JP2015188094A - 個々のセグメントledの光出力における製造工程でのばらつきを補償するセグメントledを用いた光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】光源及び光源を作る方法を提供する。
【解決手段】光源20は、電源母線に並列に接続した複数のセグメントLED21とコントローラ22とを有する。電源母線は、接続するセグメントLED21の数を変更することができる。コントローラ22はAC電源を受け取り、電源母線に電源信号を送る。各セグメントLED21は、セグメントLEDとして同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つ。光源中のセグメントLED21の数は、製造工程で生じた個々のセグメントLED21の光出力の変動を補償するように選定する。電源母線に接続されたセグメントLED21の数は、光源を組み立てた後でも変更することができる。
【選択図】図1
【解決手段】光源20は、電源母線に並列に接続した複数のセグメントLED21とコントローラ22とを有する。電源母線は、接続するセグメントLED21の数を変更することができる。コントローラ22はAC電源を受け取り、電源母線に電源信号を送る。各セグメントLED21は、セグメントLEDとして同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つ。光源中のセグメントLED21の数は、製造工程で生じた個々のセグメントLED21の光出力の変動を補償するように選定する。電源母線に接続されたセグメントLED21の数は、光源を組み立てた後でも変更することができる。
【選択図】図1
Description
発光ダイオード(LED)は、電気エネルギーを光に変換する半導体装置の重要な分野である。このような半導体装置の進歩により、従来の白熱電灯光源及び蛍光灯光源を置き換えるよう設計された照明設備としてこの半導体装置が使われるようになってきた。LEDは極めて長い寿命を有し、場合によっては、非常に高い効率で電気エネルギーを光に変換することができる。
説明目的のため、LEDは、他の2つの層で挟まれた活性層により構成された3つの層を持つものとする。外側の層からホールと電子が活性層で結合するとき活性層は光を発する。LEDを電流が流れることによってホールと電子が生じる。LEDには、最上層にある電極と最下層に電気的に接続する接点とを通じて電源を供給する。
LEDのコストと電力変換効率とは、この新しい技術が通常の光源を置き換える度合いと高電力で用いる度合いを定める重要な要因となる。LEDの変換効率は、好ましい光学スペクトルの領域でLEDから発する光出力の、光源が消費する電力に対する割合で定義する。消費する電力は、LEDの変換効率と、AC電力からLEDダイに直接電源供給するために用いることのできるDC電源に変換する回路で失われる電力により決まる。光に変換されないでLEDから出てゆく電力は、LEDの温度を上昇させる熱に変わる。熱放散は、LEDを動作させる電力レベルに制限を与える。加えて、LEDの変換効率は電流が増えるにつれて下がってゆく。従って、電流を増やすことによりLEDの光出力を増やし光出力全体を増大させるにつれて、電気変換効率は減少する。さらに、LEDの寿命も大電流で動作させることにより減少する。
単一LED光源では、多くの応用分野で従来の光源を置き換えるのに十分な光を生じさせることはできない。一般に、許容できる電力変換効率で実際に、LED単位面積当たりに生じる光には制限がある。この制限は、消費電力及びLED材料組織の電気変換効率により強いられるものである。従って、高密度の単一LED光源を備えるためには、面積の広いチップを用いなければならない。しかし、LEDを製造するための製造工程により、単一LEDチップの大きさに制限が加えられる。チップの大きさが大きくなるにつれてチップの生産性が下がり、従って、チップの大きさが所定の大きさを越えると光出力の増大に比べてLEDのコストの増大が大きくなる。
従って、多くの応用例では、LEDベースの光源は、必要な光出力を出すために複数のLEDを用いなければならない。例えば、従来の照明設備で用いる100ワットの白熱電灯を置き換えるためには、1mm2程度のチップを有する約25個のLEDが必要となる。この数は、要求される色温度及びチップの正確な大きさにより変化する。
さらに、一般にこの光源は115V又は240VのAC電源を、LEDを駆動するのに適するDCの電圧レベルに変換する電源装置を含有する。この電源装置の変換効率は、コスト競争力のある製品の場合しばしば80%以下であり、光源の電気から光への全体的な変換効率にも影響を与える。電源供給効率を最大にするために、電源装置の出力はAC電源のピーク電圧に近づける必要があり、光源での種々の導体に流さなければならない電流は、この導体での抵抗損失を避けるために、最小限にする必要がある。一般的なGaNLEDでは、約3.2〜3.6Vの駆動電圧を必要とする。従って、電力変換効率の観点から、上述の25個のLED光源は、約80ボルトの電源装置からの出力電圧レベルで直列に接続した一連の25個のLEDとして組み立てられることとなる。
しかし、電気から光への変換効率に加えて考慮しなければならない、光源のコストと信頼性のような、他の検討事項がある。信頼性の観点から、一連の単一LEDの直列接続とすることは最も芳しくない選択である。一般に、LEDは閉回路を形成することにより破損するより開回路を形成することにより破損することが多い。例えば、LED中のパッドを外部回路に接続するワイヤボンドが破損することがある。従って、直列接続中の1つのLEDの破損により、光源の壊滅的な破損につながる。
信頼性の観点から、開回路を形成することによるLEDの破損がよく起こる破損であるとするならば、すべてのLEDが並列接続されている光源が最も良いように思われる。1つのLEDが破損した場合、定電流源が並列に接続したLEDを駆動するために用いられているとすると、他のLEDに流れる電流が少し増大し、他のLEDは、LEDの破損による損失をある程度補償する。残念ながら、このような構成は、電源装置の効率の観点からは非効率であり、伝導性を大きく損なうことなく大きな電流を扱うことのできる導体を必要とする。
信頼性と電力変換効率に加えて、設計者は、個々の発光効率の変化に適応できる設計にしなければならない。ウエハー同士で違いがあるのみならず、1つのウエハーであっても多少一様性に欠けるウエハー上に、LEDは作られる。その結果、商業的に用いられるLEDにより出力される光量はLED同士で大きく異なる。最終的に光源からの光出力の許容変動は、すべて同じ光量を発生する光源であることの必要性及び同じ外観であることの必要性により定まる。一般にLED同士の光出力の変動は大きいので、ばらつきの少ないLEDを提供するために、LEDについて何らかの分別を行わずに、光源製造業者の要求を満足することはできない。この分別処理は光源のコストを押し上げる。加えて、多くの光源は、製造時のLEDの光の強さの分布より少ない光の強さの範囲内にはないLEDを用いることはできない。結局、関心のある範囲にないLEDについての市場は少なく、要求の範囲にあるLEDはコストが上がり、この範囲外のLEDはコストが下がる。
電源装置の効率に対する本来的な信頼性の問題は、複数のコンポーネント光源を並列に接続するよう光源を組み立てることにより軽減される。各コンポーネント光源は、直列に接続した複数のLEDからなり、従って、個々のLEDよりはるかに大きな駆動電圧を用いることとなる。例えば、一般的なGaNLEDは3.2ボルトの駆動電圧と0.35アンペアの電流を必要とする。約2000ルーメンの光源を用意するためには、25個のこのようなLEDを駆動しなければならない。この光源は、5個のコンポーネント光源を並列に接続することにより組み立てることができる。各コンポーネント光源は直列に接続した5個のLEDからなる。従って、駆動電圧は5倍改善され16Vとなる。開回路となることにより1つのLED画破損した場合、残りの4個のコンポーネント光源は依然として機能しており、従って、光源は、明るさは減少するが、機能し続ける。しかし、開回路となったコンポーネント光源に流すことのできない電流を、残りのLEDに流さなくてはならないので、残りのLEDは、20パーセント過負荷状態となる。その結果、残りのLEDの寿命が著しく減少する。
残念ながら、この方法は、任意の光源に対するLEDの製造工程の一部であっても不要にすることができない。
本発明は光源及び光源を作る方法を含む。光源は、電源母線に並列に接続した複数のセグメントLEDとコントローラとを有する。電源母線は、接続するセグメントLEDの数を変更することができ、この数は、光源が所定の光出力を出力するよう選定する。コントローラはAC電源を受け取り、電源母線に電源信号を送る。本発明の特徴によれば、各セグメントLEDは、セグメントLEDとして同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つことを特徴とする。光源中のセグメントLEDの数は、製造工程で生じた個々のセグメントLEDの光出力の変動を補償するように選定する。本発明の他の特徴によれば、電源母線に接続されたセグメントLEDの数は、光源を組み立てた後でも変更することができる。
本発明がどのような利点を有するかは、本発明に係る光源の実施の形態を図解した図1を参照することで容易に理解することができよう。光源20は、DC定電流源に並列に接続された複数のセグメントLEDを有する。各セグメントLEDを通過する平均電流は、AC・DC電力変換器を有するコントローラ22により設定される。
セグメントLEDは、2008年9月11日に出願した、米国特許出願12/208,502に詳細が記載されており、米国特許出願12/208,502は参照として本願に組み込まれるものとする。セグメントLEDの詳細は、また、以下に説明する。この説明のためには、N>1であり通常は2から100の間となるようなN個のセグメントに分割し、お互いに直列接続した単一LEDダイであると、各セグメントLEDが定義されることに注目すれば十分である。各セグメントは、実際には小さなLEDである。各セグメントLEDの面積は、従来のLEDの面積のN分の1の大きさなので、各セグメントLEDからは、実質的に従来のLEDと同じ光の量が生じるが、電流は1/Nである。すなわち、同じ電流密度となる。しかし、セグメントLEDを発光させるために必要な駆動電圧は、同系統の材料で作られた場合の従来のLEDを発光させるために必要な電圧の、実質的にN倍となる。従って、必要な電流はN分の1となるがN倍の電圧を必要とすることを除いて、セグメントLEDは、同じ大きさの従来のLEDチップと実質的に同じ光の量を、同じ電力入力で生じさせることができることに留意すべきである。セグメントLEDは、それぞれが実質的に従来のLEDチップの大きさの1/N倍である、N個の小さなLEDチップを直列に接続したものの代わりと考えることができる。セグメントLEDからは、しかしながら、N個を直列接続した従来のLEDで構成されたコンポーネント光源の1/N倍の光しか生じない。その結果、5個を直列接続した従来のLEDを5つ並列にコンポーネント光源として接続した25個の従来のLEDが必要な光源に対して、並列に接続した25個のセグメントLEDが必要となることとなる。従って、各セグメントLEDは、光出力のほんのl/25を占めるだけとなる。その結果、光源20の出力は、個々のセグメントLEDを付加または削除することにより細かく調整することができる。
一方、従来のLEDを直列接続したストリングを用いた等価な光源の光出力では単一LEDに付加したり削除したりすることにより簡単に調整することはできない。LEDを付加したり又は削除したりすることは、そのストリングを駆動する電圧が変化するので、直列接続したコンポーネントのストリングのうちの1つのLEDの数を変えることは問題となる。従って、コンポーネントのストリング毎に別の電源が必要となり、これは光源のコストを増大させる。これを避けるために、コンポーネントのストリングすべてを変更する必要があり、従って5個のLEDを付加したり削除したりする必要がある。同様に、母線から直列接続したストリングを1つ付加したり削除したりすることで5個のLED分すなわち20%の光出力が変化する。従って、従来のLEDをN個直列に接続したストリングからなるコンポーネントのストリングを用いた設計では、一度にN個のLEDを付加したり削除したりするようにしなければならない。これは、設計上、従来のLEDの数を変更することにより調整できる程度に限定を加えることとなる。
一般に、通常の光源設計において、N個のLEDの付加又は削除で本願発明と同じ調整度合いが得られるように、N分の1の大きさの従来のLEDを用いることができる。しかしながら、そのような設計ではN倍のLEDを使うことになり、製造コストを増大させることとなる。
上記の本願発明の実施形態は、セグメントLED次第となる。本願発明に用いることのできるセグメントLED光源を図示した、図2及び図3を参照する。図2はセグメントLED60の平面図であり、図3は、図2に示したライン2−2で切断したセグメントLED60の横断面図である。セグメントLED60は2つのセグメント64及び65を有する。しかし、本願発明の教示事項から多くのセグメントを有する光源を構成することができることは以下の説明から明白である。セグメントLED60は、サファイア基板51の上に成長させた同じ3層のLED構成となっている。n層52を、サファイア基板51の上に成長させ、次いで、活性層55とp層53とをn層52の上に成長させる。
セグメント64及び65は、電気的にセグメント64及び65を隔離する、層52から基板51に伸びる隔離トレンチ66により分割されている。隔離トレンチ66には、部分的に層52に伸びているプラトー67がある。隔離トレンチ66の壁には、各セグメントに関連のある層52の一部と電気的な接点を形成する解放領域58を有する絶縁層57で覆われている。絶縁層57は、ピンホール欠陥のない絶縁層を作るどのような材料で作っても良い。例えば、SiNx,SiOx,その他、半導体装置で一般的に用いられる絶縁フィルムを絶縁材料として用いることができる。他の材料には、ポリイミド、BCB、スピンオン硝子、及び、装置の平坦化に半導体産業で通常用いられる材料が含まれる。
同様のトレンチが68と69で示したように、セグメントLED60の端部に設けられている。直列接続電極59が、絶縁層57中の解放部58を通じて層52と接触するように隔離トレンチ66内に溶着されている。電極59は、隣のセグメントにあるITO層56と電気的に接触している。従って、電極61及び62を介して電源が供給されると、セグメント64と65とが直列に接続される。その結果、セグメントLED60は、従来のLEDの2倍の電圧、半分の電流で動作する。
本発明の1つの形態において、絶縁層57は、図3の57aに示すように電極59及び61の下に伸びている。電極59は不透明なので、電極59は電極59のすぐ下にある活性層55の一部から発生する光を遮る。ここで、図に示した層の厚さは縮尺が合っていないことに留意すべきである。実際には、層53の厚みは、層52の厚みより遙かに小さく電極59又は61の一般的幅よりも遙かに小さいので、電極59は、電極59の下から生じる光のほとんどを遮る。従って、電極59の下の層55を流れる電流は、その電流により生じる光のほとんどが失われるので(乱反射により不透明金属に吸収される)実質的に無駄になる。絶縁層延長部は層55の無駄な領域に電流が流れるのを阻止するので、光源の全体的効率を改善する。同様の議論が電極61の下部にも当てはまるので、絶縁層は同様に電極の下に伸びている。
図2及び図3に示した実施の形態において、電極59はセグメントLEDの幅全体を覆う。上述のとおり、下に電極59が横たわるセグメント65の部分は、電極59の下で発生する光は電極59により遮られ吸収されるので、非生産的であり、光学的損失が大きい。このことは、光変換効率を減少させ、ダイ表面の使用効率を減少させることとなり、活性ダイ領域を追加することでこの損失領域を補償しなければならないので光源のコストを増大させるという結果となる。ここで、本願発明に用いることのできるセグメントLEDを図示する図4及び図5を参照する。図4は、セグメントLED70の平面図であり、図5は、図4に示したライン5−5で切断したセグメントLED70の横断面図である。図4に示したライン2’−2’で切断したセグメントLED70の横断面図は、電極59が電極78で置き換えられている点及び図4に示した狭いp電極とn電極71及び72がある点をのぞいて実質的に図2と同様なので、この横断面図は添付図から除いた。
セグメントLED70は、広い連絡電極59が電極78及び79のような複数の直列電極で置き換えられている点でセグメントLED60と異なる。これらの電極は、幅がほんの5−10ミクロンであり約150ミクロンのスペースを隔てているだけなので、電極59よりはるかに少ない領域を覆うだけである。従って、先に説明した効率の低下は実質的に減少する。加えてn電極72及びp電極71は、外部の回路にワイヤーボンディングするために広いパッド71’及び72’を含む狭い電極に置き換えられている。1つの好ましい実施の形態において、この直列電極は、この直列電極に覆われる領域がセグメントLED内で接続されているセグメントの幅より著しく小さくなるように、この電極の幅の5倍以上の距離のスペースで隔てられている。
必要とされる直列接続電極の数はITO層56の導電率による。電流がITO層56に均一に広がるのに十分な数の直列接続電極でなければならない。直列接続電極の幅は、セグメント間を流れる電流の量で決められ、従って、用いる導体、導体の厚さ、及び直列接続電極の数による。直列接続層で覆われていないセグメント65の領域において、隔離トレンチ77は絶縁層を必要とせず、従って、LED基底構造は電力を受け取って有益な光を発する。
ITO層56の電流分布は、ITO層56の表面に複数の狭い金属電極を組み込むことにより改善する。ここで、ITO層の電流の広がりを改善する金属電極を有するセグメントLED75の平面図である図6を参照する。電極73は、p電極71と、セグメント間を接続する直列接続電極とに接続されている。金属電極の導電率はITO層の導電率よりはるかに大きいので、非常に薄い電極で、基底構造に生じる光の散乱をそれほど妨げることなく電流の広がりを増大させることができる。本願発明の1つの形態において、電極により妨げられる領域は光放出領域の20%以下であり、好ましくは10%以下である。
代替的な薄いn電極73’を、n層の電流の広がりを改善するために、露出したn層の上に組み込むことができる。この電極は、光の発生を妨げることがないので電極73’は電極73より広い領域を覆うことができる。
直列接続電極は、セグメントを分離する隔離トレンチ中に蒸着した絶縁パッド上に適切な導体の層を蒸着することにより構築することができる。このような絶縁パッドを171に示す。直列接続電極は金属又はITOで構成することができることに留意すべきである。ITOは、透明度が高いという利点があるので、直列接続電極により光の通過が妨げられることが少ない。しかし、ITOは抵抗が大きいので、広い領域が必要となる。
セグメントLEDは、従来のLEDより高い電圧で動作するので、同じ光を発生させる場合従来のLEDより駆動電流が少ない。その結果、スイッチでの電力損失によりセグメントLEDの効率を実質的に変化させることなく、セグメントLEDに直列にスイッチを接続することができる。本発明の他の実施の形態による光源における本発明の特徴を図解した図7を参照する。光源80は、コントローラ82から電源供給を受ける複数のセグメントLED81で構成されている。各セグメントLEDは、コントローラ82のコントロール下にあるスイッチ84により母線の1つとつながっている。コントローラ82は、短絡により故障したセグメントLEDを除去するために用いられる。加えて、コントローラ82は、1以上のスイッチを操作することにより光源80の明るさを増大させたり減少させたりすることができる。スイッチはメカニカルスイッチとして示されているが、シングルドライバICとしてコントローラに組み込むこともできるトランジスタ又は他の半導体装置を含む、通電状態で十分インピーダンスが低いあらゆるタイプのスイッチを用いることもできることは了解されよう。
上述のおとり、本発明においてセグメントLEDを用いることの重要な利点は、変化に富んだコンポーネント光源同士で発生する光の量が異なることを補償することができるように、光源をコンポーネント光源に分割する一方で、従来のLEDより十分高い電圧で動作する光源を提供することができることである。
製造によるばらつきをσで表すことのできるLEDで組み立てられた光源を考える。これらのばらつきは、上述のように、LEDを組み付けた個々のウエハー間で生じ、所定の生産工程においてウエハーとウエハーとの間でもばらつきがある。例えば、LEDとLEDとの間の光出力のばらつきが標準偏差σを持つガウス分布で近似することができるが、LED出力の正確な分布の形は、以下に説明するとおり重要ではない。
一般に、最終的に光源は、光源と光源との間の光出力のばらつきに関する設計仕様及び各光源における光の強度の一様性に関する設計仕様を満足しなければならない。設計許容誤差により、光源が交換可能であることが保証される。つまり、製造された別の光源からの光出力は、光の観測者には外見及び強さにおいて元の光源とは区別がつかない。
ここで、本発明の他の実施の形態による光源90を図解した図8を参照する。M個のコンポーネント光源91が、光源の数が変わってもいいような2つの母線92及び93に並列につながれている場合を考える。Mは、光源の設計仕様中に規定されているような、所望の光出力を、平均して、M個のコンポーネント光源で発光させるように、選ぶ。各コンポーネント光源の平均光出力は、設計許容誤差で規定されている光出力の変動量より小さいと仮定する。この場合、M個のコンポーネント光源をその光源に装着し、その光出力を測定することができる。出力が大きすぎる場合、1個以上のコンポーネント光源を取り去ることで設計仕様に収まる光源の出力とする。出力が小さすぎる場合、1個以上のコンポーネント光源をその光源に追加する。
先行技術において、コンポーネント光源は、各コンポーネント光源が効率的な電圧で動作することができるように、従来のLEDを直列接続したものとなっている。2000ルーメンの光(100ワットの白熱電灯の光に相当)を出すよう設計した光源を考える。80ルーメンを生じさせる従来のLEDは、歩留まりとダイサイズとの間で良い妥協点をもたらしている。従って、25個のこのようなLED、すなわち5つの直列接続したものが母線の間で用いられる。それゆえ、各コンポーネント光源は目標光出力の20パーセントを発生させ、そのような直列接続したものを1つ取り去るか又は追加することにより光源の光出力が20パーセント変化し、このことは、そのような光源の一般的な設計誤差を超えることになる。それゆえに、LEDは、直列接続したものの光出力がそれぞれ、5個の直列接続で正確に設計許容誤差内の目標出力を出力するように、確実にばらつきを十分小さくするよう、直列接続したものの各々を適合させなければならない。このような廃棄と調和とのコストは、安価な光源では大きなものとなる。
代替的に、各光源について母線への電流を加減するようコントローラ94をプログラムし、個々のLEDの出力のばらつきを補償する。この処理では、各光源の光出力を計測し求める結果が得られるように電流を変化させることが必要となる。コントローラは、可変電流源と正しい電流を規定するパラメータを記憶させる記憶装置を備えなければならない。そのようなコントローラは、25個のセグメントLEDを用い、母線からセグメントLEDを取り除いたり付け加えたりすることで調整するような、光源に必要とされる単純なコントローラよりコストがかかる。
図8の構成は、個々のコンポーネント光源がAC電源から直接電源供給されるような、ACのLED光源の構成として用いることもでき、ここでは、従来のLEDの一般的な動作電圧VfをLED接合部の全数M*N倍で乗算したものが整流したAC電圧のピーク電圧Vpk(rms電圧の2倍の平方根に等しい)に等しいような、M個の直列接続されたNセグメントのセグメントLEDのそれぞれに、本質的にDC電圧を電源供給する全波整流ブリッジによりAC電源は整流されている。一般に、ターンオン電圧より電圧が小さいときにLEDがターンオンしない期間を埋め合わせるために、少しの間LEDにオーバーライドさせるために、M*N*VfはVpkより少し小さくなるよう選定する。あるいは、大容量キャパシタ(このようなアプリケーションに必要な高電圧に大容量のキャパシタンスを提供するために電解タイプのものが一般に必要となる)を、このような「オフタイム」にそこから放電することでLEDをターンオンさせておくために、並列に接続しておくこともできる。この概念は、よく知られているが、高価で寿命の短いキャパシタを使い光源のコストを上げ寿命の縮めることになる。本発明の1つの実施形態によるAC光源を図解した図9を参照する。光源100は、可変個数のコンポーネント光源が母線92及び93間に接続されている点で、図8を参照して上述した光源90に似ているが、要求される光出力が要求される許容範囲ないになるように光源の数が選定される。光源100は、コントローラ104は、母線間にAC出力電圧を供給し、コンポーネント光源、例えば101,102、の半分は母線間で反対方向に接続される点で、光源90と異なる。AC電源信号の半サイクルで、コンポーネント光源の半分が光を発し、他の半分はオフとなる。この方法は、LEDが2倍必要となるが、コストを削減し、整流ダイオードを追加する必要性がなくなる。
本発明のひとつの特徴において、コントローラ104は、1次・2次の比率を固定した変圧器を有する。このような実施の形態は特にコストの観点から魅力的である。しかし、母線に印加される出力電圧は、変圧器製造工程のばらつきにより影響を受ける。製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を変えることにより、コントローラ104のばらつきとは無関係に標準の出力を出すよう光源を調整することができるので、製造のばらつきを埋め合わせるために可変コントローラを必要とする光源より、低い製造コストの光源を提供することができる。
上述の光源は、個々のコンポーネント光源の光出力の違い、又は、コンポーネント光源に電源供給するコントローラの出力の違い、を補正するために、製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を調整することが頼みとなる。本発明の1つの特徴において、コンポーネント光源の数は、M個のコンポーネント光源を有する光源からはじめる。ここで、Mは適正な数又は、設計光出力を出すには不要なコンポーネント光源を1個又は2個付加した数になるように選ばれる。この光源は組み立てた後でテストする。この光源は正しい光出力、又は、高い光出力を出す。光出力が高すぎる場合は、母線の1つにあるリンク106を、レーザー切除又は類似の処理により切断し、通常動作時に、コンポーネント光源の1つに電源が供給されないようにする。この光源は、1つ以上のコンポーネント光源を切除することができるように、複数のこのタイプのリンクを設けることができる。
この方法は、1つ又は2つの追加コンポーネント光源を含めることにより、完全に自動的な組立工程を提供する。コンポーネント光源がセグメントLEDならば、そのコストは、1つ又は2つの追加LEDダイのコストと同じであり、多くの応用例で受け入れ可能である。
セグメントLEDの場合でも、光源の均一性を保持するためにいくつかのLEDをグループ化しなければならないことが必要であることに留意すべきである。複数のLEDを持つ光源の物理的な大きさは十分大きいので、光出力が十分異なるLEDにより引き起こされる部分的な不均一をユーザが検出することができる。一般に、製造工程のばらつきによる光の強さのばらつきは、光源に許される最大のばらつきより大きい。このような光出力のばらつきは、ウエハー毎に又は製造工程でウエハー毎に生じる。したがって、監視者から見てグループ化したLEDがすべて十分均一化されるように、同じような光出力を持つグループにLEDをグループ分けしなければならない。
光源でセグメントLEDのばらつきの最大許容度は、σmで表される。すなわち、1つの光源内でセグメントLEDは、I±σmで規定される範囲の強さを持たなければならない。一般に、製造時のばらつきは、σ>σmで特徴付けられる。従って、セグメントLEDは、各グループが平均光強度を持つことを特徴とするグループ(ビン)に、重複することなく分けられる。それぞれI1及びI2の平均強度を持つことを特徴とする2つのグループがある場合の処理を考える。光源を製造するために用いるセグメントLEDの最小の数は、光源の設計仕様内でMI1が(M+1)I2に等しくなるように、選定する。一般に、ビン内のばらつきは約10パーセントである。
例えば、セグメントLED1つにつき公称80ルーメンのセグメントLEDから2000ルーメンの光源を製造する場合を考える。ウエハーのロットを通じて、セグメントLED1つにつき70ルーメンから90ルーメンの範囲でばらつきのあるセグメントLEDを考える。このセグメントLEDは4つのビン、70から75ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第1のビン、75から80ルーメンの出力を持つLEDのための第2のビン、80から85ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第3のビン、及び85から90ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第4のビン、に分けられる。目標とする光源は、第1のビンから29個のセグメントLEDを用いるか、又は第2のビンから26個のセグメントLEDを用いるか、又は第3のビンから23個のセグメントLEDを用いるか、又は第4のビンから22個のセグメントLEDを用いることにより組み立てることができる。母線は、セグメントLEDの数量の変更に対応できるので、光源をどのように選んでも同じ電源装置、同じ配置を用いることができ、そして、本質的に同じ製造工程からのすべてのセグメントLEDを用いることができる。加えて、設計仕様に合致させるために、製造後に光源を測定し調整する必要がない。しかし、このような測定と調整とを、光源と光源との間のばらつきを最終的にさらに減少させるために、行うことができる。
上述のとおり、好ましいコンポーネント光源は、セグメントLEDである。一般に、並列に接続したコンポーネント光源に効率的に電源供給するためには、コンポーネント光源は、通常GaNベースのLEDでは3.2ボルトとなる単一接合LEDへ供給する電圧よりも、十分大きい電圧で作動しなければならない。本発明の1つの実施の形態では、5セグメントのセグメントLEDは、駆動電圧16Vのコンポーネント光源を提供するために用いられる。しかし、駆動電圧が、問題となっている材料系の単一接合LEDの少なくとも3倍であるコンポーネント光源を、代わりに用いることができる。
本願発明の上記実施の形態は本発明の種々の特徴を概説するために記載したものである。しかし、異なる具体的実施の形態として示される本発明の別の特徴を本発明の他の実施の形態として組み込むことができる。加えて、先の説明及び添付図から、本発明に種々の変形を加えることができるのは明らかであろう。従って、本発明は以下の特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるべきものである。
発光ダイオード(LED)は、電気エネルギーを光に変換する半導体装置の重要な分野である。このような半導体装置の進歩により、従来の白熱電灯光源及び蛍光灯光源を置き換えるよう設計された照明設備としてこの半導体装置が使われるようになってきた。LEDは極めて長い寿命を有し、場合によっては、非常に高い効率で電気エネルギーを光に変換することができる。
説明目的のため、LEDは、他の2つの層で挟まれた活性層により構成された3つの層を持つものとする。外側の層からホールと電子が活性層で結合するとき活性層は光を発する。LEDを電流が流れることによってホールと電子が生じる。LEDには、最上層にある電極と最下層に電気的に接続する接点とを通じて電源を供給する。
LEDのコストと電力変換効率とは、この新しい技術が通常の光源を置き換える度合いと高電力で用いる度合いを定める重要な要因となる。LEDの変換効率は、好ましい光学スペクトルの領域でLEDから発する光出力の、光源が消費する電力に対する割合で定義する。消費する電力は、LEDの変換効率と、AC電力からLEDダイに直接電源供給するために用いることのできるDC電源に変換する回路で失われる電力により決まる。光に変換されないでLEDから出てゆく電力は、LEDの温度を上昇させる熱に変わる。熱放散は、LEDを動作させる電力レベルに制限を与える。加えて、LEDの変換効率は電流が増えるにつれて下がってゆく。従って、電流を増やすことによりLEDの光出力を増やし光出力全体を増大させるにつれて、電気変換効率は減少する。さらに、LEDの寿命も大電流で動作させることにより減少する。
単一LED光源では、多くの応用分野で従来の光源を置き換えるのに十分な光を生じさせることはできない。一般に、許容できる電力変換効率で実際に、LED単位面積当たりに生じる光には制限がある。この制限は、消費電力及びLED材料組織の電気変換効率により強いられるものである。従って、高密度の単一LED光源を備えるためには、面積の広いチップを用いなければならない。しかし、LEDを製造するための製造工程により、単一LEDチップの大きさに制限が加えられる。チップの大きさが大きくなるにつれてチップの生産性が下がり、従って、チップの大きさが所定の大きさを越えると光出力の増大に比べてLEDのコストの増大が大きくなる。
従って、多くの応用例では、LEDベースの光源は、必要な光出力を出すために複数のLEDを用いなければならない。例えば、従来の照明設備で用いる100ワットの白熱電灯を置き換えるためには、1mm2程度のチップを有する約25個のLEDが必要となる。この数は、要求される色温度及びチップの正確な大きさにより変化する。
さらに、一般にこの光源は115V又は240VのAC電源を、LEDを駆動するのに適するDCの電圧レベルに変換する電源装置を含有する。この電源装置の変換効率は、コスト競争力のある製品の場合しばしば80%以下であり、光源の電気から光への全体的な変換効率にも影響を与える。電源供給効率を最大にするために、電源装置の出力はAC電源のピーク電圧に近づける必要があり、光源での種々の導体に流さなければならない電流は、この導体での抵抗損失を避けるために、最小限にする必要がある。一般的なGaNLEDでは、約3.2〜3.6Vの駆動電圧を必要とする。従って、電力変換効率の観点から、上述の25個のLED光源は、約80ボルトの電源装置からの出力電圧レベルで直列に接続した一連の25個のLEDとして組み立てられることとなる。
しかし、電気から光への変換効率に加えて考慮しなければならない、光源のコストと信頼性のような、他の検討事項がある。信頼性の観点から、一連の単一LEDの直列接続とすることは最も芳しくない選択である。一般に、LEDは閉回路を形成することにより破損するより開回路を形成することにより破損することが多い。例えば、LED中のパッドを外部回路に接続するワイヤボンドが破損することがある。従って、直列接続中の1つのLEDの破損により、光源の壊滅的な破損につながる。
信頼性の観点から、開回路を形成することによるLEDの破損がよく起こる破損であるとするならば、すべてのLEDが並列接続されている光源が最も良いように思われる。1つのLEDが破損した場合、定電流源が並列に接続したLEDを駆動するために用いられているとすると、他のLEDに流れる電流が少し増大し、他のLEDは、LEDの破損による損失をある程度補償する。残念ながら、このような構成は、電源装置の効率の観点からは非効率であり、伝導性を大きく損なうことなく大きな電流を扱うことのできる導体を必要とする。
信頼性と電力変換効率に加えて、設計者は、個々の発光効率の変化に適応できる設計にしなければならない。ウエハー同士で違いがあるのみならず、1つのウエハーであっても多少一様性に欠けるウエハー上に、LEDは作られる。その結果、商業的に用いられるLEDにより出力される光量はLED同士で大きく異なる。最終的に光源からの光出力の許容変動は、すべて同じ光量を発生する光源であることの必要性及び同じ外観であることの必要性により定まる。一般にLED同士の光出力の変動は大きいので、ばらつきの少ないLEDを提供するために、LEDについて何らかの分別を行わずに、光源製造業者の要求を満足することはできない。この分別処理は光源のコストを押し上げる。加えて、多くの光源は、製造時のLEDの光の強さの分布より少ない光の強さの範囲内にはないLEDを用いることはできない。結局、関心のある範囲にないLEDについての市場は少なく、要求の範囲にあるLEDはコストが上がり、この範囲外のLEDはコストが下がる。
電源装置の効率に対する本来的な信頼性の問題は、複数のコンポーネント光源を並列に接続するよう光源を組み立てることにより軽減される。各コンポーネント光源は、直列に接続した複数のLEDからなり、従って、個々のLEDよりはるかに大きな駆動電圧を用いることとなる。例えば、一般的なGaNLEDは3.2ボルトの駆動電圧と0.35アンペアの電流を必要とする。約2000ルーメンの光源を用意するためには、25個のこのようなLEDを駆動しなければならない。この光源は、5個のコンポーネント光源を並列に接続することにより組み立てることができる。各コンポーネント光源は直列に接続した5個のLEDからなる。従って、駆動電圧は5倍改善され16Vとなる。開回路となることにより1つのLED画破損した場合、残りの4個のコンポーネント光源は依然として機能しており、従って、光源は、明るさは減少するが、機能し続ける。しかし、開回路となったコンポーネント光源に流すことのできない電流を、残りのLEDに流さなくてはならないので、残りのLEDは、20パーセント過負荷状態となる。その結果、残りのLEDの寿命が著しく減少する。
残念ながら、この方法は、任意の光源に対するLEDの製造工程の一部であっても不要にすることができない。
本発明は光源及び光源を作る方法を含む。光源は、電源母線に並列に接続した複数のセグメントLEDとコントローラとを有する。電源母線は、接続するセグメントLEDの数を変更することができ、この数は、光源が所定の光出力を出力するよう選定する。コントローラはAC電源を受け取り、電源母線に電源信号を送る。本発明の特徴によれば、各セグメントLEDは、セグメントLEDとして同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つことを特徴とする。光源中のセグメントLEDの数は、製造工程で生じた個々のセグメントLEDの光出力の変動を補償するように選定する。本発明の他の特徴によれば、電源母線に接続されたセグメントLEDの数は、光源を組み立てた後でも変更することができる。
本発明がどのような利点を有するかは、本発明に係る光源の実施の形態を図解した図1を参照することで容易に理解することができよう。光源20は、DC定電流源に並列に接続された複数のセグメントLEDを有する。各セグメントLEDを通過する平均電流は、AC・DC電力変換器を有するコントローラ22により設定される。
セグメントLEDは、2008年9月11日に出願した、米国特許出願12/208,502に詳細が記載されており、米国特許出願12/208,502は参照として本願に組み込まれるものとする。セグメントLEDの詳細は、また、以下に説明する。この説明のためには、N>1であり通常は2から100の間となるようなN個のセグメントに分割し、お互いに直列接続した単一LEDダイであると、各セグメントLEDが定義されることに注目すれば十分である。各セグメントは、実際には小さなLEDである。各セグメントLEDの面積は、従来のLEDの面積のN分の1の大きさなので、各セグメントLEDからは、実質的に従来のLEDと同じ光の量が生じるが、電流は1/Nである。すなわち、同じ電流密度となる。しかし、セグメントLEDを発光させるために必要な駆動電圧は、同系統の材料で作られた場合の従来のLEDを発光させるために必要な電圧の、実質的にN倍となる。従って、必要な電流はN分の1となるがN倍の電圧を必要とすることを除いて、セグメントLEDは、同じ大きさの従来のLEDチップと実質的に同じ光の量を、同じ電力入力で生じさせることができることに留意すべきである。セグメントLEDは、それぞれが実質的に従来のLEDチップの大きさの1/N倍である、N個の小さなLEDチップを直列に接続したものの代わりと考えることができる。セグメントLEDからは、しかしながら、N個を直列接続した従来のLEDで構成されたコンポーネント光源の1/N倍の光しか生じない。その結果、5個を直列接続した従来のLEDを5つ並列にコンポーネント光源として接続した25個の従来のLEDが必要な光源に対して、並列に接続した25個のセグメントLEDが必要となることとなる。従って、各セグメントLEDは、光出力のほんのl/25を占めるだけとなる。その結果、光源20の出力は、個々のセグメントLEDを付加または削除することにより細かく調整することができる。
一方、従来のLEDを直列接続したストリングを用いた等価な光源の光出力では単一LEDに付加したり削除したりすることにより簡単に調整することはできない。LEDを付加したり又は削除したりすることは、そのストリングを駆動する電圧が変化するので、直列接続したコンポーネントのストリングのうちの1つのLEDの数を変えることは問題となる。従って、コンポーネントのストリング毎に別の電源が必要となり、これは光源のコストを増大させる。これを避けるために、コンポーネントのストリングすべてを変更する必要があり、従って5個のLEDを付加したり削除したりする必要がある。同様に、母線から直列接続したストリングを1つ付加したり削除したりすることで5個のLED分すなわち20%の光出力が変化する。従って、従来のLEDをN個直列に接続したストリングからなるコンポーネントのストリングを用いた設計では、一度にN個のLEDを付加したり削除したりするようにしなければならない。これは、設計上、従来のLEDの数を変更することにより調整できる程度に限定を加えることとなる。
一般に、通常の光源設計において、N個のLEDの付加又は削除で本願発明と同じ調整度合いが得られるように、N分の1の大きさの従来のLEDを用いることができる。しかしながら、そのような設計ではN倍のLEDを使うことになり、製造コストを増大させることとなる。
上記の本願発明の実施形態は、セグメントLED次第となる。本願発明に用いることのできるセグメントLED光源を図示した、図2及び図3を参照する。図2はセグメントLED60の平面図であり、図3は、図2に示したライン2−2で切断したセグメントLED60の横断面図である。セグメントLED60は2つのセグメント64及び65を有する。しかし、本願発明の教示事項から多くのセグメントを有する光源を構成することができることは以下の説明から明白である。セグメントLED60は、サファイア基板51の上に成長させた同じ3層のLED構成となっている。n層52を、サファイア基板51の上に成長させ、次いで、活性層55とp層53とをn層52の上に成長させる。
セグメント64及び65は、電気的にセグメント64及び65を隔離する、層52から基板51に伸びる隔離トレンチ66により分割されている。隔離トレンチ66には、部分的に層52に伸びているプラトー67がある。隔離トレンチ66の壁には、各セグメントに関連のある層52の一部と電気的な接点を形成する解放領域58を有する絶縁層57で覆われている。絶縁層57は、ピンホール欠陥のない絶縁層を作るどのような材料で作っても良い。例えば、SiNx,SiOx,その他、半導体装置で一般的に用いられる絶縁フィルムを絶縁材料として用いることができる。他の材料には、ポリイミド、BCB、スピンオン硝子、及び、装置の平坦化に半導体産業で通常用いられる材料が含まれる。
同様のトレンチが68と69で示したように、セグメントLED60の端部に設けられている。直列接続電極59が、絶縁層57中の解放部58を通じて層52と接触するように隔離トレンチ66内に溶着されている。電極59は、隣のセグメントにあるITO層56と電気的に接触している。従って、電極61及び62を介して電源が供給されると、セグメント64と65とが直列に接続される。その結果、セグメントLED60は、従来のLEDの2倍の電圧、半分の電流で動作する。
本発明の1つの形態において、絶縁層57は、図3の57aに示すように電極59及び61の下に伸びている。電極59は不透明なので、電極59は電極59のすぐ下にある活性層55の一部から発生する光を遮る。ここで、図に示した層の厚さは縮尺が合っていないことに留意すべきである。実際には、層53の厚みは、層52の厚みより遙かに小さく電極59又は61の一般的幅よりも遙かに小さいので、電極59は、電極59の下から生じる光のほとんどを遮る。従って、電極59の下の層55を流れる電流は、その電流により生じる光のほとんどが失われるので(乱反射により不透明金属に吸収される)実質的に無駄になる。絶縁層延長部は層55の無駄な領域に電流が流れるのを阻止するので、光源の全体的効率を改善する。同様の議論が電極61の下部にも当てはまるので、絶縁層は同様に電極の下に伸びている。
図2及び図3に示した実施の形態において、電極59はセグメントLEDの幅全体を覆う。上述のとおり、下に電極59が横たわるセグメント65の部分は、電極59の下で発生する光は電極59により遮られ吸収されるので、非生産的であり、光学的損失が大きい。このことは、光変換効率を減少させ、ダイ表面の使用効率を減少させることとなり、活性ダイ領域を追加することでこの損失領域を補償しなければならないので光源のコストを増大させるという結果となる。ここで、本願発明に用いることのできるセグメントLEDを図示する図4及び図5を参照する。図4は、セグメントLED70の平面図であり、図5は、図4に示したライン5−5で切断したセグメントLED70の横断面図である。図4に示したライン2’−2’で切断したセグメントLED70の横断面図は、電極59が電極78で置き換えられている点及び図4に示した狭いp電極とn電極71及び72がある点をのぞいて実質的に図2と同様なので、この横断面図は添付図から除いた。
セグメントLED70は、広い連絡電極59が電極78及び79のような複数の直列電極で置き換えられている点でセグメントLED60と異なる。これらの電極は、幅がほんの5−10ミクロンであり約150ミクロンのスペースを隔てているだけなので、電極59よりはるかに少ない領域を覆うだけである。従って、先に説明した効率の低下は実質的に減少する。加えてn電極72及びp電極71は、外部の回路にワイヤーボンディングするために広いパッド71’及び72’を含む狭い電極に置き換えられている。1つの好ましい実施の形態において、この直列電極は、この直列電極に覆われる領域がセグメントLED内で接続されているセグメントの幅より著しく小さくなるように、この電極の幅の5倍以上の距離のスペースで隔てられている。
必要とされる直列接続電極の数はITO層56の導電率による。電流がITO層56に均一に広がるのに十分な数の直列接続電極でなければならない。直列接続電極の幅は、セグメント間を流れる電流の量で決められ、従って、用いる導体、導体の厚さ、及び直列接続電極の数による。直列接続層で覆われていないセグメント65の領域において、隔離トレンチ77は絶縁層を必要とせず、従って、LED基底構造は電力を受け取って有益な光を発する。
ITO層56の電流分布は、ITO層56の表面に複数の狭い金属電極を組み込むことにより改善する。ここで、ITO層の電流の広がりを改善する金属電極を有するセグメントLED75の平面図である図6を参照する。電極73は、p電極71と、セグメント間を接続する直列接続電極とに接続されている。金属電極の導電率はITO層の導電率よりはるかに大きいので、非常に薄い電極で、基底構造に生じる光の散乱をそれほど妨げることなく電流の広がりを増大させることができる。本願発明の1つの形態において、電極により妨げられる領域は光放出領域の20%以下であり、好ましくは10%以下である。
代替的な薄いn電極73’を、n層の電流の広がりを改善するために、露出したn層の上に組み込むことができる。この電極は、光の発生を妨げることがないので電極73’は電極73より広い領域を覆うことができる。
直列接続電極は、セグメントを分離する隔離トレンチ中に蒸着した絶縁パッド上に適切な導体の層を蒸着することにより構築することができる。このような絶縁パッドを171に示す。直列接続電極は金属又はITOで構成することができることに留意すべきである。ITOは、透明度が高いという利点があるので、直列接続電極により光の通過が妨げられることが少ない。しかし、ITOは抵抗が大きいので、広い領域が必要となる。
セグメントLEDは、従来のLEDより高い電圧で動作するので、同じ光を発生させる場合従来のLEDより駆動電流が少ない。その結果、スイッチでの電力損失によりセグメントLEDの効率を実質的に変化させることなく、セグメントLEDに直列にスイッチを接続することができる。本発明の他の実施の形態による光源における本発明の特徴を図解した図7を参照する。光源80は、コントローラ82から電源供給を受ける複数のセグメントLED81で構成されている。各セグメントLEDは、コントローラ82のコントロール下にあるスイッチ84により母線の1つとつながっている。コントローラ82は、短絡により故障したセグメントLEDを除去するために用いられる。加えて、コントローラ82は、1以上のスイッチを操作することにより光源80の明るさを増大させたり減少させたりすることができる。スイッチはメカニカルスイッチとして示されているが、シングルドライバICとしてコントローラに組み込むこともできるトランジスタ又は他の半導体装置を含む、通電状態で十分インピーダンスが低いあらゆるタイプのスイッチを用いることもできることは了解されよう。
上述のおとり、本発明においてセグメントLEDを用いることの重要な利点は、変化に富んだコンポーネント光源同士で発生する光の量が異なることを補償することができるように、光源をコンポーネント光源に分割する一方で、従来のLEDより十分高い電圧で動作する光源を提供することができることである。
製造によるばらつきをσで表すことのできるLEDで組み立てられた光源を考える。これらのばらつきは、上述のように、LEDを組み付けた個々のウエハー間で生じ、所定の生産工程においてウエハーとウエハーとの間でもばらつきがある。例えば、LEDとLEDとの間の光出力のばらつきが標準偏差σを持つガウス分布で近似することができるが、LED出力の正確な分布の形は、以下に説明するとおり重要ではない。
一般に、最終的に光源は、光源と光源との間の光出力のばらつきに関する設計仕様及び各光源における光の強度の一様性に関する設計仕様を満足しなければならない。設計許容誤差により、光源が交換可能であることが保証される。つまり、製造された別の光源からの光出力は、光の観測者には外見及び強さにおいて元の光源とは区別がつかない。
ここで、本発明の他の実施の形態による光源90を図解した図8を参照する。M個のコンポーネント光源91が、光源の数が変わってもいいような2つの母線92及び93に並列につながれている場合を考える。Mは、光源の設計仕様中に規定されているような、所望の光出力を、平均して、M個のコンポーネント光源で発光させるように、選ぶ。各コンポーネント光源の平均光出力は、設計許容誤差で規定されている光出力の変動量より小さいと仮定する。この場合、M個のコンポーネント光源をその光源に装着し、その光出力を測定することができる。出力が大きすぎる場合、1個以上のコンポーネント光源を取り去ることで設計仕様に収まる光源の出力とする。出力が小さすぎる場合、1個以上のコンポーネント光源をその光源に追加する。
先行技術において、コンポーネント光源は、各コンポーネント光源が効率的な電圧で動作することができるように、従来のLEDを直列接続したものとなっている。2000ルーメンの光(100ワットの白熱電灯の光に相当)を出すよう設計した光源を考える。80ルーメンを生じさせる従来のLEDは、歩留まりとダイサイズとの間で良い妥協点をもたらしている。従って、25個のこのようなLED、すなわち5つの直列接続したものが母線の間で用いられる。それゆえ、各コンポーネント光源は目標光出力の20パーセントを発生させ、そのような直列接続したものを1つ取り去るか又は追加することにより光源の光出力が20パーセント変化し、このことは、そのような光源の一般的な設計誤差を超えることになる。それゆえに、LEDは、直列接続したものの光出力がそれぞれ、5個の直列接続で正確に設計許容誤差内の目標出力を出力するように、確実にばらつきを十分小さくするよう、直列接続したものの各々を適合させなければならない。このような廃棄と調和とのコストは、安価な光源では大きなものとなる。
代替的に、各光源について母線への電流を加減するようコントローラ94をプログラムし、個々のLEDの出力のばらつきを補償する。この処理では、各光源の光出力を計測し求める結果が得られるように電流を変化させることが必要となる。コントローラは、可変電流源と正しい電流を規定するパラメータを記憶させる記憶装置を備えなければならない。そのようなコントローラは、25個のセグメントLEDを用い、母線からセグメントLEDを取り除いたり付け加えたりすることで調整するような、光源に必要とされる単純なコントローラよりコストがかかる。
図8の構成は、個々のコンポーネント光源がAC電源から直接電源供給されるような、ACのLED光源の構成として用いることもでき、ここでは、従来のLEDの一般的な動作電圧VfをLED接合部の全数M*N倍で乗算したものが整流したAC電圧のピーク電圧Vpk(rms電圧の2倍の平方根に等しい)に等しいような、M個の直列接続されたNセグメントのセグメントLEDのそれぞれに、本質的にDC電圧を電源供給する全波整流ブリッジによりAC電源は整流されている。一般に、ターンオン電圧より電圧が小さいときにLEDがターンオンしない期間を埋め合わせるために、少しの間LEDにオーバーライドさせるために、M*N*VfはVpkより少し小さくなるよう選定する。あるいは、大容量キャパシタ(このようなアプリケーションに必要な高電圧に大容量のキャパシタンスを提供するために電解タイプのものが一般に必要となる)を、このような「オフタイム」にそこから放電することでLEDをターンオンさせておくために、並列に接続しておくこともできる。この概念は、よく知られているが、高価で寿命の短いキャパシタを使い光源のコストを上げ寿命の縮めることになる。本発明の1つの実施形態によるAC光源を図解した図9を参照する。光源100は、可変個数のコンポーネント光源が母線92及び93間に接続されている点で、図8を参照して上述した光源90に似ているが、要求される光出力が要求される許容範囲ないになるように光源の数が選定される。光源100は、コントローラ104は、母線間にAC出力電圧を供給し、コンポーネント光源、例えば101,102、の半分は母線間で反対方向に接続される点で、光源90と異なる。AC電源信号の半サイクルで、コンポーネント光源の半分が光を発し、他の半分はオフとなる。この方法は、LEDが2倍必要となるが、コストを削減し、整流ダイオードを追加する必要性がなくなる。
本発明のひとつの特徴において、コントローラ104は、1次・2次の比率を固定した変圧器を有する。このような実施の形態は特にコストの観点から魅力的である。しかし、母線に印加される出力電圧は、変圧器製造工程のばらつきにより影響を受ける。製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を変えることにより、コントローラ104のばらつきとは無関係に標準の出力を出すよう光源を調整することができるので、製造のばらつきを埋め合わせるために可変コントローラを必要とする光源より、低い製造コストの光源を提供することができる。
上述の光源は、個々のコンポーネント光源の光出力の違い、又は、コンポーネント光源に電源供給するコントローラの出力の違い、を補正するために、製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を調整することが頼みとなる。本発明の1つの特徴において、コンポーネント光源の数は、M個のコンポーネント光源を有する光源からはじめる。ここで、Mは適正な数又は、設計光出力を出すには不要なコンポーネント光源を1個又は2個付加した数になるように選ばれる。この光源は組み立てた後でテストする。この光源は正しい光出力、又は、高い光出力を出す。光出力が高すぎる場合は、母線の1つにあるリンク106を、レーザー切除又は類似の処理により切断し、通常動作時に、コンポーネント光源の1つに電源が供給されないようにする。この光源は、1つ以上のコンポーネント光源を切除することができるように、複数のこのタイプのリンクを設けることができる。
この方法は、1つ又は2つの追加コンポーネント光源を含めることにより、完全に自動的な組立工程を提供する。コンポーネント光源がセグメントLEDならば、そのコストは、1つ又は2つの追加LEDダイのコストと同じであり、多くの応用例で受け入れ可能である。
セグメントLEDの場合でも、光源の均一性を保持するためにいくつかのLEDをグループ化しなければならないことが必要であることに留意すべきである。複数のLEDを持つ光源の物理的な大きさは十分大きいので、光出力が十分異なるLEDにより引き起こされる部分的な不均一をユーザが検出することができる。一般に、製造工程のばらつきによる光の強さのばらつきは、光源に許される最大のばらつきより大きい。このような光出力のばらつきは、ウエハー毎に又は製造工程でウエハー毎に生じる。したがって、監視者から見てグループ化したLEDがすべて十分均一化されるように、同じような光出力を持つグループにLEDをグループ分けしなければならない。
光源でセグメントLEDのばらつきの最大許容度は、σmで表される。すなわち、1つの光源内でセグメントLEDは、I±σmで規定される範囲の強さを持たなければならない。一般に、製造時のばらつきは、σ>σmで特徴付けられる。従って、セグメントLEDは、各グループが平均光強度を持つことを特徴とするグループ(ビン)に、重複することなく分けられる。それぞれI1及びI2の平均強度を持つことを特徴とする2つのグループがある場合の処理を考える。光源を製造するために用いるセグメントLEDの最小の数は、光源の設計仕様内でMI1が(M+1)I2に等しくなるように、選定する。一般に、ビン内のばらつきは約10パーセントである。
例えば、セグメントLED1つにつき公称80ルーメンのセグメントLEDから2000ルーメンの光源を製造する場合を考える。ウエハーのロットを通じて、セグメントLED1つにつき70ルーメンから90ルーメンの範囲でばらつきのあるセグメントLEDを考える。このセグメントLEDは4つのビン、70から75ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第1のビン、75から80ルーメンの出力を持つLEDのための第2のビン、80から85ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第3のビン、及び85から90ルーメンの出力を持つセグメントLEDのための第4のビン、に分けられる。目標とする光源は、第1のビンから29個のセグメントLEDを用いるか、又は第2のビンから26個のセグメントLEDを用いるか、又は第3のビンから23個のセグメントLEDを用いるか、又は第4のビンから22個のセグメントLEDを用いることにより組み立てることができる。母線は、セグメントLEDの数量の変更に対応できるので、光源をどのように選んでも同じ電源装置、同じ配置を用いることができ、そして、本質的に同じ製造工程からのすべてのセグメントLEDを用いることができる。加えて、設計仕様に合致させるために、製造後に光源を測定し調整する必要がない。しかし、このような測定と調整とを、光源と光源との間のばらつきを最終的にさらに減少させるために、行うことができる。
上述のとおり、好ましいコンポーネント光源は、セグメントLEDである。一般に、並列に接続したコンポーネント光源に効率的に電源供給するためには、コンポーネント光源は、通常GaNベースのLEDでは3.2ボルトとなる単一接合LEDへ供給する電圧よりも、十分大きい電圧で作動しなければならない。本発明の1つの実施の形態では、5セグメントのセグメントLEDは、駆動電圧16Vのコンポーネント光源を提供するために用いられる。しかし、駆動電圧が、問題となっている材料系の単一接合LEDの少なくとも3倍であるコンポーネント光源を、代わりに用いることができる。
以下、出願当初の請求項1〜11に係る発明を記載する。
[項1]
光源であって、
電源母線に並列に接続した複数のセグメントLEDであって、該電源母線に接続するセグメントLEDの数は可変であり、該数は、前記光源が所定の光出力を出力するよう選定されていることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
AC電源を受け取り前記電源母線に電源信号を送るコントローラと、
を具備することを特徴とする光源。
[項2]
各セグメントLEDは、該セグメントLEDと同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つことを特徴とする、項1に記載の光源。
[項3]
各セグメントLEDは、前記複数のセグメントLEDから発生する光の強さの平均の10%より低い所定の強さの範囲内の強さの光を発生することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項4]
前記電源母線は、該電源母線から前記セグメントLEDの1つを切り離す、切断可能なリンクを有することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項5]
前記切断可能なリンクは、レーザー切除により切除可能な導電領域を具備することを特徴とする、項4に記載の光源。
[項6]
前記電源母線は、前記コントローラからの命令に応答して前記セグメントLEDの1つを切り離すスイッチを有することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項7]
光源を製造する方法であって、該方法は、
第1の母線と第2の母線を有する基板を用意するステップと、
前記第1の母線と第2の母線に電源信号を発生する、コントローラを備え付けるステップと、
M個のセグメントLEDを前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続するステップであって、各セグメントLEDは、前記電源信号により電源供給されたとき第1の所定の光の強さの範囲内の強さの光を生じさせることを特徴とする、ステップと、
を具備することを特徴とする方法。
[項8]
前記光源からの光出力を測定し、測定した光出力が目標とする光出力と異なる場合は、前記母線に接続したセグメントLEDの数を変更するステップをさらに具備することを特徴とする、項7に記載の方法。
[項9]
前記セグメントLEDの内の1つを前記母線から切断することを特徴とする、項8に記載の方法。
[項10]
前記セグメントLEDの内の1つは、前記母線の内の1つリンクを切除することにより、切断することを特徴とする、項9に記載の方法。
[項11]
実質的に同じ強さの目標出力を有する複数の光源を製造する方法であって、該方法は、
複数のセグメントLEDを各セグメントLEDについて計測した光の強さに応じて複数のグループにグループ分けするステップであって、各グループは、グループ内に分散した平均的な光の強さをもつことを特徴とする、ステップと、
前記目標出力の強さを有する第1の光源と第2の光源とを製造するステップであって、該第1の光源と第2の光源とは、
第1の母線と第2の母線を有する第1の基板と、
前記第1の母線と第2の母線とに電源信号を発生するコントローラと、
前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続した前記グループのうちの1つの複数のセグメントLEDであって、該複数のセグメントLEDは、前記目標出力と実質的に同じ強さを有する光出力を集合的に発生し、
前記第1の光源は、前記第2の光源とは異なるグループのセグメントLEDからなり、前記1の光源中の前記複数のセグメントLEDは、前記第2の光源中の前記複数のセグメントLEDのセグメントLEDの数とは異なることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
を具備する、ことを特徴とするステップと、
を具備する、ことを特徴とする方法。
[項1]
光源であって、
電源母線に並列に接続した複数のセグメントLEDであって、該電源母線に接続するセグメントLEDの数は可変であり、該数は、前記光源が所定の光出力を出力するよう選定されていることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
AC電源を受け取り前記電源母線に電源信号を送るコントローラと、
を具備することを特徴とする光源。
[項2]
各セグメントLEDは、該セグメントLEDと同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つことを特徴とする、項1に記載の光源。
[項3]
各セグメントLEDは、前記複数のセグメントLEDから発生する光の強さの平均の10%より低い所定の強さの範囲内の強さの光を発生することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項4]
前記電源母線は、該電源母線から前記セグメントLEDの1つを切り離す、切断可能なリンクを有することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項5]
前記切断可能なリンクは、レーザー切除により切除可能な導電領域を具備することを特徴とする、項4に記載の光源。
[項6]
前記電源母線は、前記コントローラからの命令に応答して前記セグメントLEDの1つを切り離すスイッチを有することを特徴とする、項1に記載の光源。
[項7]
光源を製造する方法であって、該方法は、
第1の母線と第2の母線を有する基板を用意するステップと、
前記第1の母線と第2の母線に電源信号を発生する、コントローラを備え付けるステップと、
M個のセグメントLEDを前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続するステップであって、各セグメントLEDは、前記電源信号により電源供給されたとき第1の所定の光の強さの範囲内の強さの光を生じさせることを特徴とする、ステップと、
を具備することを特徴とする方法。
[項8]
前記光源からの光出力を測定し、測定した光出力が目標とする光出力と異なる場合は、前記母線に接続したセグメントLEDの数を変更するステップをさらに具備することを特徴とする、項7に記載の方法。
[項9]
前記セグメントLEDの内の1つを前記母線から切断することを特徴とする、項8に記載の方法。
[項10]
前記セグメントLEDの内の1つは、前記母線の内の1つリンクを切除することにより、切断することを特徴とする、項9に記載の方法。
[項11]
実質的に同じ強さの目標出力を有する複数の光源を製造する方法であって、該方法は、
複数のセグメントLEDを各セグメントLEDについて計測した光の強さに応じて複数のグループにグループ分けするステップであって、各グループは、グループ内に分散した平均的な光の強さをもつことを特徴とする、ステップと、
前記目標出力の強さを有する第1の光源と第2の光源とを製造するステップであって、該第1の光源と第2の光源とは、
第1の母線と第2の母線を有する第1の基板と、
前記第1の母線と第2の母線とに電源信号を発生するコントローラと、
前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続した前記グループのうちの1つの複数のセグメントLEDであって、該複数のセグメントLEDは、前記目標出力と実質的に同じ強さを有する光出力を集合的に発生し、
前記第1の光源は、前記第2の光源とは異なるグループのセグメントLEDからなり、前記1の光源中の前記複数のセグメントLEDは、前記第2の光源中の前記複数のセグメントLEDのセグメントLEDの数とは異なることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
を具備する、ことを特徴とするステップと、
を具備する、ことを特徴とする方法。
本願発明の上記実施の形態は本発明の種々の特徴を概説するために記載したものである。しかし、異なる具体的実施の形態として示される本発明の別の特徴を本発明の他の実施の形態として組み込むことができる。加えて、先の説明及び添付図から、本発明に種々の変形を加えることができるのは明らかであろう。従って、本発明は以下の特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるべきものである。
Claims (15)
- 光源であって、
電源母線に並列に接続した複数のセグメントLEDであって、該電源母線に接続するセグメントLEDの数は可変であり、該数は、前記光源が所定の光出力を出力するよう選定されていることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
AC電源を受け取り前記電源母線に電源信号を送るコントローラと、
を具備することを特徴とする光源。 - 各セグメントLEDは、該セグメントLEDと同系統の材料で作られた従来のLEDの駆動電圧より3倍以上大きい駆動電圧を持つことを特徴とする、請求項1に記載の光源。
- 各セグメントLEDは、前記複数のセグメントLEDから発生する光の強さの平均の10%より低い所定の強さの範囲内の強さの光を発生することを特徴とする、請求項1に記載の光源。
- 前記電源母線は、該電源母線から前記セグメントLEDの1つを切り離す、切断可能なリンクを有することを特徴とする、請求項1に記載の光源。
- 前記切断可能なリンクは、レーザー切除により切除可能な導電領域を具備することを特徴とする、請求項4に記載の光源。
- 前記電源母線は、前記コントローラからの命令に応答して前記セグメントLEDの1つを切り離すスイッチを有することを特徴とする、請求項1に記載の光源。
- 光源を製造する方法であって、該方法は、
第1の母線と第2の母線を有する基板を用意するステップと、
前記第1の母線と第2の母線に電源信号を発生する、コントローラを備え付けるステップと、
M個のセグメントLEDを前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続するステップであって、各セグメントLEDは、前記電源信号により電源供給されたとき第1の所定の光の強さの範囲内の強さの光を生じさせることを特徴とする、ステップと、
を具備することを特徴とする方法。 - 前記光源からの光出力を測定し、測定した光出力が目標とする光出力と異なる場合は、前記母線に接続したセグメントLEDの数を変更するステップをさらに具備することを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 前記セグメントLEDの内の1つを前記母線から切断することを特徴とする、請求項8に記載の方法。
- 前記セグメントLEDの内の1つは、前記母線の内の1つリンクを切除することにより、切断することを特徴とする、請求項9に記載の方法。
- 実質的に同じ強さの目標出力を有する複数の光源を製造する方法であって、該方法は、
複数のセグメントLEDを各セグメントLEDについて計測した光の強さに応じて複数のグループにグループ分けするステップであって、各グループは、グループ内に分散した平均的な光の強さをもつことを特徴とする、ステップと、
前記目標出力の強さを有する第1の光源と第2の光源とを製造するステップであって、該第1の光源と第2の光源とは、
第1の母線と第2の母線を有する第1の基板と、
前記第1の母線と第2の母線とに電源信号を発生するコントローラと、
前記第1の母線と第2の母線との間に並列に接続した前記グループのうちの1つの複数のセグメントLEDであって、該複数のセグメントLEDは、前記目標出力と実質的に同じ強さを有する光出力を集合的に発生し、
前記第1の光源は、前記第2の光源とは異なるグループのセグメントLEDからなり、前記1の光源中の前記複数のセグメントLEDは、前記第2の光源中の前記複数のセグメントLEDのセグメントLEDの数とは異なることを特徴とする、複数のセグメントLEDと、
を具備する、ことを特徴とするステップと、
を具備する、ことを特徴とする方法。 - 光源であって、
基板と、
光放出構造であって、
前記基板に蒸着させた第1の導電タイプの半導体材料の第1の層と、
前記第1の層を覆う活性層と、
前記活性層を覆う、前記第1の導電タイプとは反対の導電タイプの半導体材料の第2の層と、
を具備する光放出構造と、
前記光放出構造を、相互に電気的に絶縁された第1のセグメントと第2のセグメントとに分離するバリアと、
前記第1のセグメント中の前記第1の層と前記第2のセグメント中の前記第2の層とを接続する直列接続電極と、
前記第1のセグメント中の前記第2の層に電気的に接続された第1の電源接点と、
前記第2のセグメント中の前記第1の層に電気的に接続された第2の電源接点であって、前記第1のセグメントと前記第2のセグメントは、前記第1の電源接点と前記第2の電源接点との間で電位差が生じたとき、光を発生する第2の電源接点と、
を具備し、
前記直列接続電極は前記バリアで隔離された複数の導体を具備することを特徴とする光源。 - 前記第2の層は、Pタイプ半導体を具備し、前記光源は、前記第2の層を覆う透明な電極と、該透明な電極を覆う電流を前記透明な電極の異なる場所に配分する、複数の電流拡散電極とを具備し、該電流拡散電極は、前記直列接続電極に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項12に記載の光源。
- 前記電流拡散電極は、前記第2の層の20パーセント以下を覆うことを特徴とする、請求項13に記載の光源。
- 前記隔離された複数の導体は、前記バリアに垂直方向の導体幅で特徴付けられ、前記隔離された複数の導体は、前記導体幅の5倍以上の間隔で相互に隔てられていることを特徴とする、請求項12に記載の光源。
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