JP2004505434A - 光抽出を向上させた微小発光ダイオードアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は1999年12月3日に出願され、Thibeaultらに付与された仮出願第60/168817号の利益を主張する。
【0002】
(発明の背景)
[発明の分野]
本発明は発光ダイオードに関し、さらに詳細には、発光ダイオードの光抽出を向上するための新しい構造に関する。
【0003】
[関連技術の説明]
発光ダイオード(LED)は電気エネルギを光に変換する重要な部類の固体デバイスで、一般に、逆極性にドープされた(oppositely doped)2つの層間に挟まれた半導体材料の活性層を備える。これらのドープされた層間にバイアスが印加されると、正孔および電子が活性層に注入され、そこで正孔および電子が再結合して光を発する。活性領域で発生した光はあらゆる方向に放出され、光はすべての露出面を通ってこのデバイスから流出する。この流出する光を誘導して所望の出力放射プロフィールにするために、LEDのパッケージング(packaging)化が一般に用いられる。
【0004】
半導体材料の改良に伴って、半導体デバイスの効率も改良された。現在、紫外から黄色(amber)のスペクトルにおいて効率的な放射をもたらすGaNのような材料から新しいLEDが作られつつある。新しいLEDの多くは従来の光源に比べて電気エネルギの光への変換がより効率的であり、また、より信頼性がある。LEDが改良されているので、それらが、交通信号、戸外および室内ディスプレイ、自動車のヘッドライトおよびテールランプ、および、従来の室内照明等の多くの用途で従来の光源に取って代わることが期待される。
【0005】
しかしながら、従来のLEDは、LEDの活性層で発生した光の全てを放出することができないことによりその効率が制限されている。LEDに通電がされると、その活性層から(あらゆる方向に)放出される光は、多くの異なる角度で発光面に到達する。代表的な半導体材料は、大気(n=1.0)または封止エポキシ(n≒1.5)に比べて高い屈折率(n≒2.2〜3.8)をもつ。スネルの法則によれば、(表面法線方向に対して)ある臨界角以内で屈折率の高い領域から屈折率の低い領域へと伝搬する光はこの屈折率の低い領域へと移る。臨界角を越えて表面に達した光は屈折率の低い領域へは移らずに全内部反射(total internal refrection:TIR)を起こす。LEDの場合には、TIR光はLED内部で吸収されるまで反射を続けることが可能であるし、さもなければ、発光面以外の面から外へと放出されることもあり得る。この現象のために、従来のLEDで発生した光の多くが放出されず、効率を低下させる。
【0006】
TIR光の割合を低減する方法の1つは、表面にランダムにテクスチャリング(texturing)する態様で光散乱中心を作ることである。[Shnitzerら、「30% External Quantum Efficiency From Surface Textured、Thin Film Light Emitting Diodes」、Applied Physics Letters 63、2174〜2176頁(1993)]。このランダムなテクスチャリングは、LED表面上のサブミクロンの直径のポリスチレン球を反応性イオンエッチング加工時のマスクとして使用することによって表面内にパターン化される。この凹凸加工面は、ランダムな干渉作用のため、スネルの法則では予測できないような光を屈折および反射する、光の波長程度の形状を有している。この方法は発光効率を9〜30%向上させることが示されている。
【0007】
表面テクスチャリングの1つの欠点は、p型GaNの場合のように、凹凸加工した電極層に対して電気伝導度が劣るLED内での有効な電流の広がりを妨げる可能性があることである。より小型のデバイスまたは電気伝導度の良いデバイスにおいては、p型層およびn型層のコンタクトからの電流が各層を通って広がる。より大きなデバイスまたは電気伝導度が低い材料から作られるデバイスについては、電流がコンタクトから層を通って広がることができない。この結果、活性層の一部は電流が流れず光を発することがない。ダイオード領域の全面に渡って均一な電流注入を生み出すために、導電性材料の広がり層(spreading layer)がその表面上に堆積されている。しかしながらこの広がり層は、多くの場合、光がこの層を透過できるように光学的に透明であることが必要である。LEDの表面にランダムな表面構造を導入した場合、効果的に薄くかつ光学的に透明な電流スプレッダ(current spreader)を簡単には堆積することができない。
【0008】
LEDからの光抽出を増加させる他の方法は、光の向きを内部に閉じ込められる角度から表面の形状や周期によって決定される限定されたモードに変える規則的なパターンを発光面または内部境界面内に設けることである。Kramesらに付与された米国特許第5,779,924号を参照のこと。この手法は、表面をランダムに凹凸加工したものの特別なケースに該当し、そこでは干渉効果はもはやランダムではなく、表面が特定の状態または方向に光を結び付けている。この方法の1つの欠点は、表面の形状およびパターンが、LEDの光の1波長のオーダーで、均一かつ微小でなければならないために、この構造を製造することが困難になる可能性があることである。このパターンは、上記で説明したように光学的に透明な電流広がり層を堆積するときにも、同様に問題になる可能性がある。
【0009】
LEDの発光面の形状を、中心に発光層がある半球体にしたことにより、光抽出の増加も実現した。この構造は放出される光の量を増加させるが、その製造は難しい。ScifresおよびBurnhamに付与された米国特許第3,954,534号は、各LEDの上に各半球体を備えたLEDのアレイを形成する方法を開示している。この半球体は基板内に形成され、その上にダイオードアレイを成長させる。その後、このダイオードおよびレンズ構造はエッチングによって基板から除去される。この方法の1つの欠点はこの構造の形成が基板境界面に限定されることであり、この構造を基板から除去することが製造コストの増加につながることである。また、各半球対はその真上に発光層を有し、このため正確な製造作業が要求される。
【0010】
米国特許第5,793,062号は、光の向きを変えることでコンタクトなどの吸収領域から離し、また、同様に光の向きを変えてLEDの表面に向けるための、光学的非吸収層を設けることによりLEDからの光抽出を高める構造を開示している。この構造の1つの欠点は、この非吸収層が、多くの材料系において製造が困難であるところの、アンダーカット平角層(undercut strait angle layers)の形成を必要とすることである。
【0011】
光抽出を高める他の方法は、光子をLED発光面上の薄膜金属層内の表面プラズモンモードに結合させることであり、これらは放出されて放射モードに戻る。[Knockら、Applied Physics Letters 57、2327〜2329頁(1990)](論文題名を補充してください)。これらの構造は、半導体から放出された光子の金属層内の表面プラズモンへの結合に依拠しているが、これらは最終的に取り出される光子にさらに結合される。このデバイスの1つの欠点は、この規則的な構造が、浅い深さ(<0.1μm)の溝をもつ一次元方向に規定された格子であるために製造が難しいことである。また、恐らく光子の表面プラズモンへの変換および表面プラズモンの周囲光子への変換機構の非効率性のせいで全体的な外部量子効率が低い(1.4〜1.5%)。この構造は、電流広がり層に関して上に説明したのと同様の困難を引き起こす。
【0012】
光抽出は、LEDチップの側面に角度をつけて逆さにしたピラミッドを作ることによって改良することもできる。この角度をつけた表面は、基板材料内に閉じ込められたTIR光に臨界角以内の発光面を与える[Kramesら、Applied Physics Letters 75(1999)](論文題名を補充してください)。この方法を用いると、InGaAlP材料系に対して外部量子効率が35%から50%へ増加することが示された。この方法は、相当量の光が基板内に閉じ込められているようなデバイスに対して機能する。サファイア基板上のGaNの場合は、大部分の光がGaN膜内に閉じ込められているので、LEDチップの側面に角度をつけても望ましい向上は得られない。
【0013】
光抽出を高めるさらに別の方法は光子再循環(photon recycling)である。[Shnitzerら、「Ultrahigh spontaneous emission quantum efficiency、99.7% internally and 72% externally、from AlGaAs/GaAs/AlGaAs double heterostructures」、Applied Physics Letters 62、131〜133頁(1993)]。この方法は、電子および正孔を容易に光にまたその逆に変換する、高効率活性層を有するLEDに依拠している。TIR光はLEDの表面で反射して活性層にぶつかり、そこで光が変換されて電子−正孔対に戻る。この活性層が高効率なために、電子−正孔対はほとんどすぐに光に再変換し、再びランダムな方向に放出される。この再生した光(recycle light)の一部が臨界角以内でLEDの発光面の1つにぶつかり、漏れ出る。反射されて活性層へ戻る光は再度同じ過程を辿る。しかしながら、この方法は光学損失が極度に低い材料で作られるLEDのみで使用でき、興味ある電流広がり層を表面に有するLEDでは使用できない。
【0014】
(発明の要約)
本発明は、光抽出の改良をもたらす微小発光ダイオードを相互に接続したアレイを有する新規な発光ダイオード(LED)を提供する。微小LEDは、より小さな、1から2500平方μmの範囲の活性層を有するが、本発明にとって大きさは重大なことではない。微小LEDのアレイとは、電気的に相互接続した微小LEDをなんらかの形で配置したものである。このアレイは各微小LEDから流出する光に大きな表面積を与え、これによって使用できるLEDからの光を増加させる。この新しいLEDは多くの異なった形状にすることができ、また、標準の加工方法で形成されるので非常に生産性が高い。
【0015】
この新しいLEDは、導電性の第1のスプレッダ層(spreader layer)を備え、その1つの表面上に複数の微小LEDが配置されている。各微小LEDは、p型層、n型層、および、これらのp型層とn型層の間に挟まれた活性層とを有する。これらのp型層またはn型層の何れか一方が最上層(top layer)になり残りの層が底層(bottom layer)になる。第1のスプレッダ層に印加された電流は各微小LEDの底層中に広がる。第2のスプレッダ層が微小LEDの上に備わっており、前記第2のスプレッダ層からの電流はこの最上層中に広がる。第1および第2のスプレッダ層間にバイアスが印加されると微小LEDが発光する。
【0016】
第2のスプレッダ層の1つの実施形態が、微小LEDの上で導電性の経路を有し、微小LEDの最上層と接触している相互接続された導電性グリッド状構造(conductive interconnected grid−like structure)である。絶縁層がアレイの上に備えられ、この絶縁層の上にグリッドがあり、これによって第1のスプレッダ層をグリッドと電気的に絶縁している。
【0017】
別法として、微小LEDを相互に接続するためにフリップチップによる接着を使用することができる。この方法を使用すると、先ず電気的に接続されていない微小LEDのアレイが形成され、その後導電性材料に接着されてアレイ相互接続を形成する。第3の実施形態では、微小LEDの上をグリッドが通り、p型材料、活性材料およびn型材料は微小LED間のグリッドの導電性経路の下にあって、このグリッドを第1のスプレッダ層と電気的に分離している。このグリッド状構造は、放出された光が短い距離を伝搬した後側壁と相互に影響し合うように設計することができる。
【0018】
この新しいLEDは、光抽出をさらに向上させるために、この微小LEDの間に配置されるかまたは微小LEDの側面上に形成される光抽出素子(LEE:light extraction element)を有することができる。このLEEは光の向きを変えるかまたは光を集束させる作用があり、これが無いとこの光は標準的なLEDにおいてTIRにより閉じ込められるかまたは吸収されてしまう。LEEの形状は、光抽出と光の最終的な出力方向に影響を与える構造の形であれば湾曲(凸形または凹形)していてもよく、あるいは区分的に直線でもよい。微小LEDの間に配置されるLEEは、微小LEDの側面から脱出する光と相互に影響し合う。この相互作用は、光が反射されてLED内に戻り吸収されるのを防ぐのに役立ち、これによってLEDの外へ出る有効な光を増加させる。
【0019】
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、添付図を参照した以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。
【0020】
(発明の詳細な記述)
図1および2は、本発明によって構成される新しいLED10の1つの実施形態を示す。これは、各微小LED12が絶縁され、逆極性にドープされた2つの層16と18の間に挟まれたそれ自体の半導体材料の活性層14を有する微小LED12のアレイを備えている。好ましい微小LEDにおいては、最上層16がp型であり底層18はn型であるが、この層16、18においてドーピングを逆極性にしても作動する。
【0021】
この新しいLEDは、nコンタクトパッド22から各微小LEDの底層18へ電流を広げる第1のスプレッダ層20も備えている。好ましい実施形態では、底層18がn型であるのでこのコンタクトパッド22はnコンタクトパッドと呼ばれる。絶縁層23が微小LEDのアレイの上に堆積され、各微小LEDおよび微小LED間の隙間にある第1のスプレッダ層の表面を覆っている。相互接続された電流広がりグリッド24の形状が好ましい第2のスプレッダ層が、この絶縁層上に堆積され、このグリッドの導電性経路が微小LEDの上を通る。pコンタクト26がグリッド24上に堆積され、このコンタクトからの電流がグリッドを通って各微小LED12の最上層16へ広がる。好ましい実施形態では最上層16がp型であるので、このコンタクト26はpコンタクトと呼ばれる。
【0022】
各微小LED上部の上の絶縁層を通して孔が形成され、微小LEDコンタクト29が各絶縁層の孔内に設けられてグリッド24と微小LEDの最上層16の間のコンタクトを与えている。(この孔を除いた)微小LEDおよび第1のスプレッダ層の表面は、絶縁層23によって電流広がりグリッドと電気的に分離されている。全体の構造は基板28の上に形成され、コンタクト22と26の間にバイアスが印加されると各微小LEDが光を発するアレイを形成する。他の実施形態においては、第2のスプレッダ層としてグリッド24の代わりに透明な導電性シートが使用される。
【0023】
この新しいLED10は、この絶縁された微小LEDによってもたらされた発光面面積の増加により発光を高めた。各微小LEDの活性層から発生した光は、非常に短い距離だけ伝搬した後に微小LEDの端部と相互作用し合う。この光が臨界角以内であれば、微小LEDから射出してこのLEDの発光に寄与する。この新しいLEDは、電流スプレッダと基板の境界面における全内部反射(TIR)のために放出された光の一部を基板へ伝えられないようなLED構造に対して特に有効である。この状況は、サファイア、AlNまたはMgO基板上のGaN系LEDについて言えることである。
【0024】
この新しいLED10は、最初に第1のスプレッダ層20を基板28上に堆積させて製造する。次いで、n型層、p型層および活性層をエピタキシャル成長させて備えたLED構造がこの第1のスプレッダ層20の上に形成される。微小LEDは、湿式化学エッチング、RIE、イオンミリングまたは半導体材料を除去するために使用されるその他の手法などの半導体エッチング手法を使用してこの構造のいくつかの部分をエッチンで取り去ることによりこのLED構造から形成される。
【0025】
エッチングして残った各微小LEDは、逆極性にドープされた層16および18によって囲まれる活性層を有する独立かつ電気的に分離されたデバイスを形成する。微小LED12の形状と位置は変えることができるが、各微小LEDの好ましい形は円筒形である。上から見た場合、各微小LEDは直径が1と50μmの間の円形にみえる。この微小LEDは、用いられる微小LED空間を最大にするためにびっしりと詰まったパターンで形成することが好ましい。隣接する各微小LED間の分離は、本発明にとって決定的なものではないが、1から50μmの範囲が好ましい。絶縁層23は、蒸着法、CVD法またはスパッタリング法などの種々の方法でその構造全体上に堆積される。次いで、各微小LED12の上の絶縁層23内に開口部がエッチングによりあけられる。その後、微小LEDコンタクトおよび導電性グリッドが標準的な堆積手法によって堆積される。
【0026】
第1のスプレッダ層20は、基板が導電性であれば、基板上に堆積された導電層または基板それ自体のどちらでもよい。GaN系LEDに対する好ましい導電性基板には、GaNまたはシリコンカーバイド(SiC)がある。SiCはGaN等のIII族窒化物に非常に近い結晶格子整合を有し、高品質のIII族窒化物膜をもたらす。シリコンカーバイドはまた非常に高い熱伝導度を有し、その結果、シリコンカーバイド上のIII族窒化物デバイスの全出力は(サファイア上に形成されたいくつかのデバイスの場合のように)基板の熱散逸(thermal dissipation)による制約を受けない。SiC基板はノースカロライナ州ダラムのCree Research,Inc.から入手することができ、またそれらの作成方法は科学的な文献ならびに米国特許第34861号、同4946547号、5200022号に記載されている。
【0027】
基板が電流広がり層である場合は、底層コンタクトはメタリゼーションによってどのような基板露出面にも堆積させることができる。好ましいLEDは、AlGaInNを主成分とし、最上層16としてp型面を持つ微小LED12を有する。この基板はサファイア、第1のスプレッダ層はn型AlGaInN(またはその合金)、コンタクトメタリゼーションはAl/Ni/Au、Al/Ti/Au、またはAl/Pt/Auである。絶縁層23は、これに限定するものではないが、SiN、SiO2、またはAlNなど多くの材料から作成することができる。
【0028】
グリッド24は、金属、半金属、および半導体を含むすべての導電性材料が使用可能である。これはAl、Ag、Al/Au、Ag/Au、Ti/Pt/Au、Al/Ti/Au、Al/Ni/Au、Al/Pt/Auまたはこれらの組み合わせで作成することができる。別法としては、グリッドをPd、Pt、Pd/Au、Pt/Au、Ni/Au、NiO/Au、またはこれらの任意の合金のような薄い半透明の金属から作成することができる。グリッド24は従来の多くの方法によってこの新しいLED上に堆積させることができるが、好ましい方法は蒸発法またはスパッタリング法である。好ましい実施形態では、電流広がりグリッド24の経路は1から10μmの幅を持つ。微小LEDコンタクト29は、Pt、Pt/Au、Pd、Pd/Au、Ni/Au、NiO、またはNiO/Auから作成することができる。pコンタクト26は、コンタクトからの電流がグリッド全体に広がることができるように、相互接続されたグリッド24上の種々の場所に堆積させることができる。
【0029】
図3は、フリップチップ実装を用い本発明によって構成されたLED30の第2の実施形態を示す。上記のように、完全なLED構造の半導体材料をエッチングで取り除くことにより微小LED32が配列して形成される。各微小LED32は、逆極性にドープされた2つ層によって囲まれた活性層を有する。この微小LEDの配置や大きさは、上で説明した実施形態と同様である。しかしながら、この実施形態では、各微小LEDは角度をつけた側面を有し、その最上層は底層より狭くなっている。上記と同じように、この微小LEDのアレイは基板36上に形成された第1のスプレッダ層34の上に形成される。絶縁層38は、微小LEDおよび隣接する微小LED間の第1のスプレッダの表面を覆っている。各微小LED32の上の絶縁層内に、上部コンタクト40用に孔が設けられている。第2のスプレッダ層42がこの微小LEDアレイ全体を被覆して、この各上部コンタクト40を相互に接続している。
【0030】
第2のスプレッダ層42の微小LEDと反対側の表面は、接着媒体によってサブマウント46上の反射性の金属層48に接着されている。pコンタクト44がこの金属層48上に設けられ、この第2のコンタクトに印加された電流は第2のスプレッダを通って上部コンタクト40と微小LED32の最上層へ広がっていく。金属層48には分断された個所があり、pコンタクトを有する部分と電気的に分離された金属層48のその部分の上にnコンタクト50が形成されている。フィンガ(finger)49がサブマウントと第1のスプレッダの間に接着され、コンタクト50からの電流を金属層48およびこのフィンガを通して第1のスプレッダ34へ伝える。この電流はその後第1のスプレッダを通り微小LEDの底層へ広がっていく。
【0031】
このフリップチップの実施形態では、LED50から出た光は主に基板36を通って放出される。この第2のスプレッダ42は光を反射することができ、その結果、微小LED32から第2のスプレッダ42の方向に放出された光は、このLEDの基板36に向けて反射される。第2のスプレッダとしてはAlまたはAgが好ましく使用され、各微小LED32はAlGaInNを主成分としp型の最上層を備える。各上部コンタクト40は、Pt、Pt/Au、Pd、Pd/Au、Ni/Au、NiOまたはNiO/Auが好ましい。
【0032】
この実施形態は、微小LEDを分離した結果、側壁と放出された光の相互作用の増加をもたらしている。微小LEDの間に配置される第2のスプレッダ42のこの部分は、微小LEDから出て基板に向かう光を反射することによってLEEとして機能する。この形状もまた、サブマウントを介して、新しいLEDチップから出る熱の伝達の改良をもたらす。
【0033】
図4および5は、第1のスプレッダを第2のスプレッダと分離する絶縁層を持たない新しいLED51の他の実施形態を示す。代わりに、微小LED52は、相互接続されたグリッド54の導電性経路53によって隣接する微小LEDに接続され、この経路の下には半導体材料がある。グリッド54内の各開口部55は、このLED50を製造するときに半導体材料をエッチングによってLED構造から取り除いた部分である。この構造の各部が微小LED52としてグリッド54の下に残り、また、微小LED間のグリッド経路53の下に半導体材料として残っている。この経路の下の微小LEDおよび半導体材料は、逆極性にドープされた2つ層によって囲まれた活性層を含み、この構造全体が第1のスプレッダ層56および基板58の上に形成されている。
【0034】
第1のコンタクト60が第1のスプレッダ上に堆積されて微小LEDの底層へ電流を印加し、第2のコンタクト62が電流広がりグリッド上に設けられて微小LEDの最上層へ電流を広げている。これらのコンタクト60および62間にバイアスを印加すると、導電性経路の下の微小LEDと半導体材料へ電流が供給され、これらが両方とも光を発する。光は、この経路の下にある微小LED材料の側面から射出して全内部反射を避けている。したがってこの手法は一般に任意の基板上のどのようなLED構造にも応用でき、標準的な加工方法で実施される。
【0035】
このLED51は、最初に第1のスプレッダ層56を基板58上に堆積させ、次いでこの電流広がり層56を覆う連続するLED構造を形成することによって製造する。グリッド54がこのLED構造上に堆積され、このグリッドの開口部内に見えるLED構造の部分が、湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング(RIE)、イオンミリングまたは半導体材料を取り除くために使用されるその他の手法などのさまざまな方法によりエッチングされて取り除かれる。LED構造のいくつかの部分はまた、コンタクトパッド60用の区域を設けるために同様にエッチングされ、コンタクトパッド60および62が付着される。グリッド54は、これに限定するものではないが、金属、半金属、および半導体またはこれらの組み合わせを含むどのような導電性材料からでも作成することができる。好ましい微小LEDは、GaNを主成分とし、各微小LEDの最上層55がp型AlGaInNまたはその任意の合金であり、グリッド54はNi、Pd、Au、Ptまたはこれらの任意の合金などの薄い金属から作成することが好ましい。
【0036】
図4の破線は、1つの微小LEDと、以下においてさらに十分に説明するように、LEEを設けて光抽出をさらに向上できるこの微小LEDのまわりの区域とを示している。
【0037】
図6および7は、異なる微小LEDとグリッドパターン72および82を備えた、新しいLEDの別の2つの実施形態70および80を示すが、別の多くのパターンが使用可能である。各実施形態は、各底部広がりコンタクト73および83を有する。図6において、微小LED74は十字形が相互に接続されたもので、電流がさまざまな経路を通って各微小LEDへ広がっている。各経路の下はこの経路を第1のスプレッダ層と分離する半導体材料である。グリッド72は、光の相互作用ために、正方形配列パターンの開口部を形成している。
【0038】
グリッド54はグリッド72を凌ぐ利点を持っている。LED70においては、TIR光はグリッドの多数の導電性経路の1つの下で反射する可能性があり、各微小LEDの1つの表面と相互に影響し合うこともなくLED内部で反射する可能性がある。このグリッドまたはその下にある層に存在する光学的損失のために、光が新しいLEDの最終端の外へと射出する前に、このTIR光の一部が吸収される状況が引き起こされる。グリッド54の場合は、微小LEDから放出された光は短い距離(せいぜい微小LED長の2倍)だけ伝搬した後に側面へ達するのでこの問題を抑制し、これによってデバイスの外へ出て行く光が増加する。
【0039】
図7において、微小LEDはランダムな形状をしており、ランダムに相互接続する経路を有している。これも同様に、この経路の下に半導体材料がある。ランダムなパターンにすることで、TIRが1つのグリッド開口部内で微小LEDの1つと出会うまでに伝搬する行路の数が減少する。上記と同様に、図6および7の微小LEDまわりの各破線は、以下においてさらに十分に説明するように、周辺にLEEがある微小LED76および86を例示している。
【0040】
開口部の寸法および開口部間の間隔は1から30μmの間が好ましいが、もっと大きくあるいは小さくできる。光の微小LED端との相互作用の性質はいかなる条件も必要としないので、この開口部のパターンは不規則なものでよく、あるいは規則的なものでもよい。p型AlGaInN層についての好ましい実施形態においては、グリッド開口部は1から20μmの間であり、微小LEDの幅は1から30μmの間である。
【0041】
前述の3つの実施形態はすべて、発光をさらに増加させるために各微小LEDの間のLEEと一体化することができる。このLEEは、第1のスプレッダ層を持たないこれらの実施形態において、微小LEDの側面、または、第1のスプレッダ層か導電性基板の表面のどちらにも形成することができる。
【0042】
図8は、本発明における実施形態として包含されるLEEの別のいくつかの形状を示すが、他の形状を使用することができ、本発明の範囲は図示した形状に限定されない。LEE82、84、86は湾曲した面を有し、一方、LEE88、90、92、94は区分的に直線な面を有している。別法としては、LEEは光分散体(light disperser)として作用するランダムに粗くした層でもよい。
【0043】
LEEは、湿式の化学エッチング、RIE、またはイオンミリングなどの標準的なエッチング法で形成することができる。好ましい実施形態において、LEEは、市販のポリマー(紫外線または電子ビーム感光性フォトレジストなど)をアブレーション用エッチングマスクとして用いて形成することができる。このポリマーが最初に堆積され、そして角張った刃でパターンを形成される。このポリマーは、そのへりを徐々に直線のまたは湾曲した形状にするために、ある温度に加熱されてガラスのようにリフローされる。ポリマーの厚み、パターンの形状、加熱温度および加熱時間がこのへりの形状を決定することになる。このパターンは、RIEによってAlGaInN系の微小LEDに転写される。直線のまたは湾曲したLEEはこの方法によって容易に作成され、また区分的に直線なLEEは多数のアブレーション用エッチングマスクを使用して容易に形成することができる。
【0044】
LEEを形成する2番目の方法は、負極性(negative polarity)の紫外線に露光可能なフォトレジストを使用する方法である。最初に、フォトレジストは特定の露光時間の間露光され、負極性を生じるように処理される。次に、このフォトレジストは現像されて、そのプロフィールが、アンダーカット湾曲または直線の形状を生じる。このパターンは、その後の乾燥エッチング手法によって半導体材料に転写することができる。両方の実施形態において、乾燥エッチング条件は半導体材料中のレンズの最終的な形状にも影響を及ぼす。
【0045】
図9〜15は、光抽出を向上させるためにLEEをさまざまなやり方で微小LEDのアレイ内に一体化した新しいLEDの実施形態を示す。これらの実施形態は本発明によってLEEを使用することができる実行可能な方法のうちのごく一部を示したもので、本発明の範囲は説明したこの実施形態に限定されない。
【0046】
図9は、図4および5のLED50と同様であるが、微小LED104の間にLEE101、102、103を有する新しいLED100を示す。このLEE101、102、103によって、微小LEDの側面を通るように向いた光がLEEで反射し、基板から離れてパッケージ内に入るように向きを変えることが可能になる。TIRによって基板108と第1のスプレッダ層106の間の界面で反射する光線もまた、LEE101、102、103と相互に影響し合いパッケージ内へと脱出し、高い光出力をもたらす。図8に描いたLEEはその上に堆積させることができ、あるいは加工して新しいLED内へ組み込むこともできる。上記したように、このLEEの深さは変えることができるが、好ましい深さは0.5μmから10μmの範囲にある。
【0047】
図10は、図9のLED100と同様であるが、微小LED113の間にランダムに表面を粗くした分散(dispersion)LEE112を有する新しいLED110を示す。光と表面を粗くした層との相互作用によって、TIR光は吸収される前に臨界角以内で表面に達し脱出することができる。好ましい実施形態では、粗くした表面は、ポリスチレンまたはシリカの微小球をエッチングマスクとして使用して半導体内に微小尺度の粗さを転写することにより形成される。ランダムな粗さの深さと幅は20nm未満から500nm以上にすることができるが、LEDが発生する光の波長程度の寸法が好ましい。
【0048】
図11は、図10のLED110と同様であるが、微小LED内に電流ブロッキング層を備えた新しいLED120を示す。このブロッキング層122は、電流を分散的(dispersive)なLEE124の下に向けて、光がこのLEEと相互に影響し合って脱出する機会を増加させている。
【0049】
各微小LED間にLEEを形成する別法として、LEEを微小LEDの側面上に直接形成することができる。図12は図9、10および11のLEDと同様であるが、種々のLEE131〜133が各微小LEDの側面上に直接形成された新しいLED130を示す。このLEEは上記で説明したのと同じ方法を使用して形成することができる。微小LED側面に向かって伝搬する光は、第1のスプレッダ層135または微小LED132を通り基板134の表面から外へ光を脱出させる方向に向きが変えられる。基板134から反射して戻る光もまた、微小LED端上のLEEによって脱出の機会が増える。
【0050】
図13は湾曲した表面のLEE142が微小LED144の側面上に形成された新しいLED140を示す。この湾曲した表面のLEE142はLED光をもっとよく限定した方向に集束させるという利点をさらにもたらす。このLEE142の深さと幅は変えることができるが、どれか1つのLEEの好ましい深さは0.1μmから50μmである。
【0051】
2つの付加的な実施形態が図14および15に示される。図14は微小LED154の側面上にある湾曲表面のLEE152と微小LED154の間にある完全湾曲表面のLEE156の組み合わせを備えた新しいLED150を示す。この各LEEは、光を屈折および反射してLEDパッケージの外へ出すことにより、協働して光抽出を高める。
【0052】
図15は、図3に示す実施形態と同様なフリップチップ実施形態の取付を使用し、湾曲した表面のLEE162が微小LED164の側面上にある新しいLED160を示す。第2のスプレッダ164が反射性で、基板166が主要発光面である。このLEE162および第2のスプレッダ164の各部分は、光を屈折および反射して基板を通してLEDパッケージの外へ出すことにより、協働して光抽出を高める。
【0053】
本発明について本発明のある好ましい形状を参照してかなり詳細に説明してきたが、他の種類が可能である。たとえば、このアレイ中の微小LEDの底層を接触状態にすることができる。光抽出構造は、いろいろ組み合わせを変えて用いること可能であり、いろいろな形や大きさが可能である。また、以上に説明したLED構造は、逆極性にドープされた層の間に挟まれる活性層を複数備えることが可能である。したがって、添付した特許請求の趣旨と範囲は上で説明した好ましい実施形態に限定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】
微小LEDのアレイが、電気絶縁層上に相互接続電流広がりグリッドを有する新しいLEDの平面図である。
【図2】
図1に示される新しいLEDを線2−2に沿ってみた断面図である。
【図3】
微小LEDのアレイがフリップチップ実装を用いてサブマウントに結合された新しいLEDの他の実施形態の断面図である。
【図4】
導電性の相互接続電流広がりグリッドとこのグリッドの下の半導体材料を備える新しいLEDの第3の実施形態の平面図である。
【図5】
図4に示されるLEDを線4−4に沿ってみた断面図である。
【図6】
代わりの相互接続電流広がりグリッドの平面図である。
【図7】
他の代わりの相互接続電流広がりグリッドの平面図である。
【図8】
この微小LED内に一体化できる光抽出素子(LEE)の基本的な形状の断面図である。
【図9】
別のLEEがこの微小LEDの間に形成された新しいLEDの断面図である。
【図10】
表面をランダムに凹凸加工した形状のLEEを備えた新しいLEDの断面図である。
【図11】
電流広がりグリッドの直下に電流ブロッキング層を有する図10の微小LEDアレイの断面図である。
【図12】
LEEが微小LEDの側面に一体化された新しいLEDの断面図である。
【図13】
湾曲した表面のLEEが微小LEDの側面に一体化された新しいLEDの断面図である。
【図14】
湾曲した表面のLEEが微小LEDの側面および微小LEDの間に一体化された新しいLEDの断面図である。
【図15】
湾曲したLEEを持つ図4の新しいLEDの断面図である。
Claims (38)
- 光抽出を向上させた発光ダイオード(LED)であって、
導電性の第1のスプレッダ層(20)と、
前記第1のスプレッダ層(20)の表面上に分離して配置され、それぞれが
p型層(16)、
n型層(18)、
前記p型層とn型層(16、18)との間に挟まれた活性層(14)を含み、前記p型層またはn型層の何れか一方が最上層で他の前記層が底層であり、前記第1のスプレッダ層(20)からの電流が前記底層内に広がるようにした、複数の微小発光ダイオード(微小LED)(12)と、
前記微小LED(12)の上の第2のスプレッダ層(24)とを備え、前記第2のスプレッダ層(24)からの電流が前記最上層中に広がり、前記第1および前記第2のスプレッダ層(20、24)の間に印加されたバイアスによって前記微小LED(12)が発光するようにしたことを特徴とする発光ダイオード(LED)。 - 前記第1のスプレッダ層(20)が導電性基板であることを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記第1のスプレッダ層(20)の前記微小LED(12)と反対側の表面に隣接する基板(28)をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記基板(28)が絶縁性であり、前記第1のスプレッダ層(20)がエピタキシャル成長した半導体材料であることを特徴とする請求項3に記載のLED。
- 前記微小LED(12)と前記微小LED(12)間の前記第1のスプレッダ層(20)の表面とを覆い、前記第2のスプレッダ層(24)と前記微小LED(12)との間に配置された前記絶縁層(23)をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記絶縁層(23)が前記微小LED(12)の各々の上に孔を有し、前記第2のスプレッダ層(24)が前記孔を通じて前記微小LED(12)の各々と接触することを特徴とする請求項5に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(24)が透明な導電性材料のシートであることを特徴とする請求項6に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(24)が、複数の相互に接続された導電性経路を有する相互接続電流広がりグリッドであり、前記微小LED(12)の各々が、その上にありかつ前記孔を通じて前記最上層と接触している1つまたは複数の導電性経路を有することを特徴とする請求項6に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(24)が導電性材料であることを特徴とする請求項6に記載のLED。
- 前記微小LED(12)と一体化され、前記微小LED(12)から射出する光と相互作用して、前記LEDからの光抽出をさらに向上させるようにした光抽出素子(LEE)(82、84、86、88、90、92、94)をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記LEE(101、102、103)が前記微小LED(104)の間に配置されたことを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(101、102、103)が前記微小LED(108)の間の前記第1のスプレッダ層(106)の表面に配置されたことを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(131、132、134)が前記微小LED(104)の側面上に一体化されていることを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(152、156)が前記微小LED(154)の側面上に一体化され、かつ前記微小LED(154)の間に配置されたことを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(82、84、86)が、湾曲した面を有することを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(88、90、92、94)が、直線的または区分的に直線的な面を有することを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記LEE(112)が、表面をランダムに粗くした面であることを特徴とする請求項10に記載のLED。
- 前記第1および第2のスプレッダ層(20、24)上にそれぞれ配置された電気的コンタクト(22、26)をさらに備え、前記コンタクトの間に印加されたバイアスが前記活性層(14)を発光させることを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(42)が前記微小LED(32)の上に堆積された反射性の金属層であり、前記LEDが前記第1のスプレッダ(34)の前記微小LED(32)と反対側の表面に隣接する基板(36)および前記金属層(42)に取り付けられたサブマウント層(46)とをさらに備え、前記LEDの前記基板(36)が主要発光面になることを特徴とする請求項6に記載のLED。
- 前記サブマウント層(46)と前記第1のスプレッダ層(34)の間の導電性フィンガ(49)と、前記導電性フィンガ(49)に接続された前記サブマウント層(46)の上の第1のコンタクト(50)と、前記金属層(48)に接続された前記サブマウント層(46)の上の第2のコンタクト(44)とをさらに備え、バイアスが前記電気的コンタクト(44、50)の間に印加されると前記微小LED(32)が発光することを特徴とする請求項19に記載のLED。
- 前記微小LED(12)の前記各底層が接続され、前記活性層と最上層とが分断されていることを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層が前記微小LED(52)の間に導電性経路(53)を備えた相互接続された電流広がりグリッド(54)であり、前記LEDが微小LEDの間の前記導電性経路(53)の下にさらに半導体材料を備え、前記半導体材料が前記第1のスプレッダ層(56)を前記導電性経路(53)と電気的に絶縁していることを特徴とする請求項1に記載のLED。
- 前記半導体材料が逆極性にドープされた2つの層(16、18)の間に挟まれた活性層(14)を含むことを特徴とする請求項22に記載のLED。
- 第1のスプレッダ層(20)と、
前記第1のスプレッダ層(20)上に配置された発光素子(12)のアレイと、
前記発光素子(12)のアレイの上に配置され、前記第1のスプレッダ層(20)と電気的に絶縁された第2のスプレッダ層(24)と、
前記第1および第2のスプレッダ層(20、24)のそれぞれの上に設けられ、コンタクト(22、26)の間に印加されたバイアスによって前記発光素子(12)のアレイが発光するようにした第1および第2のコンタクト(22、26)とを備えたことを特徴とする発光ダイオード(LED)。 - 前記発光素子(12)が微小LEDであり、この各微小LEDが逆極性にドープされた2つの層(16、18)の間に挟まれた活性層(14)を含むことを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 逆極性にドープされた層(16、18)がp型層とn型層であり、前記p型層またはn型層の何れか一方が前記第1のスプレッダ層(20)に隣接する底層であり、他方が前記第2のスプレッダ層(24)に隣接する最上層であり、前記第1のスプレッダ層(20)からの電流が前記底層中に流れ込み、前記第2のスプレッダ層(24)からの電流が前記最上層中に流れ込むようにしたことを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 前記第1のスプレッダ層(20)の前記発光素子(12)と反対側の表面に隣接する基板(28)をさらに備えることを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(24)は、前記発光素子(12)を覆い、および、前記発光素子(12)の間に複数の相互に接続された導電性経路を有する相互接続された電流広がりグリッドであることを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 前記第2のスプレッダ層(24)が透明な導電性材料のシートであることを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 前記発光素子(12)と前記発光素子(12)間の前記第1のスプレッダ層(20)の表面とを覆う絶縁層(33)をさらに備え、前記第2のスプレッダ層(24)が前記絶縁層(23)の上に配置され、前記絶縁層(23)により前記第1のスプレッダ層(20)を前記第2のスプレッダ層(24)と電気的に絶縁していることを特徴とする請求項28に記載のLED。
- 前記絶縁層(23)が前記発光素子の各々の上に孔を有し、前記第2のスプレッダ層(24)を前記孔を通じて前記各発光素子(12)とコンタクトさせることを特徴とする請求項30に記載のLED。
- 前記発光素子(12)の各々が、この発光素子の上にあり、かつ、前記孔を通じて前記発光素子とコンタクトしている1つまたは複数の導電性経路を有することを特徴とする請求項31に記載のLED。
- 前記導電性経路(53)の下の発光素子(52)の間にあって、前記第1のスプレッダ層(56)を前記導電性経路(53)と電気的に絶縁している半導体材料をさらに備えることを特徴とする請求項28に記載のLED。
- 前記半導体材料が、逆極性にドープされた2つの層(16、18)によって囲まれた活性層(14)を含むことを特徴とする請求項33に記載のLED。
- 前記発光素子(104)から放出された発光の向きを変えるために、前記発光素子の間にさらに光抽出素子(101、102、103)を備えることを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 前記発光素子(104)から放出された発光の向きを変えるために、前記発光素子(104)の側面上にさらに光抽出素子(131、132、134)を備えることを特徴とする請求項24に記載のLED。
- 第1のスプレッダ層(56)と、
前記第1のスプレッダ層(56)上に配置され、前記第1のスプレッダ層(56)に注入された電流が広がっていく微小LED(52)のアレイと、
前記微小LED(52)の上に配置され、前記微小LED(52)の間に導電性経路(53)を有し、注入された電流が前記微小LED(52)に広がっていく相互接続された電流広がりグリッド(54)と、
前記導電性経路(53)の下の発光素子(52)の間にあって、前記第1のスプレッダ層(56)を前記導電性経路(53)と電気的に絶縁している半導体材料と、
コンタクト(60、62)にわたって印加されたバイアスが前記微小LED(52)のアレイの発光を引き起こす、前記第1および第2のスプレッダ層(56、54)のそれぞれの上にある第1および第2のコンタクト(60、62)とを備えることを特徴とする発光ダイオード(LED)。 - 前記半導体材料が、逆極性にドープされた2つの層(16、18)の間に挟まれた活性層(14)を含むことを特徴とする請求項37に記載のLED。
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