中の前記第1のスプレッダ層上に、少なくとも1つの第1の導電性フィンガ
を有する第1のコンタクトがある。電流は、第1のコンタクトから、導電性フィ
ンガ、第1のスプレッダ層およびLEDコアに流れる。第1の導電性層とは反対
側のLEDコア上に、少なくとも1つの第2の導電性フィンガを有する第2のコ
ンタクトが含まれ、電流は、第2のコンタクトから、第2のフィンガおよびLE
Dコアに流れる。
のスプレッダ層を含むことができる。第2のスプレッダ層は、第2のコンタクト
/フィンガとLEDコアの間に配置される。スプレッダ層は、隣接するLEDコ
ア層よりも導電性が高く、これによって電流は、第2のコンタクト/フィンガか
ら第2のスプレッダ層およびLEDコア全体に、より自由に流れることができる
。
であり、第1のスプレッダ層を基板上に成長させて、基板とLEDコアの間に挟
まれるようにする。第1のスプレッダ層とは反対側のLEDコアの表面に透過ま
たは半透過の第2のスプレッダ層が堆積され、第2のスプレッダ層上に第2のコ
ンタクトおよびそのフィンガが形成される。
Dの活性層中への正孔および電子の注入が向上するように配置される。コンタク
トを横切ってバイアスを印加し、各コンタクトから各々の導電性フィンガを通っ
て電流を拡散する。隣接する第1のフィンガと第2のフィンガの間の距離は、ほ
ぼ均一に保たれ、電流がLEDコアを横切って効果的に拡散する程度に十分に小
さい。これは、LEDコアの活性層への均一な電流注入を提供する。新しい電流
拡散構造を使用して、新しいLEDを、隣接するフィンガ間の同じ電流拡散関係
を維持しながら、従来のLEDよりもずっと大きいサイズにスケーリングするこ
とができる。
の大部分を光の放射のために残す。その結果、フィンガに厚い低抵抗の金属を使
用して、効率的な電流拡散経路を提供することができる。これらのフィンガは、
また、第2のスプレッダ層に電流が拡散しなければならない距離を短くする。そ
のため、電流拡散層の厚さを薄くすることができ、これによって放射された光の
吸収が低減する。さらに、LEDコアへ電流を拡散するための第2のスプレッダ
層上に1または複数のフィンガを提供することによって、LEDのサイズが増大
しても、第2のスプレッダ層の厚さを厚くする必要がなくなる。これによって、
厚いエピタキシャル層に関連した長いプロセス時間およびコストの増大が回避さ
れる。
れる。これは、新しい構造が、基板の種類とは無関係にほぼ均一な電流注入を提
供するためである。この構造では、エピタキシャル層の構成を逆にすることもで
きる。すなわち、p型層を第1のスプレッダの次の層とし、n型層をエピタキシ
ャル面に置くことができる。電流拡散構成は変更しなくてよい。本発明は、デバ
イスサイズの増大につれてフィンガの数を増やすことによって、十分にスケーラ
ブルなデバイスを提供する。
の図面を参照して、当業者が以下の詳細な説明を読むことによって明らかとなろ
う。
構成された新しいLEDのさまざまな実施形態を示す。これらの新しい構造は、
任意の半導体材料システムから形成されたLEDで使用することができるが、炭
化ケイ素(SiC)、サファイアなどの基板上に製作されたIII族窒化物ベー
スのLEDに特に適用可能である。SiCは、GaNなどのIII族窒化物に非
常に近い結晶格子の整合を有し、高品質のIII族窒化膜が得られる。炭化ケイ
素は、さらに非常に高い熱伝導率を有し、そのため、炭化ケイ素上のIII族窒
化物デバイスの総出力パワーが、基板の熱放射によって制限されない(サファイ
ア上に形成したいくつかのデバイスについても同様である)。SiC基板は、Du
rham, North CarolinaのCree Research社から入手可能であり、SiC基板を生
産する方法は、科学文献、ならびに米国特許第RE34861号、494654
7号および5200022号に記載されている。
レッダ層を表す導電層11を有する新しい正方形LED10を示す。コア13は
、エピタキシャル成長させた導電層15と16の間に挟まれたエピタキシャル成
長させた活性層14を含む。n型またはp型に関して、導電層15はスプレッダ
11と同じ型であり、導電層16はスプレッダ11とは反対の型である。好まし
い実施形態では、層15がn型、層16がp型、第1のスプレッダ層がn型であ
る。
ーピング濃度を有する。好ましいドーピング濃度は、1×1021cm-3から1×
1015cm-3であり、好ましい厚さは0.2μmから100μmである。層11
、14、15、16は、MOCVDリアクタにおける成長など従来の方法によっ
て、またはVPE、MOCVDなどの成長技法を組み合わせることによって基板
12上に製造することができる。
電層16全体および活性層14中への電流の拡散を容易にする。この層18は、
導電層16と同じドーピング型で、第1のスプレッダ11と同様の厚さおよびド
ーピング濃度を有するMOCVD成長させた半導体とすることができる。第2の
スプレッダ18は、透過または半透過の導電性材料から形成することもできる。
好ましい材料は、総厚が1nmから50nmの薄い金属または薄い金属の組合せ
、あるいはこれらよりも厚くできるITOなどの透過導体である。
bを有する第2のコンタクト19が堆積されている。第2のコンタクトおよびフ
ィンガは、導電層の3つの縁に隣接して延び、コンタクト19とは反対側の縁の
手前で止まるU字形の経路を形成している。フィンガ20aおよび20bの外側
の境界は、導電層16の縁まで延ばすことができ、または導電層16の縁からい
くぶん後退させて、フィンガ20aと20bの間に第2のスプレッダ18の小領
域が見えるようにすることもできる。
1の表面に、第1のコンタクト21および第1の導電性フィンガ22が堆積され
ている。この表面にある領域を確保するため、LEDコアのセクションが第1の
スプレッダ11までエッチングされ、LEDコアを貫通した溝/チャネル23が
形成されている。溝の中の第1のスプレッダ上には、第1のコンタクト21およ
びフィンガ22が堆積されている。
を使用してエッチングすることができる。導電層18、コンタクト19、21お
よびコンタクトのフィンガは、蒸着、スパッタリング、電気めっきなど、従来の
多くの方法によって堆積させることができる。
1からの電流は、そのフィンガ22に沿って第1の導電性スプレッダ11に拡散
する。電流は、第1のスプレッダ11全体に拡散し、キャリアは、層15を通し
てLED活性領域14にほぼ均一に注入される。電流は、コンタクト19からフ
ィンガ20aおよび20bに拡散し、次いで第2のスプレッダ層18全体に広が
る。キャリアは、層16を通してLED活性領域14にほぼ均一に注入される。
電子と正孔は、活性層14で再結合して、ほぼ均一で非常に効率的な発光を行う
。
をとることができる。図1〜3は、標準サイズ(約0.25mm2)とすること
ができ、あるいは標準サイズよりも小さくまたは大きくすることもできる正方形
LEDを示す。LED10のサイズが増大するにつれ、導電性フィンガ間の距離
も増大する。LEDのサイズは、電流がフィンガから拡散し、活性層に均一な注
入を提供することをできるかどうかによって制限される。
ガの幅は0.1〜30ミクロン、好ましくは2〜10ミクロンである。フィンガ
の幅を広くしたほうが電流を効果的に拡散することができるが、p型層16から
放射された光をより多くブロックし、または吸収してしまう。第1のフィンガの
幅は、0.1〜30ミクロンとすることができる。フィンガの幅を広くすると、
LED構造の多くは、エピタキシャル層までエッチングする必要が生じ、光を発
することができる活性層の量が低減する。第1のフィンガと第2のフィンガの距
離は、5〜500ミクロンとすることができる。距離が短いほど電流拡散層内の
電流拡散は良好になるが、光を吸収するフィンガによってより大きな面積が覆わ
れることになる。フィンガの厚さは0.05〜3ミクロンとすることができる。
フィンガが厚いほど直列抵抗は小さくなるが、製造により多くの時間とコストが
かかる。
よびそれらの導電性フィンガ20a、20b、22は、直列抵抗の小さい導電材
料から作られる。コンタクトからフィンガに流れる電流は、小さな拡散抵抗を流
れ、電流を分配する効率的な経路を提供する。さらに電流は、第2のスプレッダ
層18に十分に拡散するのに、電流拡散コンタクト19およびそのフィンガ20
a、20bからはるかに短い距離を広がればよい。その結果、電流拡散層の厚さ
を薄くすることができ、これによって光の吸収を低減させることができ、第2の
スプレッダ18に半透過材料を使用した場合には光出力が増大する。p型層16
への十分な電流拡散および活性層14への均一な注入が維持される。エピタキシ
ャルと電流拡散フィンガとの距離は、ほぼ均一でなければならず、各々のドープ
された層および活性層14への均一な電流拡散を保証する。
光の一部を吸収する。また、LEDコアをエッチングして溝23を作ることによ
って、発光に寄与することができるLEDコアのサイズが小さくなる。しかし、
活性層14への均一な電流の注入は、これらの欠点を克服し、その結果、全体的
な効率が向上したLEDが得られる。実際、溝23は、全体的な光出力を向上さ
せる可能性がある。これは、光が、LEDの活性層15から全方向に放射される
ためである。平坦な表面を有するLEDでは、ある割合の光がLEDの表面で反
射され、完全な内部反射となる。最終的には光は吸収されるか、またはLEDの
側面から外部に逃れ出る。LED構造をエッチングして1または複数の溝を提供
することによって、LEDの内部で反射した光が溝に達し、逃れ出る機会が増大
する。これによって、光が吸収されることなく外部に現れ、照明に寄与する確率
が高まる。
を示す。このLEDは、同じ基板12および第1のスプレッダ層11を有する。
また、LEDは、同様のLEDコア41、およびLEDコアの導電層43上に堆
積させた第2のスプレッダ層42を有する。
ダ層11の縁から電流を拡散し、第2のコンタクトおよびフィンガが第2のスプ
レッダ層42の中央から電流を拡散する。LEDコア41は、LEDの周囲のう
ち3辺が第1のスプレッダ層11までエッチングされている。第1のスプレッダ
層11において中間の辺の中点のところに第1のコンタクト44が堆積されてい
る。第1のスプレッダ層11には第1のフィンガ45aおよび45bが堆積され
ており、エッチングされた縁に沿って第1のコンタクト44から反対方向に走っ
ている。電流は、第1のコンタクト44からそのフィンガ45aおよび45bを
通って、第1のスプレッダ層の周辺部に拡散する。第2のスプレッダ層42にお
いて第1のコンタクト44とは反対側の縁には、第2のコンタクト46が堆積さ
れている。第2のコンタクト46は、第2のスプレッダ層に堆積された1つの導
電性フィンガ47を有し、コンタクト46からエピタキシャル層コンタクト44
の方向にLEDの中心線の大部分に沿って走る。
ト44および46から、直列抵抗の小さいそれぞれの導電性フィンガを通して拡
散する。第1のコンタクト44およびそのフィンガ45aおよび45bからの電
流は、第1のスプレッダ層11を通ってLEDコア41まで拡散する。第2のコ
ンタクト46およびそのフィンガ47からの電流は、第2のスプレッダ層42お
よびLEDコア41に拡散する。LED10と全く同様に、LEDコア41全体
をカバーするために、フィンガ47から第2のスプレッダ層42を通って電流が
拡散すべき距離は、短縮される。その結果、第2のスプレッダ層42の厚さを薄
くすることができ、これによって光の吸収が低減する。第2のフィンガ47と第
1のフィンガ45aおよび45bとの距離は、両者がオーバーラップした区間で
ほぼ均一であり、その結果、LEDコアの活性層50への電流注入がより均一に
なる。
された電流の拡散が維持されることである。図6に、図1、2および3のLED
10と同様の電流拡散構造を有する新しいLED60を示す。LED60は、基
板、第1のスプレッダ層、LEDコア(以上は図6では見ることができない)、
および第2のスプレッダ層61を有する。これらは全てLED10のものと同様
である。LEDコアの一部は、第1のスプレッダ層までエッチングされ、そこに
nコンタクト62およびフィンガ63が堆積されている。第2のスプレッダ層6
1には、第2のコンタクト64およびその導電性フィンガ65a、65bも堆積
されており、フィンガはLEDの周辺に沿って走っている。
長された長方形の形状を有する。第1のフィンガ63および第2のフィンガ65
a、65bの長さを、辺66および67の長さの延長分と同じだけ延長すること
によって、改良された電流拡散は、維持される。第1のフィンガ63と第2のフ
ィンガ65a、65bとの距離は、両者がオーバーラップした区間で均一に維持
する。LEDコア全体をカバーするために第2のフィンガ65aおよび65bか
ら電流拡散層61を通って電流が拡散すべき距離も依然として一定である。同様
に、第1のフィンガ63から第1のスプレッダ層を通って電流が拡散すべき距離
も依然として一定である。辺66および67の長さをさらに長くする場合には、
フィンガ間の電流関係を維持するためにフィンガの長さも長くしなければならな
い。
できる。これらのデバイスでも同様に、長方形LED内の電流の拡散を均一にす
るために、電流拡散構造中のフィンガの長さを長くしなければならない。
逸させることである。LED60の内部で発生した熱は、より短い距離を伝わっ
てその辺の1つに到達し散逸することができる。
する。この層は、普通n型エピタキシャル層であり、電流がコンタクトから第1
のスプレッダ層を通って拡散する従来のLEDでは、LEDサイズの増大は、第
1のスプレッダ層の厚さを厚くして、その直列抵抗を小さくすることを要求する
。第1のコンタクトから1または複数の第1の導電性フィンガを通って電流を拡
散することによって、直列抵抗の増大が回避される。第1のスプレッダ層の厚さ
を同じにすることができ、潜在的なプロセス時間およびコストの増大が回避され
る。
の方法は、LEDの面積を大きくするごとにフィンガの数を増やす方法である。
図7に、図1〜5に示したLED10および40よりも大きな表面積を有するL
ED70を示す。LED70は、同様の基板、第1のスプレッダ層、LEDコア
(以上は図7では見ることができない)、および第2のスプレッダ層71を有す
る。表面積を大きくするにつれて第1および第2のフィンガの数を増やし、一方
で、隣接するフィンガ間の均一な距離を維持する。
ズを有することができる。好ましい第2のコンタクト73は円形であり、LED
の縁の1つに近く、第2のスプレッダ層71に堆積される。導電性枝路74の2
つの部分は、第2のスプレッダ層71の上を、隣接するLEDの縁に平行にコン
タクト73から互いに反対方向に走っている。多数の導電性フィンガ75は、第
2のスプレッダ層71の上を枝路74から直角に延びている。LEDコアをエッ
チングして、第1のコンタクト72に対して第1のスプレッダ層に領域を提供し
、第1のフィンガ76に対して溝を提供する。好ましい第1のコンタクト72は
正方形であり、第1のスプレッダ上の、pコンタクト73とは反対側の縁の中央
に堆積される。LEDの縁に沿って第1のコンタクト72から枝路72bが延び
ている。枝路72bから枝路74に向かって直角にフィンガ76が延びている。
第2のフィンガと第1のフィンガ75、76の距離はほぼ均一に維持され、LE
Dの活性層へのほぼ均一な注入を提供できる程度に十分に小さい。したがって、
たとえ標準サイズのLEDより大きくても、LED70は、上記の実施形態と同
じ電流拡散の利点を享受する。
いLED80の他の実施形態を示す。LED80は、基板から第2のスプレッダ
層まで上記の実施形態と同じ層構造を有する。第2のスプレッダ層82において
LEDの角に、円形の第2のコンタクト81が堆積されている。第2のスプレッ
ダ層には導電性枝路83も堆積されており、コンタクト81からLED表面の2
辺に沿って走っている。第2のスプレッダ層82において、枝路83からLED
80を斜めに横切って、ジクザグ形の第2の導電性フィンガ84が走っている。
フィンガ84は、枝路83から直角に突き出し、次いで、LED80を横切るに
したがい交互に直角に曲がっている。フィンガが短いほど直角に曲がる回数は少
ない。
、その枝路86およびそのジグザグ形のフィンガ87に対する溝を提供する。第
1のコンタクト85は、第1のスプレッダ層上の、第2のコンタクト81とは反
対側のLEDの角に堆積される。導電性枝路86が第1のスプレッダ層に堆積さ
れ、電流拡散層枝路83がカバーしていない残りの2辺に沿って第1のコンタク
ト85からLED80の周辺に沿って走る。電流拡散層フィンガ84と同じ形状
を有する第1のジクザグ形フィンガ87が、第1のスプレッダ層のフィンガ84
に堆積され、第1のフィンガと第2のフィンガとの距離は、両者がオーバーラッ
プする区間でほぼ均一である。この概念に対する代替実施形態では、曲線状のフ
ィンガを使用して、直角ではなく丸みを帯びたコーナを有するジクザグ形のパタ
ーンを生成することもできる。
り薄い電流拡散層を使用できることを含む、上記の実施形態の電流拡散に関する
利点を全て有する。LED構造にエッチングされた第1のフィンガ87に対する
ジクザグ形の溝は、LED80から放射される光の割合を高める働きもする。溝
の縁は、上記の実施形態よりも変化に富み、これによって内面反射光が外部に漏
れ、LEDの発光に寄与する可能性が増大する。
の長方形実施形態を示す。第2のスプレッダ層92の中央に第2のコンタクト9
1が堆積されており、導電性枝路93の2つの部分が、コンタクト91からLE
Dの縦の中心線に沿って第2のスプレッダ層を反対方向に走っている。多数の導
電性フィンガ94は、枝路93の両側からLEDの縁に向かって直角に突き出し
ている。LEDの第1のスプレッダ層に電流を拡散するため、LED構造は、周
辺が第1のスプレッダ層までエッチングされている。第1のスプレッダ層のLE
Dの縁には、第1のコンタクト95が堆積されている。第1のスプレッダ層のL
EDの周辺全体に、第1の枝路96が堆積され、コンタクト95から続く連続し
た導電性ループを提供する。LED構造の第2のフィンガ94の間に溝がエッチ
ングされ、周辺から枝路93に向かって直角にエッチングされている。溝の中の
第1のスプレッダ層には、第1のフィンガ97が堆積されており、第1の枝路9
6から延びる導電性経路を提供する。隣接する第1のフィンガと第2のフィンガ
との距離は、両者がオーバーラップする区間でほぼ均一であり、この実施形態は
、上記の実施形態と同じ電流拡散に関する利点を有する。
施形態を示す。LEDの第2のスプレッダ層112の中央に、第2のコンタクト
111が堆積されている。導電性フィンガ113は、第2のスプレッダ層112
上をコンタクト111からLEDの縁に向かって放射状に延びている。フィンガ
113の起点間の距離は均一である。コンタクト111から放射状に外側へ延び
るにつれて、隣接するフィンガ間の距離は広がる。この距離が大きくなりすぎて
、第2のスプレッダ層112に効果的に電流を拡散することができなくなると、
フィンガ113は、2本のフィンガ114に分かれる。
クト115およびその周辺枝路116を提供する。LEDは、さらにエッチング
されて、第2のフィンガ113の間を、第2のコンタクト111の方向へ延びる
導電性経路を形成する第1のフィンガ117を提供する。フィンガ114の分割
セクションが十分に長い場合には、第1のフィンガは、セクションとセクション
の間に含まれる。
変化する。しかしこの距離は依然として、LED110が以前の実施形態と同じ
電流拡散の利点を有することができる程度には十分に均一である。この実施形態
は、より大きなサイズにスケーリングすることができる。表面積を大きくするに
つれ、第2のフィンガをさらに分割することができ、これらの分割セクションの
間には別の第1のフィンガが含まれる。
することもできる。図12に、透過基板123に成長させたLED120を示す
。LED120は、図4のLED40と同様の構造を有する。LED120は、
第1のスプレッダ層126上のLEDコア130、および第1のスプレッダ層と
は反対側のLEDコアにおける第2のスプレッダ層124を含む。LEDは、結
合媒体121の使用によってサブマウント122に装着されている。結合媒体1
21は、第2のスプレッダ124(図12に示す)または第2のスプレッダ上の
コンタクトパッドを、サブマウントと結合媒体121との間にある導電層の第1
のセクション127に接続する。導電層127に印加されたバイアスによって、
電流は、第2のスプレッダ124およびLEDの活性領域に送られる。さらに、
導電層の第2のセクション128(またはコンタクト)が、サブマウント上にあ
り、第2の結合媒体125が、第1のスプレッダ126上の第1のコンタクト1
29を導電層128に接続する。導電層128に印加されたバイアスによって、
電流を第1のコンタクト129に送り、第1のコンタクト129は、この電流を
、第1のフィンガ131を通って第1のスプレッダ126に送る。第1のフィン
ガは、第1のスプレッダ層の周辺に配置されている。導電層127と128は、
サブマウント122によって電気的に分離されており、LEDパッケージの接続
ポイントの働きをする。
ブマウント122に効果的に伝達されるため、LEDが、より良好な放熱性(he
at sinking)を有することである。サブマウントは高い熱伝導率を有することが
でき、LEDチップ基板123よりも表面積が大きい。さらに、第2のスプレッ
ダ層124に対して半透過層を使用する場合には、フリップチップ図形によって
、反射器を半透過層と一体化して、第2のスプレッダ124の全体的な光損失を
低減し、基板123に向かって光を反射させることができる。
びフィンガは放射された光を一切吸収しない。第2のコンタクトおよびフィンガ
の厚さを厚くして、放射された光を吸収する恐れなしに直列抵抗を小さくするこ
とができる。また、反射面が導電性である場合には、結合媒体121を反射器の
表面全体に取り付けることができ、構造全体の熱伝導度を増大させることができ
る。
基板上に成長させることができる。炭化ケイ素などの導電性基板上に形成された
LEDでは、通常コンタクトは、エピタキシャル層とは反対側の導電性基板の表
面に直接に堆積される。コンタクトパッドに印加された電流は、基板を通してn
型層に拡散し、n型層は、活性層へのほぼ均一な電子の注入を提供する。あるい
は、先に記載したのと同様のやり方で、LEDコアをエッチングし、必要ならば
エッチングを導電性基板まで進めることもできる。基板が導電性基板である場合
には、基板を第1のスプレッダの一部と考えることができる。
用することによって、ダイオードの直列抵抗を小さくすることができる。第1に
、基板とは反対側の第2のスプレッダに対して最適な材料を使用することができ
るので、接触抵抗を小さくすることができる。第2に、基板に接触するのに比べ
て、活性領域に到達するまでに電流が移動しなければならない距離は、はるかに
短く、多くの並行経路を有し、直列抵抗はさらに小さくなる。材料およびコンタ
クトの詳細は、どの方法が抵抗を最も低くするかを決定する。
成も可能である。導電性フィンガは、多くの異なる形状およびパターンを有する
ことができ、LED層にさまざまな方法で堆積させることができる。したがって
、上記の請求項の趣旨および範囲は、それに含まれる好ましいバージョンに限定
されるものではない。
を含む、新しい電流拡散構造を有する標準サイズの新しいLEDの透視図である
。
形LEDの平面図である。
EDの平面図である。
ある。
上のフィンガと協働する、枝路およびフィンガを有する新しいLEDの平面図で
ある。
EDの平面図である。
る。
Claims (31)
- 【請求項1】 改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオー
ド(LED)であって、 エピタキシャル成長させたp型層(16)、 エピタキシャル成長させたn型層(15)、および 前記p型層とn型層(16、15)の間に設けられたエピタキシャル成長さ
せた活性層(14) を有するLEDコア(13)と、 前記LEDコア(13)に隣接した第1のスプレッダ層(11)と、 前記LEDコア(13)を通して前記第1のスプレッダ層(11)に達する少
なくとも1つの溝(23)と、 前記少なくとも1つの溝(23)の中の前記第1のスプレッダ層(11)の上
に少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)を有する第1のコンタクト(
21)であって、前記第1のコンタクト(21)から、前記少なくとも1つの第
1の導電性フィンガ(22)、前記第1のスプレッダ層(11)および前記LE
Dコア(13)に電流が流れるようにした第1のコンタクト(21)と、 前記第1のスプレッダ層(11)とは反対側の前記LEDコア(13)の上に
少なくとも1つの第2の導電性フィンガ(20a、20b)を有する第2のコン
タクト(19)であって、前記第2のコンタクト(19)から、前記少なくとも
1つの第2の導電性フィンガ(20a、20b)および前記LEDコア(13)
に電流が流れるようにした第2のコンタクト(19)と を備えたことを特徴とするスケーラブルLED。 - 【請求項2】 前記第1のスプレッダ層(11)は、n型エピタキシャル層
であることを特徴とする請求項1に記載のLED。 - 【請求項3】 前記n型層(15)は、前記第1のスプレッダ層(11)に
隣接していることを特徴とする請求項1に記載のLED。 - 【請求項4】 前記第2のコンタクト(19)および前記少なくとも1つの
第2の導電性フィンガ(20a、20b)は、前記p型層上にあることを特徴と
する請求項1に記載のLED。 - 【請求項5】 前記少なくとも1つの第2の導電性フィンガ(20a、20
b)および前記少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)は、それらの長
さの一部分について概ね平行であることを特徴とする請求項1に記載のLED。 - 【請求項6】 前記少なくとも1つの第2の導電性フィンガ(20a、20
b)および前記少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)は、それらの長
さの一部分について、およそ互いに均一な距離にあり、前記LEDコア(13)
に均一な電流注入を行うことを特徴とする請求項1に記載のLED。 - 【請求項7】 前記第1のスプレッダ層(11)に隣接し、前記LEDコア
(13)とは反対側に設けた基板(12)をさらに備えたことを特徴とする請求
項1に記載のLED。 - 【請求項8】 前記基板(12)は、導電性基板であることを特徴とする請
求項7に記載のLED。 - 【請求項9】 前記第1のスプレッダ層(11)とは反対側の前記LEDコ
ア(13)に第2のスプレッダ層(18)をさらに備え、前記第2のコンタクト
(19)および前記少なくとも1つの導電性フィンガ(20a、20b)は、前
記第2のスプレッダ層(18)に堆積され、前記コンタクト(19)に印加され
た電流が、前記少なくとも1つの導電性フィンガ(20a、20b)に拡散し、
前記第2のスプレッダ層(18)を通じて、前記LEDコア(13)に拡散する
ことを特徴とする請求項1に記載のLED。 - 【請求項10】 前記第2のスプレッダ層(18)は、透過導体であること
を特徴とする請求項9に記載のLED。 - 【請求項11】 1つの前記第1の導電性フィンガ(22)を含み、前記第
2のコンタクト(19)および少なくとも1つの導電性フィンガ(20a、20
b)は、概ねU字形の導電性経路を形成し、前記第1のコンタクト(21)およ
び前記第1の導電性フィンガ(22)が、前記U字形経路内に細長い導電性経路
を形成していることを特徴とする請求項9に記載のLED。 - 【請求項12】 1つの前記第2の導電性フィンガ(47)を含み、前記第
1のコンタクト(44)および少なくとも1つの導電性フィンガ(45a、45
b)は、概ねU字形の導電性経路を形成し、前記第2のコンタクト(46)およ
び前記第2の導電性フィンガ(47)が、前記U字形経路内に細長い導電性経路
を形成していることを特徴とする請求項9に記載のLED。 - 【請求項13】 複数の前記第1および第2の導電性フィンガ(76、75
)と、前記LEDの一つの縁に近い前記第2のコンタクト(73)と、反対側の
縁に近い前記第1のコンタクト(72)とを含み、前記第2の導電性フィンガ(
75)が、前記第2のコンタクト(73)から前記反対側の縁に向けて複数の導
電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(76)が、前記第1のコンタクト(7
2)から前記第2のコンタクト(73)に向けて、前記第2の導電性フィンガ(
75)間に櫛形に交互に並ぶ複数の導電性経路を形成していることを特徴とする
請求項9に記載のLED。 - 【請求項14】 前記第2のコンタクト(111)は、前記電流拡散層(1
12)の中央近くに位置し、前記第2の導電性フィンガ(113、114)は、
前記第2のコンタクト(111)から前記LEDの縁に向けて導電性経路を形成
し、前記第1の導電性フィンガ(117)は、前記第1のコンタクト(115)
から前記第2のコンタクト(111)に向けて、前記第2の導電性フィンガ(1
13、114)間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とす
る請求項9に記載のLED。 - 【請求項15】 前記第2のコンタクト(91)は、前記電流拡散層(92
)の中央に位置し、前記コンタクト(91)から前記LEDの中心線に沿ってそ
れぞれ反対方向に延びる導電性経路を形成する2つの導電性枝路(93)をさら
に備え、前記第2の導電性フィンガ(94)が、前記枝路(93)に概ね直角な
導電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(97)が、前記第1のコンタクト(
95)および前記LEDの縁から前記枝路(93)に向けて、前記第2のフィン
ガ(94)間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請
求項9に記載のLED。 - 【請求項16】 複数の前記第1および第2の導電性フィンガ(84、87
)を含み、前記第2のフィンガ(84)は、前記第2のコンタクト(81)から
延びる概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(87
)は、前記第1のコンタクト(85)から延び、前記第2のジクザグ形フィンガ
(84)の間に櫛形に交互に並ぶ概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成して
いることを特徴とする請求項9に記載のLED。 - 【請求項17】 フリップチップ実装を使用し、改良された電流拡散構造を
有するスケーラブル発光ダイオード(LED)であって、 エピタキシャル成長させたp型層、 エピタキシャル成長させたn型層、および 前記p型層とn型層の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層 を有するLEDコア(130)と、 前記LEDコア(130)に隣接した第1のスプレッダ層(126)と、 前記LEDコアを通して前記第1のスプレッダ層(126)に達する少なくと
も1つの溝と、 前記少なくとも1つの溝の中の前記第1のスプレッダ層(126)の上に少な
くとも1つの第1の導電性フィンガ(131)を有する第1のコンタクト(12
9)であって、前記第1のコンタクト(129)から、前記少なくとも1つの第
1の導電性フィンガ(131)、前記第1のスプレッダ層(126)および前記
LEDコア(130)に電流が流れるようにした第1のコンタクト(129)と
、 前記LEDコア(130)に隣接し、前記第1のスプレッダ(126)とは反
対側に設けた第2のスプレッダ層(124)と、 2つの個別のセクション(127、128)を有する導電層であって、該導電
層の第1のセクション(127)を前記第2のスプレッダに結合した導電層(1
27、128)と、 前記導電層の前記第1のセクション(127)に隣接し、前記第2のスプレッ
ダ(124)とは反対側に設けたサブマウント(122)であって、前記導電層
の第2のセクション(128)も前記サブマウント(122)に隣接するように
したサブマウント(122)とを備え、前記LEDは、前記第2のセクション(
128)と前記コンタクト(129)との間に導電材料(125)をさらに備え
、前記導電層の第1および第2のセクション(127、128)に印加されたバ
イアスによって前記LEDコア(130)を発光させるようにしたことを特徴と
するスケーラブルLED。 - 【請求項18】 前記第1のスプレッダ層(126)に隣接し、前記LED
コア(130)とは反対側に設けた基板(123)をさらに備えたことを特徴と
する請求項17に記載のLED。 - 【請求項19】 前記基板(123)は、透過または半透過基板から作られ
ており、前記LEDコア(130)によって生成された光の主放射面であること
を特徴とする請求項18に記載のLED。 - 【請求項20】 前記第2のスプレッダ(124)層は、半透過材料から作
られており、LEDコア(130)からの光を前記基板(123)に向けて反射
する反射器をさらに備えたことを特徴とする請求項17に記載のLED。 - 【請求項21】 前記導電層の第1のセクションと前記第2のスプレッダと
の間に結合媒体(121)をさらに備え、前記導電材料(125)が結合媒体を
備えたことを特徴とする請求項17に記載のLED。 - 【請求項22】 電流拡散構造を有する半導体LEDであって、 不純物をドープした2以上の隣接する層(11、14、15、16)と、 前記層(11、14、15、16)のうち1または複数の層を通してエッチン
グされ、前記層(11、14、15、16)の1つの上または内部に表面を露出
する少なくとも1つの溝(23)と、 前記少なくとも1つの溝(23)の中の前記露出した面の上に少なくとも1つ
の第1の導電性フィンガ(22)を有する第1のコンタクト(21)であって、
前記コンタクト(21)から、前記少なくとも1つの第1のフィンガ(22)お
よび前記露出した面を有する前記層(11、14、15、16)に電流が流れる
ようにした第1のコンタクト(21)と、 前記隣接する層(11、14、15、16)の表面の上に少なくとも1つの第
2の導電性フィンガ(20a、20b)を有する第2のコンタクト(19)であ
って、前記第2のコンタクト(19)から、前記少なくとも1つの第2の導電性
フィンガ(20a、20b)および前記隣接する層(11、14、15、16)
に電流が流れるようにした第2のコンタクト(19)と を備えたことを特徴とする半導体LED。 - 【請求項23】 前記少なくとも1つの第2の導電性フィンガ(20a、2
0b)および隣接する前記少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)は、
それらの長さの一部分について概ね平行であることを特徴とする請求項22に記
載の半導体LED。 - 【請求項24】 前記少なくとも1つの第2の導電性フィンガ(20a、2
0b)および隣接する前記少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)は、
およそ互いに均一な距離にあり、不純物をドープした前記2以上の隣接する層に
均一な電流注入を行うことを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項25】 1つの前記第1の導電性フィンガ(22)を含み、前記第
2のコンタクトおよび少なくとも1つの導電性フィンガ(20a、20b)は、
概ねU字形の導電性経路を形成し、前記第1のコンタクト(21)および前記第
1の導電性フィンガ(22)が、前記U字形経路内に細長い導電性経路を形成し
ていることを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項26】 1つの前記第1の導電性フィンガ(47)を含み、前記第
1のコンタクト(44)および少なくとも1つの導電性フィンガ(45a、45
b)は、概ねU字形の導電性経路を形成し、前記第2のコンタクト(46)およ
び前記第2の導電性フィンガ(47)が、前記U字形経路内に細長い導電性経路
を形成していることを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項27】 複数の前記第1および第2の導電性フィンガ(76、75
)と、前記隣接する層(11、14、15、16)の1つの縁に近い前記第2の
コンタクト(73)と、反対側の縁に近い前記第1のコンタクト(72)とを含
み、前記第2の導電性フィンガ(75)が、前記第2のコンタクト(73)から
前記反対側の縁に向けて複数の導電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(76
)が、前記第1のコンタクト(72)から前記第2のコンタクト(73)に向け
て、前記第2の導電性フィンガ(75)間に櫛形に交互に並ぶ複数の導電性経路
を形成していることを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項28】 前記第2のコンタクト(111)は、前記隣接する層(1
1、14、15、16)の表面の中央近くに位置し、前記第2の導電性フィンガ
(113、114)は、前記第2のコンタクト(111)から前記隣接する層(
11、14、15、16)の表面の縁に向けて導電性経路を形成し、前記第1の
導電性フィンガ(117)は、前記第1のコンタクト(115)から前記第2の
コンタクト(111)に向けて、前記第2の導電性フィンガ(113、114)
間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項22に
記載の半導体LED。 - 【請求項29】 前記第2のコンタクト(91)は、前記隣接する層(11
、14、15、16)の表面の中央に位置し、前記コンタクト(91)から前記
表面の中心線に沿ってそれぞれ反対方向に延びる導電性経路を形成する2つの導
電性枝路(93)をさらに備え、前記第2の導電性フィンガ(94)が、前記枝
路(93)に概ね直角な導電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(97)が、
前記第1のコンタクト(95)および前記表面の縁から前記枝路(93)に向け
て、前記第2のフィンガ(94)間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成してい
ることを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項30】 複数の前記第1および第2の導電性フィンガ(84、87
)を含み、前記第2のフィンガ(84)は、前記第2のコンタクト(81)から
延びる概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成し、前記第1のフィンガ(87
)は、前記第1のコンタクト(85)から延び、前記第2のジクザグ形フィンガ
(84)間に櫛形に交互に並ぶ概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成してい
ることを特徴とする請求項22に記載の半導体LED。 - 【請求項31】 改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオ
ード(LED)であって、 エピタキシャル成長させたp型層(16)と、 エピタキシャル成長させたn型層(15)と、 前記p型層とn型層(15、16)の間に設けられたエピタキシャル成長させ
た活性層(14)と、 少なくとも1つの第1の導電性フィンガ(22)を有する第1のコンタクト(
21)と、 前記p型層および活性層(16、14)を通して前記n型層(15)までエッ
チングされた少なくとも1つの溝(23)であって、前記第1のコンタクト(2
1)および少なくとも1つのフィンガ(22)が、前記エッチングされた領域の
前記n型層(15)にあるようにした少なくとも1つの溝(23)と、 前記p型層(16)の第2のコンタクト(19)および少なくとも1つの第2
の導電性フィンガ(20a、20b)とを備え、前記少なくとも1つの第1およ
び第2の導電性フィンガ(22、20a、20b)は、それらの長さの少なくと
も一部分について概ね平行であるようにしたことを特徴とするスケーラブルLE
D。
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