DE112007002685T5

DE112007002685T5 - Leuchtelement mit einer Vielzahl von Zellen

Info

Publication number: DE112007002685T5
Application number: DE112007002685T
Authority: DE
Inventors: Dae Won Asan Kim; Dae Sung Ansan Kal
Original assignee: Seoul Optodevice Co Ltd
Current assignee: Seoul Viosys Co Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-10-22
Also published as: KR20080058724A; WO2008078880A1; JP2010514198A; US7999271B2; KR101158079B1; US20100059763A1

Abstract

Ein lichtemittierendes Element umfassend:
wenigstens ein erstes Array mit einer Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat; und
wenigstens ein zweites Array mit einer weiteren Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen vertikalen lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat, wobei das zweite Array anti-parallel mit dem ersten Array verbunden ist,
wobei jede der vertikal lichtemittierenden Zellen in dem ersten und zweiten Array ein erstes Elektrodenpad an einer unteren Oberfläche und ein zweites Elektrodenpad an einer oberen Oberfläche aufweist und
ein Verbindungsbereich vorgesehen ist, um das erste Elektrodenpad der lichtemittierenden Zelle in dem ersten Array mit dem ersten Elektrodenpad der lichtemittierenden Zelle in dem zweiten Array zu verbinden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein lichtabstrahlendes Element mit einer Vielzahl von Zellen und im Speziellen ein lichtabstrahlendes Element mit einer Vielzahl von vertikalen lichtabstrahlenden Zellen, welche auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind.
Technologischer Hintergrund
Eine Leuchtdiode (LED) ist ein Bauelement, bei dem Minoritätsträger (Elektronen oder Löcher) injiziert werden, indem eine P-N Übergangsstruktur eines Halbleiters genutzt wird, wobei ein bestimmtes Licht durch Rekombination der Ladungsträger ausgestrahlt wird. Eine derartige LED wird als Anzeigeelement oder Hintergrundbeleuchtung benutzt. Neuerdings wurden Studien angefertigt, um die LED für allgemeine Beleuchtungszwecke einzusetzen.
Eine LED angewandt für allgemeine Beleuchtungszwecke verbraucht weniger elektrische Energie und hat eine längere Lebensdauer verglichen mit konventionellen Glühlampen oder fluoreszierenden Lampen. Da die LED deutlich weniger Energie verbraucht und eine deutlich längere Lebensdauer als konventionelle Leuchtmittel erreicht, ist diese überlegen mit Blick auf Energieeinsparung und Lebensdauer.
Um eine LED für Beleuchtungszwecke zu nutzen, wird die LED im Allgemeinen in der Form eines Leuchtmittels hergestellt, indem lichtemittierende Elemente durch einen weiteren Packaging-Fertigungsschritt zusammen angeordnet werden, wobei eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen in Serie durch Drahtbonden miteinander verbunden werden, und ein Schutzschaltkreis, ein Wechselstrom-/Gleichstrom (AC/DC)-Konverter oder dergleichen an der Außenseite der lichtemittierenden Elemente angeordnet wird.
1 ist eine Prinzipdarstellung einer konventionellen lichtemittierenden Vorrichtung.
Mit Bezug auf 1 wird eine lichtemittierende Vorrichtung für allgemeine Illuminationszwecke hergestellt, indem eine Vielzahl von lichtemittierenden Elementen 1 seriell miteinander verbunden wird, wobei auf den lichtemittierenden Elementen 1 lichtemittierende Schaltkreise entsprechend angeordnet sind. Auf diese Art und Weise ist die Vielzahl lichtemittierender Elemente 1 in Serie angeordnet, und die lichtemittierenden Schaltkreise in unterschiedlichen lichtemittierenden Elementen werden dementsprechend elektrisch mittels eines Metalldraht-Verkabelungsprozesses miteinander verbunden. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist offenbart in US-Patent Nr. 5,463,280 . Wird eine lichtemittierende Vorrichtung für allgemeine Beleuchtungszwecke hergestellt basierend auf dem bekannten Verfahren, tritt das Problem auf, dass das Verdrahtungsverfahren mit Metalldrähten an einer großen Anzahl von Elementen jeweils nacheinander durchzuführen ist, sodass die Anzahl der Verfahrensschritte erhöht und verkompliziert wird. Mit der Erhöhung der Verfahrensschritte wird auch der Ausschussanteil erhöht, was eine Massenproduktion erschwert. Darüber hinaus können Fälle auftreten, bei denen die Metalldrahtverbindung kurzgeschlossen wird aufgrund eines Stoßes und die Funktionsfähigkeit des lichtemittierenden Elementes unterbunden wird. Werden die entsprechenden lichtemittierenden Elemente in Serie verbunden, entsteht darüber hinaus der Nachteil, dass der von den lichtemittierenden Elementen beanspruchte Platz vergrößert wird, sodass das Leuchtelement beträchtlich voluminös wird.
Ein Array auf Waferebene der Mikrochips anstatt eines Arrays auf Elementebene der lichtemittierenden Schaltkreise wie oben beschrieben ist offenbart in der koreanischen Offenlegungsschrift Nr. 2004-9818 . Diese betrifft eine Anzeigevorrichtung, wobei lichtemittierende Zellen angeordnet sind in einer Matrizenform, sodass LEDs zum Einbringen von Lumineszenz auf entsprechende Pixel aufgelegt sind. Weil jedoch unterschiedliche elektrische Signale in entsprechender vertikaler und horizontaler Richtung angelegt werden, und dies auch in einer Weise geeignet zur Adressierung, die erlaubt, dass die in Matrizenform angeordneten Elemente Licht emittieren, sind diese extrem schwer zu steuern. Des Weiteren kann die Verkabelung aufgrund des Arrays in einer Matrizenform gelöst werden, und ein großer Anteil an Interferenz kann auftreten in einem Bereich, wo Kabel miteinander überlappen. Darüber hinaus besteht das Problem der zuvor genannten Struktur in Matrizenform, dass diese nicht anwendbar ist bei einer lichtemittierenden Vorrichtung für Beleuchtungszwecke, an die hohe Spannungen angelegt werden.
Offenbarung der Erfindung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung soll die zuvor genannten Probleme lösen. Dem entsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein lichtemittierendes Element bereitzustellen, worin eine Vielzahl von vertikalen lichtemittierenden Zellen angeordnet ist auf einem einzelnen Substrat, wobei die Vielzahl von lichtemittierenden Zellen mit Wechselstrom beaufschlagt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein lichtemittierendes Element bereitzustellen mit einer Vielzahl von in einem Array angeordneten Zellen, wobei – da die Vielzahl der lichtemittierenden Zellen auf Wafer-Level in Serie geschaltet sind – der Herstellungsprozess und das Packaging vereinfacht werden kann und der Ausschussanteil verringert werden kann, so dass eine Massenproduktion der lichtemittierenden Elemente ermöglicht wird.
Technische Lösung
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein lichtemittierendes Element bereitgestellt, umfassend wenigstens ein erstes Array mit einer Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat; und wenigstens einem Array mit einer weiteren in Serie miteinander verbundenen Vielzahl von lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat, welches anti-parallel mit dem ersten Array verbunden ist. Jede der vertikalen lichtemittierenden Zellen in dem ersten und zweiten Array hat ein erstes Elektrodenpad an einer unteren Oberfläche und ein zweites Elektrodenpad an einer oberen Oberfläche sowie einen Verbindungsbereich zur Verbindung des ersten Elektrodenpads der vertikalen lichtemittierenden Zelle in dem ersten Array mit dem ersten Elektrodenpad der vertikalen lichtemittierenden Zelle in dem zweiten Array.
Die Anzahl der lichtemittierenden Zellen in dem ersten Array kann identisch sein mit der der lichtemittierenden Zellen in dem zweiten Array.
Vorzugsweise ist der Verbindungsbereich aus dem gleichen Material hergestellt wie das erste Elektrodenpad. Vorzugsweise werden der Verbindungsbereich und das erste Elektrodenpad gleichzeitig hergestellt.
Das erste Elektrodenpad des ersten und zweiten Arrays, die miteinander verbunden sind durch den Verbindungsbereich, können eng beieinander angeordnet sein.
Vorteilhafter Effekt
Wie zuvor beschrieben, ist es nach der vorliegenden Erfindung möglich, eine lichtemittierende Vorrichtung herzustellen, die für Beleuchtungszwecke verwendet werden kann, welches ein lichtemittierendes Element, welches einen Block von lichtemittierenden Zellen mit einer Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen vertikalen lichtemittierenden Zellen beinhaltet.
Weil darüber hinaus eine Vielzahl von lichtemittierenden Zellen auf Wafer-Level elektrisch miteinander verbunden ist, ist es möglich, ein lichtemittierendes Element herzustellen, welches dazu in der Lage ist, Licht auf Basis von hohen Spannungen oder der Wechselstromverkabelung in Gebäuden auszusenden.
Weil darüber hinaus ein lichtemittierendes Element mit einer Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen lichtemittierenden Zellen auf einem Substrat verwendet wird, kann der Herstellungsprozess der lichtemittierenden Vorrichtung vereinfacht werden und der Anteil von Defekten, die während der Herstellung der lichtemittierenden Vorrichtung auftreten, kann reduziert werden und so eine Massenproduktion der lichtemittierenden Vorrichtung ermöglicht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Prinzipschaltbild einer konventionellen lichtemittierenden Vorrichtung.
2 ist ein Schnitt, welcher ein lichtemittierendes Element nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Schnitt, welcher einen Teil eines lichtemittierenden Elementes nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Schnitt, welcher eine lichtemittierende Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine Aufsicht, welche ein lichtemittierendes Element nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Schnitt entlang der Linie I-I in 5.
Bevorzugte Ausführungsformen
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben. Trotzdem ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt auf die Ausführungsbeispiele und kann in abweichenden Formen ausgeführt werden. Die Ausführungsbeispiele haben nur illustrative Zwecke und dienen dem vollen Verständnis des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung durch den Fachmann. In allen Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
2 ist ein Schnitt, welcher ein lichtemittierendes Element nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, 3 ist ein Schnitt, welcher einen Teil eines lichtemittierenden Elements nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt und 4 ist ein Schnitt, welcher eine lichtemittierende Zelle nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf 2 ist ein Licht emittierendes Laminat 200 umfassend eine Licht emittierende Halbleiterschicht 30 und erste und zweite Elektrodenpads 20 bzw. 40 gebildet an einer oberen und unteren Oberfläche einer Licht emittierenden Halbleiterschicht 30, angeordnet auf einem Substrat 10.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Siliziumsubstrat als Substrat 10 verwendet. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Das bedeutet, dass ein isolierendes Substrat, ein Substrat mit Halbleitereigenschaften anders als das Siliziumsubstrat oder ein Substrat mit exzellenter thermischer Leitfähigkeit verwendet werden können als Substrat 10. Wird ein leitendes Substrat verwendet, so wird eine isolierende Schicht auf der Oberfläche des leitenden Substrates gebildet, um eine Isolation bereitzustellen.
Wie in 4 gezeigt, umfasst das vertikale lichtemittierende Laminat 200 eine lichtemittierende Halbleiterschicht 30 mit einem Basissubstrat 32, einer ersten unteren leitenden Halbleiterschicht 34 und einer zweiten oberen leitenden Halbleiterschicht 36; sowie erste und zweite Elektrodenpads 20 bzw. 40 (N-Typ und P-Typ Elektrodenpads oder P-Typ und N-Typ Elektrodenpads), welche gebildet sind an der Ober- und Unterseite der Oberflächen der lichtemittierenden Halbleiterschicht 30. Dementsprechend sind die erste und zweite leitende Halbleiterschicht 34 und 36 nacheinander gebildet auf dem Basissubstrat 32 und das erste Elektrodenpad 20 ist gebildet an der unteren Oberfläche des Basissubstrats 32 und das zweite Elektrodenpad 40 ist gebildet an der oberen Oberfläche der zweiten leitenden Halbleiterschicht 36.
Die lichtemittierende Halbleiterschicht 30 ist nicht limitiert auf das zuvor Gesagte sondern kann des Weiteren eine Pufferschicht (nicht dargestellt) und/oder eine aktive Schicht (nicht dargestellt) umfassen. In diesem Fall können die Pufferschicht oder aktive Schicht aufgefasst werden als eine Schicht, welche von der ersten oder zweiten halbleitenden Schicht 34 oder 36 umfasst ist.
Das lichtemittierende Laminat 200 wird gebondet mit dem Substrat 10 unter Verwendung einer bestimmten Paste (nicht dargestellt). Selbstverständlich können das lichtemittierende Laminat 200 und das Substrat 10 mit anderen Bonding-Verfahren als der Verwendung einer bestimmten Paste miteinander gebondet werden.
Sodann werden das zweite Elektrodenpad 40, die lichtemittierende Halbleiterschicht 30 und das erste Elektrodenpad 20 des vertikalen lichtemittierenden Laminats 200 durch einen vorbestimmten Ätzprozess teilweise geätzt, wobei lichtemittierende Zellen 100 mit einer Struktur wie in 3 dargestellt auf dem Substrat 10 geformt werden. Die lichtemittierenden Zellen 100 in demselben Array, d. h. in dem ersten Array 1000 (s. 5) oder dem zweiten Array 2000 (s. 6), welche später beschrieben werden, werden heruntergeätzt zu dem ersten Elektrodenpad 20, sodass diese elektrisch voneinander getrennt sind. Lichtemittierende Zellen, welche sich in unterschiedlichen Arrays gegenüberliegend befinden (d. h. zwischen dem ersten und zweiten Array), werden elektrisch verbunden durch einen Verbindungsbereich 60 (s. 5 und 6), welcher so gebildet ist, dass dieser von dem ersten Elektrodenpad absteht. Der Verbindungsbereich 60 kann ein Bereich sein, der nicht in dem Ätzschritt beseitigt wird, um so gegenüberliegende Arrays elektrisch miteinander zu verbinden.
Nacheinander wird ein Bereich des ersten Elektrodenpads 20, welcher gebildet ist in einem unteren Bereich einer jeden lichtemittierenden Zelle 100, in dem gleichen Array freigelegt, und Elektroden der lichtemittierenden Zellen 100 in dem gleichen Array werden durch einen vorbestimmten Verdrahtungsprozess miteinander verbunden. Dies bedeutet, dass in dem gleichen Array die freigelegten Bereiche des ersten Elektrodenpads 20 einer lichtemittierenden Zelle 100 verbunden werden mit der zweiten Elektrode 40 einer gegenüberliegenden lichtemittierenden Zelle 100 mittels eines Drahtes 50. Entsprechend können die lichtemittierenden Zellen in dem gleichen Array in Serie verbunden werden. Die elektrischen Drähte 50 zur elektrischen Verbindung der ersten und zweiten Elektrodenpads von gegenüberliegenden lichtemittierenden Zellen 100 werden gebildet durch ein Verfahren wie ein Air-Bridge Verfahren oder ein Step-cover Verfahren.
5 ist eine Aufsicht, welche ein lichtemittierendes Element nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und 6 ist ein Schnitt entlang der Linie I-I in 5.
Mit Bezug auf 5 und 6 werden ein erstes und zweites Array 1000, 2000, jedes mit einer Vielzahl von in Serie angeordneten vertikalen lichtemittierenden Zellen, auf einem einzelnen Substrat 10 gebildet, und das erste und zweite Array 1000 und 2000 sind antiparallel miteinander verbunden unter Verwendung der Elektrodenpads an beiden Enden. Ein erstes Elektrodenpad 20 ist an einem unteren Bereich einer lichtemittierenden Zelle des ersten Arrays 1000 angeordnet und ist verbunden mit einem gegenüberliegenden ersten Elektrodenpad 20, welches an einem unteren Ende einer lichtemittierenden Zelle eines zweiten Elektrodenarrays 20 mittels eines Verbindungspads 60 angeordnet ist.
Das Verbindungspad 60 kann ein Bereich sein, der nicht geätzt ist, wenn das erste Elektrodenpad 20 des lichtemittierenden Laminats 200 gemäß 2 geätzt wird. Entsprechend können der Verbindungsbereich 60 und die erste Elektrode 20 zeitgleich aus dem gleichen Material gefertigt werden.
In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden lichtemittierende Zellen gebildet durch das Bilden von ersten bzw. zweiten Elektrodenpads an der oberen und unteren Oberfläche eines lichtemittierenden Laminats 200, in welchem eine n-GaN Schicht 34 und eine p-GaN Schicht 36 sequentiell aufgebracht sind auf ein SiC Substrat 32, Bonden des lichtemittierenden Laminates 200 an das Substrat (beispielsweise ein Siliziumsubstrat), und danach Durchführen eines bestimmten Ätzprozesses. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht beschränkt auf ein derartiges Verfahren. Beispielsweise kann das lichtemittierende Element der vorliegenden Erfindung gebildet werden durch Bildung einer Schichtenfolge umfassend eine n-GaN Schicht, eine p-GaN Schicht und ein zweites Elektrodenpad auf dem Grundsubstrat, Ätzen der Schichtenfolge, Bonden eines Submount-Substrates auf die Oberfläche einer lichtemittierenden Schicht gegenüber dem Substrat, Trennen des Grundsubstrats von dem Laminat und danach Bonden eines Substrats mit einem ersten darin geformten Elektrodenpad zu dem Substrat.
Vorzugsweise hängt die Anzahl der vertikalen lichtemittierenden Zellen 100, welche das lichtemittierende Element gemäß der vorliegenden Erfindung bilden, ab von der Höhe der Wechselspannung zum Betrieb der vertikalen lichtemittierenden Zellen. Das bedeutet, dass in der vorliegenden Erfindung die Anzahl der lichtemittierenden Zellen 100, welche in Serie miteinander verbunden sind, variieren kann, abhängig von der Spannung bzw. dem Strom zum Betrieb einer einzelnen lichtemittierenden Zelle 100 und der Wechselstrombetriebsspannung, welche an das lichtemittierende Element zum Erzeugen von Beleuchtung angelegt wird. Vorzugsweise sind 10 bis 1000 lichtemittierende Zellen in Serie miteinander verbunden. Besonders bevorzugt sind 30 bis 70 lichtemittierende Zellen in Serie miteinander verbunden. Beispielsweise wird ein lichtemittierendes Element hergestellt durch Verbinden von 66 oder 67 Einheiten an LED-Zellen mit 3,3 Volt in Serie, sodass ein entsprechender Betriebsstrom bei Anschluss an eine Hausverkabelung mit 220 V Wechselstrom entsteht. Alternativ kann ein lichtemittierendes Element hergestellt werden durch Verbinden von 33 oder 34 Einheiten an LED-Zellen mit 3,3 V in Serie und einem bestimmten Betriebsstrom in Verbindung mit einer Hausverkabelung mit einem 110-V-Wechselstrom. Besonders bevorzugt ist die Anzahl der vertikalen lichtemittierenden Zellen 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in dem ersten und zweiten Array identisch.
Zusammenfassung
Offenbart ist ein lichtemittierendes Element umfassend ein erstes Array mit einer Vielzahl von vertikalen lichtemittierenden Zellen, welche auf einem einzelnen Substrat in Serie miteinander verbunden sind und ein zweites Array mit einer weiteren Vielzahl von lichtemittierenden Zellen, welche auf einem einzelnen Substrat in Serie miteinander verbunden sind und welches mit dem ersten Array anti-parallel verbunden ist. In dem lichtemittierenden Element weist jede der vertikalen lichtemittierenden Zellen in dem ersten und zweiten Array ein erstes Elektrodenpad an einer unteren Oberfläche und ein zweites Elektrodenpad an einer oberen Oberfläche auf und ein Verbindungsbereich ist vorhanden, um das erste Elektrodenpad der vertikalen lichtemittierenden Zelle in dem ersten Array elektrisch zu verbinden mit dem ersten Elektrodenpad der vertikalen lichtemittierenden Zelle in dem zweiten Array.

1: lichtemittierendes Element
10: Substrat
20: erstes Elektrodenpad
40: zweites Elektrodenpad
30: Halbleiterschicht
32: Basissubstrat
34: erste leitende Halbleiterschicht
36: zweite leitende Halbleiterschicht
50: Draht
60: Verbindungsbereich
100: lichtemittierende Zelle
200: lichtemittierndes Laminat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5463280 [0006]
- KR 2004-9818 [0007]

Claims

Ein lichtemittierendes Element umfassend: wenigstens ein erstes Array mit einer Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat; und wenigstens ein zweites Array mit einer weiteren Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen vertikalen lichtemittierenden Zellen auf einem einzelnen Substrat, wobei das zweite Array anti-parallel mit dem ersten Array verbunden ist, wobei jede der vertikal lichtemittierenden Zellen in dem ersten und zweiten Array ein erstes Elektrodenpad an einer unteren Oberfläche und ein zweites Elektrodenpad an einer oberen Oberfläche aufweist und ein Verbindungsbereich vorgesehen ist, um das erste Elektrodenpad der lichtemittierenden Zelle in dem ersten Array mit dem ersten Elektrodenpad der lichtemittierenden Zelle in dem zweiten Array zu verbinden.
Lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der vertikalen lichtemittierenden Zellen in dem ersten Array identisch ist mit der der lichtemittierenden Zellen in dem zweiten Array.
Lichtemittierendes Element nach Anspruch 1, wobei der Verbindungsbereich aus dem gleichen Material gebildet ist wie das erste Elektrodenpad.
Lichtemittierendes Element nach Anspruch 3, wobei der Verbindungsbereich und das erste Elektrodenpad zeitgleich gebildet werden.
Licht emittierendes Element nach Anspruch 1, wobei das erste Elektrodenpad des ersten und zweiten Arrays, welche miteinander verbunden sind, durch den Verbindungsbereich, nah beieinander angeordnet sind.