JP2009519604A - 改善された透明電極構造体を有する交流駆動型発光ダイオード - Google Patents

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Abstract

改善された透明電極構造体を有する交流駆動型発光ダイオードが開示される。この発光ダイオードは、単一基板上に形成された複数個の発光セルを含み、各発光セルは、第1の導電型半導体層、第1の導電型半導体層の一領域上に位置する第2の導電型半導体層、および第1の導電型半導体層と第2の導電型半導体層との間に介在された活性層を含む。透明電極構造体が、各発光セル上に位置する。この透明電極構造体は、互いに分離された少なくとも二つの部分を含み、または、中心部分と、前記中心部分から両側に延長された分岐とを含む。一方、配線が、発光セルの隣接した二つの発光セルをそれぞれ電気的に連結する。これにより、複数個の発光セルを電気的に連結し、交流電源下で駆動可能な発光ダイオードを提供することができ、改善された透明電極構造体を採用し、局部的な電流密度の増加を防ぐことができる交流駆動型発光ダイオードを提供することができる。

Description

本発明は、交流駆動型発光ダイオードに関し、特に、改善された透明電極構造体を有する交流駆動型発光ダイオードに関する。
窒化ガリウム(GaN)系発光ダイオードが、約10年間適用されてきている。GaN系LEDは、LED技術を相当程度変化させており、現在、天然色LED表示素子、LED交通信号機、白色LED等、様々な応用に用いられている。最近、高効率白色LEDは、蛍光ランプを代替するものと期待されており、特に、白色LEDの効率は、通常の蛍光ランプの効率とほぼ同水準に達している。
一般に、発光ダイオードは、順方向電流により光を放出し、直流電流の供給を必要とする。したがって、発光ダイオードは、交流電源に直接連結して使用する場合、電流の方向によりオン/オフを繰り返し、その結果、連続的に光を放出せず、逆方向電流により破損しやすいという問題点があった。
このような発光ダイオードの問題点を解決して、高電圧交流電源に直接連結して使用可能な発光ダイオードが、国際公開番号WO2004/023568(A1)号に「発光成分を有する発光素子」(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)という題目で、サカイ等(Sakai et. al.)により開示されたことがある。
図1は、前記WO2004/023568(A1)号による交流駆動型発光ダイオードを説明するための部分的な平面図であり、図2は、図1のIV−IV線による断面図である。
図1および図2を参照すると、基板10上に複数個の発光セル1が形成される。また、前記発光セル1上にp-電極22およびn-電極24が形成される。エアブリッジ配線28が、隣接した発光セルのp-電極22とn-電極24を電気的に連結し、複数個の発光セル1を直列連結する。
各発光セルは、n-GaN層14、p-GaN層20を含む。図示してはいないが、n-GaN層14とp-GaN層20との間にInGaN活性層が介在されてもよい。p-電極22は、前記p-GaN層20上に形成され、n-電極24は、前記n-GaN層14上に形成される。一方、エアブリッジ配線28は、n-電極24とp-電極22を電気的に連結する。
前記国際公開番号WO2004/023568(A1)号によると、LED(発光セル)がサファイア基板のような絶縁性基板上に二次元的に直列連結され、LEDアレイを形成する。このような二つのLEDアレイが、前記サファイア基板上にて逆並列で連結される。その結果、交流電源により駆動される単一チップ発光素子が提供される。
しかしながら、図1に示すように、p-電極22とn-電極24をエアブリッジ配線28で連結した場合、エアブリッジ配線28を通じて流入する順方向電流がp-電極22の一部領域に局部的に集中する。したがって、p-電極22の一部領域で電流密度が増加し、その他の領域では、電流密度が相対的に低くなる。このような局部的な電流密度の増加は、活性層の発光領域を制限するのみならず、過度な電流密度により、p-電極22が剥がれる現象(ピーリング)を引き起こすことがあり得る。また、局部的な電流密度の増加は、その領域内の接合部温度を増加させ、発光効率を減少させることがあり得る。このような問題点は、高出力を得るために電流を増加させる場合、さらに顕著となる。したがって、p-電極22内で局部的に電流が集中することを防ぎ、p-電極の全体に均一に電流を分散させることができる発光ダイオードが要求される。
本発明が解決しようとする技術的課題は、発光セル内で局部的に電流が集中することを防止または緩和し、電流を均一に分散させることができる交流駆動型発光ダイオードを提供することにある。
上述した技術的課題を達成するために、本発明の一態様は、単一基板上に形成された複数個の発光セルを含む。前記発光セルのそれぞれは、第1の導電型半導体層、前記第1の導電型半導体層の一領域上に位置する第2の導電型半導体層、および前記第1の導電型半導体層と前記第2の導電型半導体層との間に介在された活性層を含む。一方、透明電極構造体が、前記各発光セル上に位置する。前記透明電極構造体は、互いに分離された少なくとも二つの部分を含む。これに加えて、配線が、前記発光セルの隣接した二つの発光セルをそれぞれ電気的に連結する。前記配線は、前記隣接した発光セルの一方の発光セル上に位置する前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分を、それぞれ他方の発光セルの第1の導電型半導体層に電気的に連結する。
本発明の一態様によると、透明電極構造体の互いに分離された部分と隣接した第1の導電型半導体層をそれぞれ連結することにより、前記透明電極構造体を流れる電流を分散させることができ、局部的な電流密度の増加を防ぐことができる。
前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分のそれぞれは、前記発光セル間において、電流の流れ方向に長い形状を有してもよい。これにより、前記透明電極構造体を流れる電流が各部分内でも均一に分散される。
一方、n型電極が、前記各発光セルの第1の導電型半導体層の他の領域上に形成され、p型電極パッドが、前記各発光セル上の前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分のそれぞれに形成されて位置してもよい。この際、前記配線は、前記n型電極と前記p型電極パッドを電気的に連結する。
上述した技術的課題を達成するために、本発明の他の態様による交流駆動型発光ダイオードは、前記透明電極構造体を変形したものである。すなわち、本発明の他の態様において、透明電極構造体は、前記各発光セル上に位置するが、中心部分と、前記中心部分から両側に延長された分岐とを含む。これにより、中心部分に沿って流れる電流が分岐の端にも流れるようになり、電流を均一に分散させることができる。
一方、配線は、前記発光セルの隣接した二つの発光セルをそれぞれ電気的に連結するが、前記隣接した発光セルの一方の発光セル上に位置する前記透明電極構造体を、他方の発光セルの第1の導電型半導体層にそれぞれ電気的に連結する。
これに加えて、前記中心部分は、前記発光セル間において、電流の流れ方向に長い形状を有してもよい。また、前記分岐は、前記電流の流れ方向に垂直に延長される。これにより、前記中心部分内でも、電流が局部的に集中することを防ぐことができる。
また、n型電極が、前記各発光セルの第1の導電型半導体層の他の領域上に形成され、p型電極パッドが、前記各発光セル上の前記透明電極構造体の中心部分に形成されて位置してもよい。この際、前記配線のそれぞれは、前記n型電極と前記p型電極パッドを電気的に連結する。
本発明の実施例によると、発光セル内で局部的に電流が集中することを防止または緩和し、電流を均一に分散させることができる交流駆動型発光ダイオードを提供することができる。これにより、局部的に集中する過度な電流により、p-電極が剥がれる現象(ピーリング)を防ぐことができ、発光セルの全領域に均一に電流を分散させ、発光効率が改善される。また、電流を均一に分散させることができるので、従来の技術に比べて、電流をさらに増加させ、高出力が得られる交流駆動型発光ダイオードを提供することができる。
以下、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。以下に紹介される実施例は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施例に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
図3は、本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図であり、図4は、図3のI−I’線による断面図である。
図3および図4を参照すると、単一基板50上に複数個の発光セル57が位置する。前記基板50は、絶縁または導電性基板であってもよい。
前記発光セル57のそれぞれは、第1の導電型半導体層54、前記第1の導電型半導体層の一領域上に位置する第2の導電型半導体層60、および前記第1の導電型半導体層と第2の導電型半導体層との間に介在された活性層56を含む。ここで、前記第1の導電型および第2の導電型は、それぞれn型およびp型、またはp型およびn型である。
第1の導電型半導体層54、活性層56、および第2の導電型半導体層60は、それぞれ窒化ガリウム系半導体物質、すなわち、(B、Al、In、Ga)Nで形成されてもよい。前記活性層56は、要求される波長の光、例えば紫外線または青色光を放出するように、組成元素および組成比が決定され、第1の導電型半導体層54および第2の導電型半導体層60は、前記活性層56に比べてバンドギャップの大きい物質で形成される。
前記第1の導電型半導体層54および/または第2の導電型半導体層60は、図示のように、単一層で形成されてもよいが、多層構造で形成されてもよい。また、活性層56は、単一量子井戸または多重量子井戸構造を有してもよい。
一方、前記発光セル57と前記基板50との間にバッファ層52が介在されてもよい。バッファ層52は、基板50と、その上に形成される第1の導電型半導体層54との格子不整合を緩和させるために採用される。
前記第1の導電型半導体層54の他の領域、すなわち、第2の導電型半導体層60が形成された領域に隣接する領域上にn型電極64が形成されてもよい。前記n型電極64は、第1の導電型半導体層54にオーム接触される。一方、第2の導電型半導体層29上に透明電極構造体62が位置する。前記透明電極構造体62は、第2の導電型半導体層60にオーム接触され、活性層56から放出された光を透過させる。
前記透明電極構造体62は、図1に示すように、分離された少なくとも二つの部分を含む。前記部分のそれぞれは、発光セル57を動作させるために、電流の流れ方向、すなわち、x方向に長い形状を有することが好ましい。
一方、前記各部分上にp型電極パッド66が形成されてもよい。前記p型電極パッド66は、前記透明電極62を貫通し、第2の導電型半導体層60に接触してもよく、この場合、前記p型電極パッド66と第2の導電型半導体層60の接触抵抗が大きいことが好ましい。
配線68が、図示のように、隣接した発光セルの第1の導電型半導体層54と透明電極構造体62を電気的に連結する。前記配線は、伝導性物質、例えば、金属で形成される。配線68は、前記透明電極構造体62の少なくとも二つの部分のそれぞれを、隣接した発光セルの第1の導電型半導体層54に電気的に連結する。一方、n型電極64およびp型電極パッド66が形成された場合、前記配線68は、第1の導電型半導体層54上に形成されたn型電極64と、前記透明電極構造体62の各部分に形成されたp型電極パッド66を、それぞれ電気的に連結してもよい。
前記配線68は、発光セル57を直列連結し、発光セルの直列アレイを形成する。このようなアレイが複数個形成されてもよく、複数個のアレイが互いに逆並列で連結され、交流電源に連結されてもよい。また、発光セルの直列アレイに連結されたブリッジ整流器(図示せず)が形成されてもよく、前記ブリッジ整流器により、前記発光セルが交流電源下で駆動されてもよい。
本実施例によると、透明電極構造体62が、分離された少なくとも二つの部分を含むので、配線68を通じて透明電極構造体62に流入する電流は、分離された各部分に分散される。したがって、従来の単一電極(図1の22)に比べて、一部領域に電流が集中することを防ぐことができる。また、前記各部分が、電流の流れ方向、すなわち、x方向に長い形状を有するので、前記各部分内でも、電流が一部領域に集中することを防ぐことができる。
図5乃至図7は、本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
図5を参照すると、基板50上に、第1の導電型半導体層54、活性層56、および第2の導電型半導体層60を形成する。また、前記第1の導電型半導体層54を形成する前、前記基板50上にバッファ層52を形成してもよい。
前記基板50は、サファイア(Al23)、炭化ケイ素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコン(Si)、ガリウムヒ素(GaAs)、ガリウムリン(GaP)、リチウム-アルミナ(LiAl23)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、または窒化ガリウム(GaN)基板であってもよいが、これに限定されるものではなく、基板21上に形成される半導体層の物質により多様に選択され得る。窒化ガリウム系半導体層を形成する場合、前記基板50は、サファイアまたは炭化ケイ素(SiC)基板が主に用いられている。
バッファ層52は、基板50と、その上に形成される半導体層54との格子不整合を緩和するために形成され、例えば、窒化ガリウム(GaN)または窒化アルミニウム(AlN)で形成されてもよい。前記基板50が伝導性基板である場合、前記バッファ層52は、絶縁層または半絶縁層で形成されることが好ましく、AlNまたは半絶縁GaNで形成されてもよい。
第1の導電型半導体層54、活性層56、および第2の導電型半導体層60は、それぞれ窒化ガリウム系半導体物質、すなわち、(B、Al、In、Ga)Nで形成されてもよい。前記活性層56は、要求される波長の光を放出するように、組成元素および組成比が決定され、第1の導電型半導体層54および第2の導電型半導体層60は、前記活性層56に比べてバンドギャップの大きい物質で形成される。前記第1および第2の導電型半導体層54、60および活性層56は、有機金属化学気相蒸着法(MOCVD)、分子線エピタキシー法(molecular beam epitaxy)、またはハイドライド気相成長法(hydride vapor phase epitaxy;HVPE)等を用いて断続的または連続的に成長されてもよい。
ここで、前記第1の導電型および第2の導電型は、それぞれn型およびp型、またはp型およびn型であってもよい。窒化ガリウム系化合物半導体層において、n型半導体層は、不純物としてシリコン(Si)をドープして形成されてもよく、p型半導体層は、不純物としてマグネシウム(Mg)をドープして形成されてもよい。
図6を参照すると、前記第2の導電型半導体層60、活性層56、および第1の導電型半導体層54をパターニングし、互いに離隔した発光セル57を形成する。この際、前記バッファ層52も一緒にパターニングされてもよい。前記第1および第2の導電型半導体層54、60および活性層56は、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いてパターニングされてもよい。
一方、第2の導電型半導体層60および活性層56は、図示のように、パターニングされた第1の導電型半導体層54の一領域上に位置するようにパターニングされる。これにより、前記パターニングされた第1の導電型半導体層54の一部領域が露出する。
図7を参照すると、前記パターニングされた第2の導電型半導体層60上に透明電極構造体62を形成する。透明電極構造体62は、リフトオフ技術を用いて、図1に示すように、互いに分離された少なくとも二つの部分を有するように形成されてもよい。これとは異なり、電子ビーム蒸着(e-beam evaporation)法等の蒸着技術を用いて透明電極層を形成した後、これを、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いてパターニングし、少なくとも二つの部分を有する透明電極構造体62を形成してもよい。前記透明電極構造体62は、活性層56から放出された光を透過させることができる電極物質であれば、特に限定されず、例えば、Ni/Auまたはインジウムスズ酸化物(ITO)で形成されてもよい。
本実施例において、前記透明電極構造体62は、発光セル57を形成した後に形成されるものと説明しているが、これに限定されるものではなく、発光セル57を分離する前に形成されてもよい。特に、電子ビーム蒸着法を用いて透明電極層を蒸着する場合、第2の導電型半導体層60を成長させた後、前記発光セル57を分離する前に、透明電極層を形成することが好ましい。以降、配線68を形成する前に、所定の段階で透明電極層がパターニングされ、透明電極構造体62が形成される。
前記透明電極構造体62の一部領域上に、p型電極パッド66が形成されてもよい。p型電極パッド66は、リフトオフ技術を用いて形成されてもよい。一方、前記p型電極パッド66を形成する前に、前記透明電極構造体62をパターニングし、前記第2の導電型半導体層60を露出させる開口部(図示せず)を形成してもよい。その後、前記開口部およびその周辺にp型電極パッド62を形成する。その結果、前記開口部を通じて、p型電極パッド66が第2の導電型半導体層60に接触され得る。
一方、第1の導電型半導体層54の他の領域上にn型電極64が形成されてもよい。前記n型電極64もまた、リフトオフ技術を用いて形成されてもよく、前記p型電極パッド66と同時に形成されてもよい。前記p型電極パッド66および/またはn型電極64は、Ti/Auで形成されてもよい。
次いで、隣接した発光セル57を電気的に連結する配線68を形成する。前記配線は、前記n型電極64とp型電極パッド66を連結することができ、これにより、図3および図4を参照して説明した発光ダイオードが形成される。
配線68は、エアブリッジ工程を用いて形成されてもよく、図4は、エアブリッジ工程を用いて形成された配線を示している。前記配線68はまた、ステップカバー工程を用いて形成されてもよい。
先ず、前記エアブリッジ工程の一例について簡単に説明する。図7に示すように、n型電極64およびp型電極パッド66が形成された基板50上に感光膜を形成した後、露光技術を用いて、n型電極64およびp型電極パッド66を露出させる開口部を有する第1の感光膜パターンを形成する。その後、電子ビーム蒸着法等を用いて、金属物質層を薄く形成する。前記金属物質層は、開口部および感光膜パターンの上部の全面に形成される。次いで、前記感光膜パターン上に、連結しようとする隣接した発光セル間の領域および前記開口部内の前記金属物質層を露出させる第2の感光膜パターンを形成する。その後、金等をメッキ技術を用いて形成した後、前記第1および第2の感光膜パターンを全て除去する。その結果、隣接した発光セルのn型電極64とp型電極パッド66をそれぞれ連結する配線68は残り、他の金属物質層および感光膜パターンは全て除去され、前記配線68が、図示のように、ブリッジの形態で、前記発光セル57を電気的に連結する。
一方、ステップカバー工程は、図7に示すように、n型電極64およびp型電極パッド66を有する基板上に絶縁層を形成することを含む。その後、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いて、前記絶縁層をパターニングし、n型電極64およびp型電極パッド66を露出させる開口部を形成する。次いで、電子ビーム蒸着法を用いて、前記開口部を満たし、前記絶縁層の上部を覆う金属層を形成する。その後、前記金属層を、フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を用いてパターニングし、互いに隣接した発光セル57を連結する配線58を形成する。このような、ステップカバー工程は、様々な変形例が可能である。ステップカバー工程を用いると、配線68が絶縁層により支持されるので、信頼性を増加させることができる。
前記配線68は、図3に示すように、n型電極64上において互いに分離されるように形成されてもよいが、n型電極64上において互いに連結されてもよい。
図8は、本発明の他の実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図である。
本実施例による交流駆動型発光ダイオードは、図3を参照して説明した交流駆動型発光ダイオードと略同一の構成要素を有する。但し、本実施例による交流駆動型発光ダイオードは、透明電極構造体72が三つの部分に分離されていることを示しており、n型電極64上において、配線78が互いに連結されていることを示している。
前記透明電極構造体72は、x方向に沿って長い形状を有する部分に分離されてもよく、前記部分は、局部的な電流の集中を防止するために、多様な数に分離され得る。
一方、配線78が、n型電極64上において互いに連結される場合、配線68の接着力が改善され得るが、互いに分離されてもよい。
図9は、本発明の他の実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図である。
図9を参照すると、本実施例による交流駆動型発光ダイオードは、図3を参照して説明した交流駆動型発光ダイオードと略同一の構成要素を有する。但し、透明電極構造体82が、図3の透明電極構造体62と異なり、これにより、配線88が図3の配線68と異なる。以下、前記差異点について説明する。
前記透明電極構造体82は、中心部分82aと、前記中心部分82aから両側に延長された分岐82bとを含む。中心部分82aは、発光セル57間において、電流の流れ方向、すなわち、x方向に長い形状を有してもよい。また、分岐82bは、電流の流れ方向に垂直な方向、すなわち、y方向に延長される。
一方、配線88が、隣接した発光セル57を電気的に連結する。前記配線88は、n型電極64と透明電極構造体82を電気的に連結し、特に、前記透明電極構造体82の中心部分82aとn型電極64を連結することができる。
これにより、前記中心部分82a内において電流が一部領域に集中することを防ぐことができ、分岐82bを通じて発光セル領域に電流を分散させることができる。
従来の交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図。 図1のIV−IV線による断面図である。 本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図。 本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための、図3のI−I’線による断面図である。 本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図。 本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図。 本発明の一実施例による交流駆動型発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図。 本発明の他の実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図。 本発明の他の実施例による交流駆動型発光ダイオードを説明するための平面図。

Claims (6)

  1. 単一基板上に形成され、それぞれ、第1の導電型半導体層、前記第1の導電型半導体層の一領域上に位置する第2の導電型半導体層、および前記第1の導電型半導体層と前記第2の導電型半導体層との間に介在された活性層を含む複数個の発光セルと、
    前記各発光セル上に位置し、互いに分離された少なくとも二つの部分を含む透明電極構造体と、
    前記発光セルの隣接した二つの発光セルをそれぞれ電気的に連結するが、前記隣接した発光セルの一方の発光セル上に位置する前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分を、それぞれ他方の発光セルの第1の導電型半導体層に電気的に連結する配線と、
    を備えることを特徴とする交流駆動型発光ダイオード。
  2. 前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分のそれぞれは、前記発光セル間において、電流の流れ方向に長い形状を有することを特徴とする請求項1に記載の交流駆動型発光ダイオード。
  3. 前記各発光セルの第1の導電型半導体層の他の領域上に形成されたn型電極と、
    前記各発光セル上の前記透明電極構造体の少なくとも二つの部分のそれぞれに形成されたp型電極パッドとをさらに備え、
    前記配線は、前記n型電極と前記p型電極パッドを電気的に連結することを特徴とする請求項1に記載の交流駆動型発光ダイオード。
  4. 単一基板上に形成され、それぞれ、第1の導電型半導体層、前記第1の導電型半導体層の一領域上に位置する第2の導電型半導体層、および前記第1の導電型半導体層と前記第2の導電型半導体層との間に介在された活性層を含む複数個の発光セルと、
    前記各発光セル上に位置し、中心部分と、前記中心部分から両側に延長された分岐とを含む透明電極構造体と、
    前記発光セルの隣接した二つの発光セルをそれぞれ電気的に連結するが、前記隣接した発光セルの一方の発光セル上に位置する前記透明電極構造体を、他方の発光セルの第1の導電型半導体層にそれぞれ電気的に連結する配線と、
    を備えることを特徴とする交流駆動型発光ダイオード。
  5. 前記中心部分は、前記発光セル間において、電流の流れ方向に長い形状を有し、前記分岐は、前記電流の流れ方向に垂直に延長されたことを特徴とする請求項4に記載の交流駆動型発光ダイオード。
  6. 前記各発光セルの第1の導電型半導体層の他の領域上に形成されたn型電極と、
    前記各発光セル上の前記透明電極構造体の中心部分に形成されたp型電極パッドとをさらに備え、
    前記配線のそれぞれは、前記n型電極と前記p型電極パッドを電気的に連結することを特徴とする請求項4に記載の交流駆動型発光ダイオード。
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