JP2004134803A

JP2004134803A - フリップチップ型発光ダイオードのチップ形状

Info

Publication number: JP2004134803A
Application number: JP2003349730A
Authority: JP
Inventors: Kee Yean Ng; キー・ヤーン・エヌ・ジー; Yew Cheong Kuan; イー・チョン・クアン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2004-04-30
Also published as: US20040070000A1; US6784460B2

Abstract

　【課題】フリップフロップ型ＬＥＤからの光の取出量を改善する。
　【解決手段】発光ダイオード（５０）は、負にドープされた層（５２）、正にドープされた層（５４）、活性ｐ−ｎ接合層による発光領域（５３）、及び発光領域（５３）の上側に位置する透明基板（５１）を有する。光の取出量を改善すべく、透明基板（５１）は、ピラミッド形状に類似の形状とされる。
【選択図】図１５

Description

　本発明は一般に光源の分野に関するものである。より具体的には、本発明はフリップチップ型発光ダイオード（ＬＥＤ）からの光の抽出を、チップの幾何形状により改善するための方法に関する。

　ＬＥＤとは、順方向電流がＬＥＤ中を流れた場合に光を放射する半導体チップ又はダイのことである。図１は既知のフリップチップ型ＬＥＤ３０を描いたものであり、ＬＥＤ３０は立方形（方形のプリズム）の透明基板３１、負にドープされた層３２、活性ｐ−ｎ接合層３３、そして正にドープされた層３４を含む。一対のオーム接触３５、３６はＬＥＤ３０に順方向バイアスをかけるために使用されており、これにより活性ｐ−ｎ接合層３３において光が生成され、ここから基板３１へと放射される。一般に、基板３１の屈折率は周囲環境（例えば空気、或いは基板３１を封じた媒体）の屈折率とは異なっている。図２に示したように、このような屈折率の違いが臨界角を確立し、その結果、基板３１がエスケープ円錐３１ａ、３１ｃ、３１ｅと、内部全反射円錐（ＴＲＩＣ）又はトラップ円錐３１ｂ、３１ｄへと分けられることになる。矢印に例示したように、エスケープ円錐３１ａ、３１ｃ、３１ｅを通じて基板３１が光を放射することは以前からよく知られているが、これは放射光の入射角が臨界角よりも小さいためである。逆に、ＴＩＲＣ円錐３１ｂ、３１ｄからはその中に例示した矢印にあるように基板３１は光を放射しないが、これは捕捉された光の入射角が基板３１に捕捉された光の各内部反射の臨界角に等しい、もしくはこれより大きいためである。

　本発明は、フリップフロップ型ＬＥＤからの光の抽出を改善することにより当該技術を発展させるものである。

　フリップフロップ型ＬＥＤは本発明の様々な実施形態に基づいて構築される。ＬＥＤは、負にドープされた層、正にドープされた層、そして負にドープされた層と正にドープされた層の間にある活性ｐ−ｎ接合層を含む発光領域を持っている。ＬＥＤは更に、発光領域の上に位置する透明基板を含んでおり、この透明基板は、（１）導電性材料又は非導電性材料の組成、（２）側面の数、（３）頂点又は上面のずれの度合い、そして（４）各側面の傾斜角度により決定されるピラミッド型の形状を持っている。

　本発明の特徴及び利点は、現在推奨される実施形態の以下に述べる詳細な説明を、添付図を参照しつつ読むことにより明らかとなる。詳細な説明及び図は、本発明を限定するものではなく、説明目的であげたものであり、本発明の範囲は、請求項及びそれに準じるものにより定義されるものである。図の寸法は必ずしも正確なものではなく、本発明の理解を助けるために拡大して描かれている。

　即ち、本発明は、負にドープされた層、正にドープされた層、活性ｐ−ｎ接合層を前記負にドープされた層及び前記正にドープされた層の間に有する発光領域、及び該発光領域の上にある第１の透明基板を具備し、前記第１の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とするフリップチップ型の半導体発光ダイオードを提供する。

　更に、本発明は、第１のドープ層、第２のドープ層、活性ｐ−ｎ接合層を前記第１のドープ層及び前記第２のドープ層の間に有する発光領域、及び該発光領域に隣接する第１の透明基板を具備し、前記第１の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とする、フリップチップ型の半導体発光ダイオードを提供する。

　更に、本発明は、第１のドープ層、第２のドープ層、活性ｐ−ｎ接合層を前記第１のドープ層及び前記第２のドープ層の間に有する発光領域、前記第１のドープ層に隣接する第１の透明基板、及び前記第１の透明基板に隣接する第２の透明基板を具備し、前記第２の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とする、フリップチップ型の半導体発光ダイオードを提供する。

　本発明によれば、ＬＥＤの素子で発光した光を効率よく外部に取り出すことができ、従来よりも更に輝度の高い発光デバイスを得ることができる。

　図３は、頂点を持つピラミッド形状の透明基板４０を描いたものである。通常、基板４０はソー技術、ドライ又はウェットエッチング技術、サンドブラスト技術、イオンミル、或いはスクライブ・ブレイク技術により作られる。基板４０の頂点を持つピラミッド形状は、基板４０中におけるエスケープ円錐の好適な形成を助長するものである。点線矢印で例示した放射光は、基板４０に対応する臨界角よりも小さい入射角を持っているが、その一方、実線矢印で例示した放射光は当初は臨界角と同じ、或いはこれよりも大きい初期入射角を持つために最初は内部反射され、後に入射角が臨界角よりも小さくなって基板４０から放射される。

　フリップチップ型ＬＥＤへの基板４０の導入は、基板４０が導電性材料で構成されているのか、或いは非導電性材料で構成されているのかによる。基板４０に好適な導電性材料の例としては、例えばガリウム燐（ＧａＰ）、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び炭化シリコン（ＳｉＣ）といった化合物半導体をあげることが出来る。基板４０に好適な非導電性材料は、サファイアである。

　基板４０は少なくとも３つの側面を持っている。図４は、３つの側面を持つ基板４０ａを描いたものである。図５は、４つの側面を持つ基板４０ｂを描いたものである。図６は、６つの側面を持つ基板４０ｃを描いたものである。

　基板４０の縦軸に対する頂点のずれの度合いはゼロから基板４０の寸法が許容する最大可能オフセットまでである。図４は基板４０ａのオフセットがゼロの場合（例えば頂点と縦軸が一致している場合）を示すものである。図７は、基板４０ｄが中間オフセットに設定された場合を示している。図８は基板４０ｅが最大オフセットに設定された場合を示している。

　基板４０の底面（図示せず）に対する、基板４０の各側壁の傾斜角度α（図３）は、基板４０材料と周囲環境（例えば空気又は基板４０を封じる媒体）の屈折率により選択されるもので、最適な傾斜角度範囲は１０°から８０°である。しかしながら、基板４０中でのエスケープ円錐の最適な形成を促すために、最適範囲を外れた傾斜角度αをかわりに採用しても良い。

　図９は頂点を切り取ったピラミッド形状を有する透明基板４１を描いたものである。通常、基板４１はソー技術、ドライ又はウェットエッチング技術、サンドブラスト技術、イオンミル、或いはスクライブ・ブレイク技術により作られる。基板４１の頂点を切り取ったピラミッド形状は基板４１中における最適なエスケープ円錐の形成を促すものである。点線矢印に例示した放射光は、基板４１に対する臨界角よりも小さい入射角を持つ放射光を示すものである一方、実線矢印により例示した放射光は、初期の入射角が臨界角に等しい又はこれよりも大きいために最初は内部反射され、その後の入射角が臨界角よりも小さくなって基板４１から放射される放射光を示している。

　フリップチップ型ＬＥＤへの基板４１の導入は、基板４１を導電性材料で構成するのか、或いは非導電性材料で構成するのかによる。基板４１に好適な導電性材料の例としては、例えばＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ及びＳｉＣといった化合物半導体をあげることが出来る。基板４１に好適な非導電性材料としては、サファイアをあげることが出来る。

　基板４１は少なくとも３つの側面を持っている。図１０は３つの側面を持つ基板４１ａを描いたものである。図１１は４つの側面を持つ基板４１ｂを描いたものである。図１２は６つの側面を持つ基板４１ｃを描いたものである。

　基板４１の縦軸に対する基板４１の上面のオフセット度合いは、ゼロから基板４１の寸法が許容する最大オフセット値までである。図１０は基板４１ａのオフセットがゼロの場合（例えば上面の中心と基板４１ａの中心縦軸が一致する場合）を描いたものである。図１３は基板４１ｄが中間オフセットに設定された場合を描いたものである。図１４は基板４１ｅが最大オフセットに設定された場合を描いたものである。

　基板４１の底面（図示せず）に対する各側面の傾斜角度α（図９）は、基板４１の材料と、周囲環境（例えば空気又は基板４１を封じる媒体）の屈折率により選択されるものであり、最適な傾斜角度範囲は１０°から８０°の間にある。しかしながら、基板４１中でのエスケープ円錐の最適な形成を促すために、最適範囲を外れた傾斜角度αをかわりに採用しても良い。

　基板４０（図３）及び基板４１（図９）に基づいて先に述べた説明から、透明基板４０及び４１には基本的に無数の構成が可能であることが当業者には明らかである。

　図１５乃至図２３は、透明基板４０及び／又は透明基板４１に基づいて構成された基板を使用した、本発明のフリップチップ型ＬＥＤの９つの実施形態を示すものである。図示したフリップチップ型ＬＥＤの各々は更に、負にドープされた層（例えばｎ型ＧａＰ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ、ｎ型ＧａＮ、及びｎ型ＳｉＣ）、活性ｐ−ｎ接合層（例えばアルミニウムインジウムガリウム燐及び窒化インジウムガリウムの単一又は多重量子井戸構造）、及び正にドープされた層（ｐ型ＧａＰ、ｐ型ＡｌＧａＡｓ、ｐ型ＧａＮ及びｐ型ＳｉＣ）を含む発光領域と、そして一対のオーム接触（例えば各種金属層）とを用いている。基板及び発光領域は、基板と発光領域との間の動作関係をより明確に説明するために簡略化して描かれているが、当業者であれば、図１５乃至図２３に示したフリップチップ型ＬＥＤを構成及び製造する従来の技術は認識及び理解することが出来るものである。更に当業者には、発光領域中に描かれた負にドープされた層と正にドープされた層とが相互に交換可能であることも明らかである。

　図１５は、非導電性の透明基板５１、負にドープされた層５２、活性ｐ−ｎ接合層５３、そして正にドープされた層５４を含むフリップチップ型ＬＥＤ５０を描いたものである。基板５１は、基板４０（図３）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を持つピラミッド形状を有している。負にドープされた層５２の上の部分は、オフセットがゼロ度の切り取られたピラミッド形状を有している。ＬＥＤ５０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触５５、５６が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層５３から基板５１を通じて周囲環境へと放射される。

　図１６は、非導電性の透明基板６１、負にドープされた層６２、活性ｐ−ｎ接合層６３、そして正にドープされた層６４を含むフリップチップ型ＬＥＤ６０を描いたものである。基板６１は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。負にドープされた層６２の上の部分は、オフセットがゼロ度の切り取られたピラミッド形状を有している。ＬＥＤ６０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触６５、６６が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層６３から基板６１を通じて周囲環境へと放射される。

　図１７は、導電性の透明基板７１、負にドープされた層７２、活性ｐ−ｎ接合層７３、そして正にドープされた層７４を含むフリップチップ型ＬＥＤ７０を描いたものである。基板７１は、基板４０（図３）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を持つピラミッド形状を有している。ＬＥＤ７０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触７５、７６が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層７３から基板７１を通じて周囲環境へと放射される。

　図１８は、導電性の透明基板８１、負にドープされた層８２、活性ｐ−ｎ接合層８３、そして正にドープされた層８４を含むフリップチップ型ＬＥＤ８０を描いたものである。基板８１は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。ＬＥＤ８０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触８５、８６が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層８３から基板８１を通じて周囲環境へと放射される。

　図１９は、非導電性の透明基板９１、非導電性の透明基板９２、負にドープされた層９３、活性ｐ−ｎ接合層９４、そして正にドープされた層９５を含むフリップチップ型ＬＥＤ９０を描いたものである。基板９１は、基板４０（図３）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を持つピラミッド形状を有している。基板９２は既知の立方体形状を持っている。基板９１と基板９２の屈折率に作動可能に一致する屈折率を持つ光学的に透明な接着剤（図示せず）が用いられており、これが基板９１を基板９２へと光学的に結合している。ＬＥＤ９０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触９６、９７が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層９４から基板９１、９２を通じて周囲環境へと放射される。

　図２０は、非導電性透明基板１０１、非導電性透明基板１０２、負にドープされた層１０３、活性ｐ−ｎ接合層１０４、および正にドープされた層１０５を含むフリップチップ型ＬＥＤ１０１を描いたものである。基板１０１は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。基板１０２は既知の立方体形状を持っている。基板１０１と基板１０２の屈折率に作動可能に一致する屈折率を持つ光学的に透明な接着剤（図示せず）が用いられており、これが基板１０１を基板１０２へと光学的に結合している。ＬＥＤ１００に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触１０６、１０７が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層１０４から基板１０１、１０２を通じて周囲環境へと放射される。

　図２１は、非導電性透明基板１１１、非導電性透明基板１１２、負にドープされた層１１３、活性ｐ−ｎ接合層１１４、および正にドープされた層１１５を含むフリップチップ型ＬＥＤ１１０を描いたものである。基板１１１は、基板４０（図３）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を持つピラミッド形状を有している。基板１１２は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。基板１１１と基板１１２の屈折率に作動可能に一致する屈折率を持つ光学的に透明な接着剤（図示せず）が用いられており、これが基板１１１を基板１１２へと光学的に結合している。ＬＥＤ１１０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触１１６、１１７が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層１１４から基板１１１、１１２を通じて周囲環境へと放射される。

　図２２は、非導電性透明基板１２１、非導電性透明基板１２２、非導電性透明基板１２３、負にドープされた層１２４、活性ｐ−ｎ接合層１２５、および正にドープされた層１２６を含むフリップチップ型ＬＥＤ１２０を描いたものである。基板１２１は、基板４０（図３）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を持つピラミッド形状を有している。基板１２２は既知の立方体形状を持っている。基板１２３は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。基板１２１乃至１２３の屈折率に作動可能に一致する屈折率を持つ光学的に透明な接着剤（図示せず）が用いられており、これが基板１２１を基板１２２へと、そして基板１２２を基板１２３へと光学的に結合している。ＬＥＤ１２０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触１２７、１２８が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層１２５から基板１２１乃至１２３を通じて周囲環境へと放射される。

　図２３は、非導電性透明基板１３１、非導電性透明基板１３２、非導電性透明基板１３３、負にドープされた層１３４、活性ｐ−ｎ接合層１３５、および正にドープされた層１３６を含むフリップチップ型ＬＥＤ１３０を描いたものである。基板１３１及び１３３は、基板４１（図９）に準じた、オフセットがゼロ度の頂点を切り取られたピラミッド形状を有している。基板１３２は既知の立方体形状を持っている。基板１３１乃至１３３の屈折率に作動可能に一致する屈折率を持つ光学的に透明な接着剤（図示せず）が用いられており、これが基板１３１を基板１３２へと、そして基板１３２を基板１３３へと光学的に結合している。ＬＥＤ１３０に順方向バイアスを印加するために一対のオーム接触１３７、１３８が使用されており、これにより光が生成され、活性ｐ−ｎ接合層１３５から基板１３１乃至１３３を通じて周囲環境へと放射される。

　図１５乃至図２３の以下の説明から、本発明に基づくフリップチップ型ＬＥＤの実施形態は、基本的に無限に存在するものであることが当業者には明らかとなった。

　本発明は、その特徴、基本的特性から離れることなく、他の具体的な形式で実現することも可能である。説明する実施形態は、あらゆる意味において説明目的のものであり、限定的なものではない。従って本発明の範囲は上記の説明ではなく、請求項により示されるものである。請求項に相当する意義及び範囲に入る全ての変更は、その範疇に含まれるものである。

既知のフリップフロップ型ＬＥＤの側面図である。図１のＬＥＤの光抽出動作を説明したものである。本発明の一実施形態に基づく頂点を持つ形状のＬＥＤ基板の側面図である。図３のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図３のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図３のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図３のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図３のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。本発明の他の実施形態に基づく頂点を切り取ったピラミッド形状のＬＥＤ基板の側面図である。図９のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図９のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図９のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図９のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。図９のＬＥＤ基板に実現可能なデザインを示す平面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。本発明によるフリップチップ型ＬＥＤの実施形態を示す側面図である。

符号の説明

４０；４１；５１；６１；７１；８１；９１、９２；１０１、１０２；１１１、１１２；１２１、１２２、１２３；１３１、１３２、１３３　基板

Claims

　負にドープされた層、正にドープされた層、活性ｐ−ｎ接合層を前記負にドープされた層及び前記正にドープされた層の間に有する発光領域、及び該発光領域の上にある第１の透明基板とを具備し、前記第１の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とするフリップチップ型の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、側面及び底面を持ち、該底面に対する前記側面の傾斜角度が、１０度乃至８０度の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、頂点を持つピラミッド形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、前記第１の透明基板の縦方向の中心軸と一致する頂点を有することを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、前記第１の透明基板の縦方向の中心軸からずれた頂点を有することを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、頂点を切り取られたピラミッド形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、前記第１の透明基板の縦方向の中心軸と一致する中心を持つ上面を有することを特徴とする、請求項６に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、前記第１の透明基板の縦方向の中心軸からずれた中心を持つ上面を有することを特徴とする、請求項６に記載の半導体発光ダイオード。
　前記発光領域上に位置する第２の透明基板を更に具備し、前記第２の透明基板が頂点を持つピラミッド形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記発光領域上に位置する第２の透明基板を更に具備し、前記第２の透明基板が頂点を切り取られたピラミッド形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記発光領域上に位置する第２の透明基板を更に具備し、前記第２の透明基板が立方体形状を持つことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の基板が導電性材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の基板が非導電性材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
　第１のドープ層、第２のドープ層、活性ｐ−ｎ接合層を前記第１のドープ層及び前記第２のドープ層の間に有する発光領域、及び該発光領域に隣接する第１の透明基板とを具備し、前記第１の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とする、フリップチップ型の半導体発光ダイオード。
　前記第１の透明基板が、側面及び底面を持ち、該底面に対する前記側面の傾斜角度が、１０度乃至８０度の範囲にあることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１の基板に隣接する第２の透明基板を更に具備し、前記第２の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とする、請求項１４に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１のドープ層の上部がピラミッド形状を有するものであることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体発光ダイオード。
　第１のドープ層、第２のドープ層、活性ｐ−ｎ接合層を前記第１のドープ層及び前記第２のドープ層の間に有する発光領域、前記第１のドープ層に隣接する第１の透明基板、及び前記第１の透明基板に隣接する第２の透明基板を具備し、前記第２の透明基板がピラミッド形状を有することを特徴とする、フリップチップ型の半導体発光ダイオード。
　前記第２の透明基板が側面及び底面を持ち、該底面に対する側面の傾斜角度が、１０度乃至８０度の範囲にあることを特徴とする請求項１８に記載の半導体発光ダイオード。
　前記第１のドープ層の上部がピラミッド形状を有するものであることを特徴とする、請求項１８に記載の半導体発光ダイオード。