CN102024890B - 发光二极管、发光装置、照明装置、显示器及信号灯 - Google Patents

发光二极管、发光装置、照明装置、显示器及信号灯 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发光二极管、发光装置、照明装置、显示器及信号灯，能够实现大发光量、高发光效率、均匀化面发光，而且价格便宜。半导体发光层(2)被层叠在基板1的一个面上。对半导体发光层(2)供给电能的电极(411～444)，由填充在贯通基板并到达半导体发光层(2)的微细孔(511～544)内的导体构成。

Description

发光二极管、发光装置、照明装置、显示器及信号灯
技术领域
本发明涉及发光二极管、使用了该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
背景技术
发光二极管具有节能、寿命长的优点，作为照明装置、彩色图像显示装置、液晶板的背照光或者交通信号灯等的光源而被人注目。
发光二极管例如采用蓝色发光二极管为例时，例如像在(日本)特开2001-210867号公报中公开的那样，是在由蓝宝石构成的基板的表面，依次层叠有缓冲层、N型GaN层、活性层、P型GaN层、及透明电极层的构造。
在透明电极层的一部分表面上，形成有P侧电极，并且干法刻蚀透明电极层、P型GaN层及活性层的一部分，使N型GaN层的一部分露出，在该露出的N型GaN层上形成有N侧电极。在(日本)特开2009-71337号公报、(日本)特开2008-153634号中，也公开有同样的层叠构造及电极构造。
如上所述，在以往的发光二极管中，因为作成了如下构造，而导致发光面积缩小至仅P侧电极及N侧电极的占有面积，所述构造为：将P侧电极形成在作为发光面的透明电极层的表面，另一方面干法刻蚀透明电极层、P型GaN层及活性层的一部分，使N型GaN层的一部分露出，且在该露出的N型GaN层上形成有N侧电极。因此，结果理所当然，发光量降低，发光效率也降低。
而且，因为是将N侧电极限定地、集中地设置在N型GaN层的露出部分的构造，所以具有电流集中于该部分的倾向，从而阻碍均匀的面发光。
进而，在用于形成N侧电极的干法刻蚀中必须使用ICP型RIE装置。ICP型RIE装置是以各种Si微机电(MEMS)用途为代表，还可用于利用化合物半导体蚀刻的高频器件加工、及利用AlTic刻蚀(アルチツクエツチング)的薄膜磁头加工等中的装置，但是为极其高价的装置。如此高额的设备成本反映在发光二极管的成本提高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种发光量大且发光效率高的发光二极管、及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
本发明的另一个目的在于，提供一种可以促进电流的面扩散、实现均匀的面发光的发光二极管、及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
本发明的再一个目的在于，提供一种低成本的发光二极管、及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
为了解决上述目的的至少一个，本发明涉及的发光二极管包含基板、半导体发光层及电极。上述半导体发光层被层叠在上述基板的一个面上。上述电极对上述半导体发光层供给电能，且由填充在贯通上述基板并到达上述半导体发光层的微细孔内的导体构成。
以往，关于对半导体发光层供给电能的电极，为在透明电极层的一部分表面形成有P侧电极，且在通过干法刻蚀而被露出的N型GaN层形成有N侧电极的构造。因此，产生了上述的问题。
在本发明中，作为解决该问题的方法，电极是由填充在贯通基板并到达半导体发光层的微细孔内的导体构成。利用该构成，可以得到下面的作用效果。
(a)因为导体是由填充在贯通基板并到达半导体发光层的微细孔内的导体构成，所以可以将电极导出至基板的背面等，与外部电源连接。不管是P侧电极，还是N侧电极，因为它们没有出现在发光面上，所以没有因电极而导致的发光面积缩小。因此，可以实现发光量大、发光效率高的发光二极管。
(b)半导体发光层的电流的面密度依赖于微细孔的面密度。因此，通过将对于半导体发光层的面的微细孔的面密度高密度化、均匀化等，可以不必具有透明电极层，而能够促进对半导体发光层的电流的面扩散，实现均匀的面发光。因此，可以省略透明电极层，从而达到制造过程的简单化，随之提高生产效率，并降低成本。而且因为没有透明电极层导致的光能量的损失，所以发光量及发光效率提高。但是，并非排除透明电极层。
(c)可以使用激光穿孔法或化学穿孔法等公知的穿孔技术容易地形成微细孔。而且，因为电极是由在这样被穿孔的微细孔内填充的导体构成，所以在制造电极时，可以将导体浆料或者熔融金属填充至微细孔内，且采用加压的方法。通过该方法，可以在微细孔内形成无空洞的致密的电极。若维持加压状态不变使其固化，则可以得到更好的结果。
而且，上述的制造方法属于冲压加工法，与以往的使用ICP型RIE装置的干法刻蚀加工法相比，设备费显著便宜，处理时间也变短。因此，可以实现低成本的发光二极管。
微细孔优选以规定的面密度分布。由此，可以促进对半导体发光层的电流的面扩散，实现均匀的面发光。在相邻的微细孔中，一个微细孔内的电极为P侧电极，其他的微细孔内的电极为N侧电极。微细孔的孔径为μm级。
在半导体发光层的光出射侧的面具有透明电极层，电极的一部分例如P侧电极的一端部，也可以与透明电极层连接。由此，可以得到基于电极分布的电流的面扩散的促进、并得到基于透明电极层的电流的面扩散的促进作用。
发光二极管为红色发光二极管、绿色发光二极管或者蓝色发光二极管的任何一个即可，也可以为白色发光二极管。
本发明进而公开使用上述发光二极管的发光装置、照明装置、显示器(显示装置)及信号灯。
如上所述，基于本发明，可以得到如下的效果。
(a)可以提供一种发光量大、发光效率高的发光二极管、以及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
(b)可以提供一种能够促进电流的面扩散，实现均匀的面发光的发光二极管、以及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
(c)可以提供一种低成本的发光二极管、以及使用该发光二极管的发光装置、照明装置、显示器及信号灯。
关于本发明的其他目的、结构及优点，参照附图更详细地说明。附图仅为例示。
附图说明
图1为表示本发明涉及的发光二极管的实施方式的部分剖视图。
图2为图1中图示的发光二极管的仰视图。
图3为表示本发明涉及的发光二极管的另一实施方式的部分剖视图。
图4为表示本发明涉及的发光二极管的又一实施方式的部分剖视图。
图5为表示本发明涉及的发光二极管的又一实施方式的部分剖视图。
图6为图5所示的发光二极管的仰视图。
图7为表示使用本发明涉及的发光二极管的发光装置的实施方式的部分剖视图。
图8为表示使用本发明涉及的发光二极管的发光装置的另一实施方式的部分剖视图。
图9为表示使用本发明涉及的发光二极管的发光装置的又一实施方式的部分剖视图。
图10为图9所示的发光装置的平面视图。
图11为表示使用本发明涉及的发光二极管的发光装置的又一实施方式的部分剖视图。
图12为表示使用本发明涉及的发光二极管的液晶显示器的结构的部分剖视图。
符号说明
1基板；2半导体发光层；411～4MN电极；511～5MN微细孔
具体实施方式
1、发光二极管
本发明涉及的发光二极管包含基板1、半导体发光层2及电极(411～444)。半导体发光层2被层叠在基板1的一个面上。电极(411～444)对半导体发光层2供给电能，且由填充在贯通基板1并到达半导体发光层2的微细孔内的导体而构成。
代表性的基板1是蓝宝石基板1。在基板1的一个面上具有缓冲层3，半导体发光层2隔着缓冲层3被搭载到基板1之上。
半导体发光层2在发光二极管中是众所周知的。具有pn结，代表性的是使用III-V族化合物半导体。但是，不限于现有技术，还可以包含以下提出的化合物半导体。
在本发明中，发光二极管可以是红色发光二极管、绿色发光二极管、蓝色发光二极管、橙色发光二极管之中的任何一个，也可以是白色发光二极管。在这些发光二极管中，构成半导体发光层2的半导体材料的一例如以下所示。
(a)红色发光二极管
(1)使用砷(As)系化合物半导体的二极管
例：AlGaAs系红色发光二极管
(2)使用砷(As)、磷(P)系化合物半导体的二极管
例：GaAsP系红色发光二极管
(b)绿色发光二极管
(1)使用磷(P)系化合物半导体的二极管
例：GaP系绿色发光二极管
(2)使用氮(N)系化合物半导体的二极管
例：GaN系绿色发光二极管
(c)蓝色发光二极管
使用氮(N)系化合物半导体的二极管
例：GaN系蓝色发光二极管
(d)白色发光二极管
使用氮(N)系化合物半导体的二极管
例：GaN系白色发光二极管
(e)橙色发光二极管
使用磷(P)系四元混晶化合物半导体的二极管
例：AlGaInP系橙色发光二极管
图1及图2表示使用氮(N)系化合物半导体的GaN系蓝色发光二极管的一例。参照附图，半导体发光层2具有如下结构：于附着在由蓝宝石构成的基板1的一个面上的缓冲层3之上，依次层叠n型半导体层21、活性层22、p型半导体层23及顶层24。作为一例，n型半导体层21由掺杂Si的GaN层构成，p型半导体层23由掺杂Mg的GaN层构成。
有时活性层22具有由GaN-InGaN等构成的多重量子阱MQW(MultipleQuantum Well)结构，且在与p型半导体层23连接侧具有Al-GaN超格子帽层。顶层24为光学上透明的光学层即可，不需要为透明电极层。即，有时在半导体发光层2的光出射面没有透明电极。
关于电极，以往为如下构造：在透明电极层的一部分表面形成有P侧电极，在通过干法刻蚀而被露出的n型GaN层上形成有n侧电极。由此，产生了已指出的问题。
在本发明中，作为解决该问题的方法，电极(411～444)由填充在贯通基板1并到达半导体发光层2的微细孔(511～544)内的导体构成。
微细孔(511～544)优选以规定的面密度来分布。由此，可以用在微细孔(511～544)的内部填充的电极(411～444)代替以往的透明电极层作为电极发挥功能，促进对半导体发光层2的电流面扩散，实现均匀的面发光。因此，一边改善发光量及发光效率，一边省略以往必须的透明电极层，可以简化制造工序，谋求成本降低。而且，因为没有透明电极层导致的光能的损失，所以发光量及发光效率提高。
在实施方式中，在基板1的面上，以规定的节距间隔，将微细孔(511～544)配置成4行4列的矩阵状。行数及列数为任意。微细孔(511～544)的孔径为μm级。节距间隔也为如上述量级即可。
基于上述的发光二极管，可以得到下面的作用效果。
(a)因为由填充在贯通基板1并到达半导体发光层2的微细孔(511～544)内的导体构成电极(411～444)，所以可以将电极(411～444)导出至基板1的背面等，且与外部电源连接。不管是p侧电极还是n侧电极，因为他们不呈现在发光面上，所以没有因电极结构而导致的发光面的面积缩小。因此，可以实现发光量大、发光效率高的发光二极管。
(b)半导体发光层2的电流分布依赖于微细孔(511～544)的分布。因此，通过将微细孔(511～544)对半导体发光层2的面的面分布高密度化、均匀化等，可以促进对半导体发光层2的电流的面扩散，均匀化电流分布，实现均匀的面发光。但是，并非排除透明电极层。
(c)可以使用激光穿孔法或化学的穿孔法等公知的穿孔技术，容易地形成微细孔(511～544)。而且，电极(411～444)是由在这样穿孔的微细孔(511～544)内填充的导体构成，所以在制造电极时，可以将导体浆料或熔融金属填充到微细孔(511～544)内，且采用加压的方法。基于该方法，可以形成在微细孔(511～544)内无空洞的致密的电极(411～444)。若维持加压状态不变而使其固化，则可以得到更好的结果。
上述的加压填充制造方法属于冲压加工法，与以往的使用了ICP型RIE装置的干法刻蚀加工法相比，设备费显著便宜，处理时间也变短。因此，可以实现低成本的发光二极管。
如上所述，电极(411～444)也可以使用导体浆料来形成。但是从电特性的提高及电极本身品质的提高等观点出发，优选使用熔融金属来形成。作为此情况下使用的金属材料的主要的物质，可以例示铋(Bi)、铟(In)、锡(Sn)及铜(Cu)。特别，含有铋(Bi)时，可以通过铋(Bi)具有的凝固时的体积膨胀特性，在微细孔(511～544)的内部形成不产生空洞及空隙的致密的电极(411～444)。作为熔融金属，可以使用利用上述的金属材料将由粒径1μm以下、结晶径200nm以下的多结晶体的集合体构成的粒子(纳米粒子)的粉体熔融而成的熔融金属。
微细孔(511～544)中的相互临接的微细孔，例如，在微细孔512、和微细孔511、513中，一方的微细孔511、513内的电极411、413设为p侧电极，另一方的微细孔512内的电极412设为n侧电极。在图2中，施加了斜线的电极为p侧电极，这以外为n侧电极。
作为p侧电极的电极411、413贯通基板1，进而贯通缓冲层3、n型半导体层21及活性层22，前端插入p型半导体层23。电极411、413的需要电绝缘的区域被绝缘膜6覆盖。作为n侧电极的电极412贯通基板1及缓冲层，且前端插入n型半导体层而止。
在图3中，图示有本发明涉及的发光二极管的另一实施方式。图中，在与图1及图2中出现的结构部分相对应的部分中，赋予相同参考符号，并省略重复说明。
图3所示的实施方式的特征是，n型半导体层21为层叠了非掺杂GaN层211、及掺杂硅的GaN层212的构造。
对微细孔(511～544)中的相互临接的微细孔，例如，微细孔512、及微细孔511、513进行说明时，在微细孔511、513的内部填充的电极411、413，贯通基板1、缓冲层3、n型半导体层21及活性层22，且前端插入p型半导体层23。
另一方面，作为n侧电极的电极412贯通基板1、缓冲层3及非掺杂GaN层211，且前端插入掺杂Si的GaN层212而止。
在图4中，图示有本发明涉及的发光二极管的又一实施方式。图中，在与图1及图2中出现的构成部分相对应的部分中，赋予相同参照符号，并省略重复说明。
该实施方式的特征，是被设置在半导体发光层2的光出射侧的面上的顶层24由光学上透明的透明电极层构成这一点。电极(411～444)中的P侧电极(411、413)的一端部，与透明电极层24连接。由此，可以得到基于电极(411～444)分布的电流的面扩散的促进，并得到基于透明电极层24的电流的面扩散的促进作用。
接着，参照图5及图6，图示发光面积大的发光二极管。图中，在与图1及图2中出现的构成部分相对应的部分中，赋予相同参照符号，并省略重复说明。
在图5及图6的实施方式中，微细孔(511～5NM)在基板1的面上以规定的节距间隔被配置为M行N列的矩阵状。因此，形成在微细孔(511～5NM)的内部的电极(411～4NM)也为M行N列的矩阵状配置，从而可以确保在行数M及列数N上大致成比例的大的发光面积及发光量。
2.发光装置
本发明公开涉及两个方式的发光装置。
(1)第一方式的发光装置
参照图7，第一方式的发光装置包含发光二极管LED及荧光体8。发光二极管LED为参照图1～图4进行说明的本发明涉及的发光二极管。荧光体8被设置在发光二极管LED的光出射侧，且发出颜色与发光二极管LED的发光不同的光。
例如，在发光二极管LED使用了蓝色发光二极管，而荧光体8使用对蓝色发光二极管发出的蓝色光发出补色光的荧光体的情况下，可以得到白色光(可见光)。蓝色发光二极管使用了GaN系化合物半导体时，作为对应的荧光体8使用YAG系荧光体8。
但是，因为作为发光装置的发色光，可以通过发光二极管LED的类型及荧光体8的光学特性而广范围地设定，所以不限定于白色光。
在母板9的一个面上搭载有发光二极管LED，在母板9的另一个面侧具有用于对电极411～414等供电的端子10、11。荧光体8在母板9的一个面上将发光二极管LED覆盖成所谓的“弹丸状”。
进而，参照图8，与在图7中图示的发光装置相比，图示有发光面积极大的发光装置。该发光装置适合作为面发光器件。如在图5及图6等中说明地那样，发光二极管LED是将微细孔(511～5MN)及电极(411～4MN)配置成M行N列的LED，从而可以确保大面积的发光面。在该大面积的发光二极管LED的光出射侧(发光面侧)，设置有发出颜色与发光二极管LED的发光不同的光的荧光体8。
在发光二极管LED使用蓝色发光二极管，而荧光体8使用对蓝色发光二极管发出的蓝色光发出补色光的荧光体的情况下，可以得到在照明装置或液晶背照光等中极其有用的大面积的白色光(可见光)的发光装置。
(2)第二方式的发光装置
第二方式中的发光装置在图9～图11中被图示。首先，参照图9、图10，包含红色发光二极管R、绿色发光二极管G、及蓝色发光二极管B的组合。该发光装置是组合作为光的三原色的红色、绿色及蓝色的各发光二极管R、G、B(作为1个单元)，得到白色光的装置。
红色发光二极管R、绿色发光二极管G及蓝色发光二极管B的任何一个都是本发明中涉及的发光二极管。
接着，参照图11，通过将红色、绿色及蓝色的各发光二极管R、G、B组合并作为1个单元，且将该发光二极管单元(C11～CMN)配置为M行N列的部件，从而成为具有大面积的发光面的白色光的发光装置。
3.照明装置
本发明中涉及的照明装置，可以使用在图7～图11中图示的发光装置而构成。在使用了图7中示出的发光装置时，将多个进行排列，而产生中间色光、白色光。发光装置优选以窄节距排列成矩阵状(纵横状)。
接着，使用图8示出的发光装置时，因为发光装置本身被大面积化，所以可以原样使用并生成中间色光、白色光。为了进一步大面积化，将多个图8中示出的发光装置排列为横或纵即可。
使用在图9及图10中示出的发光装置时，将多个发光装置进行排列，产生中间色光、白色光。优选发光装置以窄节距排列为矩阵状(纵横状)。
使用在图11中示出的发光装置时，因为发光装置本身被大面积化，所以可以原样使用并生成中间色光、白色光。为了进一步大面积化，将多个图11中示出的发光装置排列为横或纵即可。
4.显示器
本发明中涉及的显示器(显示装置)包含液晶显示器及发光二极管显示器。
(1)液晶显示器
参照图12，液晶显示器具有液晶板12及背照光13。背照光13由使用了在图7～图11中示出的发光装置的本发明涉及的照明装置构成，并从该背面照明液晶板12。图12例示了使用了图8中所示的发光装置的情况。
(2)发光二极管显示器
本发明中涉及的发光二极管显示器为排列有多个发光装置的显示器。发光装置优选在图11中图示的发光装置。即，包含红色发光二极管R、绿色发光二极管G及蓝色发光二极管B的组合(作为1个单元)。红色发光二极管R、绿色发光二极管G及蓝色发光二极管B的任何一个都是本发明中涉及的发光二极管。放置在个1单元内，分别驱动排列为点状的红色、绿色及蓝色的各发光二极管R、G、B，显示期望的彩色画面。
5.信号灯
本发明中涉及的信号灯为排列有发光二极管的信号灯。发光二极管LED为本发明中涉及的装置。需要的信号灯色光可以通过发光二极管的类型、及其与荧光体8的组合来实现。
以上，参照优选的实施方式具体说明了本发明的内容，但是基于本发明的基本的技术思想及启示，对于本领域的技术人员而言，应当能够采用各种变形方式。

Claims (8)

1.一种发光二极管，包括基板、半导体发光层及电极，其特征在于，
上述半导体发光层被层叠在上述基板的一个面上；
上述电极由填充在贯通上述基板并到达上述半导体发光层的微细孔内的导体构成；
上述半导体发光层包含依次层叠的n型半导体层及p型半导体层；
上述电极包含n侧电极及p侧电极；
上述n侧电极及上述p侧电极的一方，贯通上述p型半导体层及上述n型半导体层之中位于上述基板侧且不与自己连接的一方的半导体层，其前端插入另一方的半导体层而止；
上述n侧电极及上述p侧电极的另一方，从上述基板的与上述一个面相反侧的另一个面侧贯通上述基板，其前端插入位于上述基板侧的上述一方的半导体层而止。
2.如权利要求1记载的发光二极管，其特征在于，
上述微细孔以规定的面密度分布，
在上述微细孔的内部填充的上述n侧电极及上述p侧电极，用作对于上述n型半导体层及上述p型半导体层的电流面扩散电极。
3.一种发光装置，包含发光二极管及荧光体，其特征在于，
上述发光二极管如权利要求1或2所述；
上述荧光体被设置在上述发光二极管的光出射侧，发出颜色与上述发光二极管的发光不同的光。
4.一种发光装置，包含红色发光二极管、绿色发光二极管及蓝色发光二极管的组合，其特征在于，
上述红色发光二极管、上述绿色发光二极管及蓝色发光二极管如权利要求1或2所述。
5.一种照明装置，排列有多个发光装置，其特征在于，
上述发光装置如权利要求3或4所述。
6.一种液晶显示器，具有液晶板及背照光，其特征在于，
上述背照光是权利要求5所述的照明装置；
上述背照光从背面照明上述液晶板。
7.一种发光二极管显示器，排列有多个发光装置，其特征在于，
上述发光装置如权利要求4所述。
8.一种信号灯，排列有发光二极管，其特征在于，
上述发光二极管如权利要求1或2所述。
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