JP2016046511A - 発光ダイオード装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外縁に沿った電流阻止層を備え、光子の内部吸収を減少させて、光出力および発光効率を高めた発光ダイオード（ＬＥＤ）装置を提供する。【解決手段】ＬＥＤ装置２００は、第１半導体層２０３と、第２半導体層２０１と、第１半導体層と第２半導体層との間の活性領域２０５と、を備えるＬＥＤ２０２を含む。ＬＥＤ装置は、さらに、第１半導体層と電気的に接続された第１コンタクト２０６と、第１コンタクトとの界面においてＬＥＤの外縁に沿って第１コンタクトの外周部を覆う電流阻止層２０７と、を含む。電流阻止層は、第１コンタクトに非オーミック接続し、第１コンタクトと、ＬＥＤの第１半導体層と、の間の電流注入を制限する。電流阻止層は、第１半導体層の一部分を囲み、活性領域の光子を放出する部分を画する。【選択図】図２
Description
実施形態は、発光ダイオード装置に関する。
一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）は、半導体成長用基板上に設けられる。半導体成長用基板は、一般的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）、 ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、 リン化ガリウム （ＧａＰ）、 インジウムリン（ＩｎＰ）および ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）などのIII−Ｖ族化合物である。また、ＧａＮなどのIII族窒化物系ＬＥＤ用の半導体成長用基板は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン （Ｓｉ）および炭化ケイ素 （ＳｉＣ）であっても良い。ＬＥＤのＮ形およびＰ形の半導体層を形成するために、エピタキシャル半導体層を半導体成長用基板上に成長させる。エピタキシャル半導体層は、いくつかの成熟したプロセス、例えば、ＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）およびＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて形成される。エピタキシャル半導体層を形成した後、既知のフォトリソグラフィ、エッチング、蒸着および研磨の各工程を用いて、Ｐ形およびＮ形半導体層に電気的なコンタクトが形成される。個々のＬＥＤチップは、個片化され、パッケージにマウントされ、ワイヤーボンディングされる。封止材がＬＥＤチップ上に堆積される。そして、ＬＥＤチップは、光取り出しにも寄与する保護レンズにより封止される。
ＬＥＤ装置には、横型ＬＥＤ、縦型ＬＥＤ、フリップチップ型ＬＥＤおよびハイブリッド型ＬＥＤ（縦型およびフリップチップ型の組み合わせ）を含むいくつかの種類がある。通常、縦型ＬＥＤ装置、フリップチップ型ＬＥＤ装置およびハイブリッド型ＬＥＤ装置は、ＬＥＤと、下地の基板と、の間、または、ＬＥＤと、下地のサブマウントの間の反射性コンタクトを利用する。反射性コンタクトは、下方の基板またはサブマウントに向かう光子を反射する。反射性コンタクトを利用することにより、基板もしくはサブマウントに吸収される光子よりも多くの光子がＬＥＤの外に放出され、ＬＥＤ装置の光出力および発光効率を全体として改善することができる。
ＬＥＤ装置の光出力効率を改善する他の例を図１（ａ）および図１（ｂ）に示す。この例は、参考文献としてここに示す米国特許広報第２００９／０２４２９２９号（Ｌｉｎ）に記載されたものである。図１（ａ）は、Ｌｉｎによる縦型ＬＥＤ装置１００の平面図である。図１（ａ）では、縦型ＬＥＤ装置１００は、ＬＥＤ１０２と、第２コンタクト１０８と、を有する。第２コンタクト１０８は、ＬＥＤ１０２の第２半導体層１０１に電気的に接続されている。ＬＥＤ１０２の下部には、反射性の第１コンタクト１０６が設けられている。第１コンタクト１０６は、バリアメタル１０４に囲まれている。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡＡ線に沿った断面図である。図１（ｂ）において、ＬＥＤ１０２は、基板１１２に接合されている。ボンディングメタル層１１０およびバリアメタル層１０４は、第１コンタクト１０６を囲んでいる。電流阻止領域１０９は、ＬＥＤ１０２の第２半導体層１０１と、第１コンタクト１０６と、の間に設けられ、第２コンタクト１０８に位置合わせされた部分を有する。
デバイスが動作している間、電流阻止領域１０９は、第１コンタクト１０６と、第２コンタクト１０８と、の間の電流注入を制限する。これにより、第２コンタクト１０８の直下における光子の発生を減少させる。第２コンタクト１０８の下部における光子の発生が減少することにより、第２コンタクト１０８に吸収される光子は少なくなる。この結果、縦型ＬＥＤ装置１００の光出力効率が全体として改善される。
図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示した領域ＢＢに対応する縦型ＬＥＤ装置１００の拡大断面図である。図１（ｃ）において、第１コンタクト１０６は、バリアメタル層１０４に囲まれている。先に説明したように、ＬＥＤと、下地の基板と、の間に設けられたコンタクト、または、ＬＥＤと、サブマウントパッケージと、の間のコンタクトには、通常、高反射材が用いられる。先進のＬＥＤの製造業者の間では、コンタクト１０６の材料として銀（Ａｇ）が広く用いられている。銀（Ａｇ）は、可視光の波長範囲において９０％以上の反射率を有し、他の利用可能な金属に比べて高い光反射率を有するためである。しかしながら、銀（Ａｇ）は、よく知られたエレクトロマイグレーション特性を有し、大気に晒されると、導電性の短絡経路を形成しデバイス不良を生じさせる。銀（Ａｇ）のコンタクト１０６におけるエレクトロマイグレーションを防ぐために、コンタクト１０６は、バリアメタル層１０４と、第１半導体層１０３と、に完全に囲まれ、または、封止され、大気から隔離されている。
バリアメタル層１０４には、通常、銀（Ａｇ）の第１コンタクト１０６よりも、反射率の低い材料が用いられる。一般的に、バリアメタル層１０４の材料の光反射率は、可視光の波長範囲において８０％未満である。一般的に用いられるバリアメタル層１０４の材料は、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン−タングステン合金（ＴｉＷ）およびモリブデン（Ｍｏ）のいずれかを含む。バリアメタル層１０４は、Ｐ形半導体層１０３にオーミック接続を形成しない。デバイスが動作している間、電流は、主に、第１コンタクト１０６の上方の領域に注入される。ＬＥＤ１０２の内部反射に起因して、活性領域１０５で生成された光子１１１は、第１コンタクト１０６の端付近において、ＬＥＤ１０２の内部で反射され、反射率の低いバリアメタル層１０４に吸収される。つまり、Ｌｉｎにより開示された縦型ＬＥＤ装置１００の光出力および発光効率は、全体として低くなる。
従って、光子の内部吸収を減少させ、光出力および発光効率を高めたＬＥＤ装置に対する対処されていない要求が存在する。
一実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）装置は、第１導電形の第１層と、第２導電形の第２層と、の間に配置された発光層を備えるＬＥＤを含む。一実施形態において、第１層は、当初、Ｐ形にドーピングされ、第２層は、当初、Ｎ形にドーピングされる。別の実施形態では、第１層は、当初、Ｎ形にドーピングされ、第２層は、当初、Ｐ形にドーピングされる。ＬＥＤ装置は、さらに、第１層に電気的に接続された第１コンタクトと、第１コンタクトとの界面において、ＬＥＤの外縁に沿った第１電流阻止層と、を含む。第１電流阻止層は、第１コンタクトの外周部を覆う。第１電流阻止層は、第１コンタクトに非オーミック接続する。これにより、第１コンタクトと、ＬＥＤの第１層と、の間の電流注入を制限する。
一実施形態において、第１コンタクトは、銀（Ａｇ）を含む。一実施形態において、第１電流阻止層は、第１コンタクトの側面の上端から内側に５０μｍ伸びる。別の実施形態では、第１電流阻止層は、第１コンタクトの側面の各上端から内側に５０μｍ伸びる。別の実施形態では、第１電流阻止層は、第１層の一部分を囲み、発光層における光子を放出する部分を画する。
一実施形態において、第１電流阻止層は、ＬＥＤと、第１コンタクトと、の間に位置する。一実施形態において、第１電流阻止層は、第１コンタクトと、ＬＥＤの第１層と、の間に配置された透明絶縁層を備える。一実施形態では、透明絶縁層は、ＳｉＯ２を含む。他の実施形態では、透明絶縁層は、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、または、その他の好適な誘電体材料であってもよい。
別の実施形態では、第１電流阻止層は、ＬＥＤの第１層の中に形成されている。一実施形態において、第１電流阻止層は、第１層のプラズマ処理された領域である。一実施形態において、プラズマ処理は、ＬＥＤの第１層の処理された領域のドーピング濃度を補償し、ＬＥＤの第１層の処理された領域と、第１コンタクトと、の間に非オーミック接続を形成する。別の実施形態では、プラズマ処理は、第１層の処理された領域の導電形を、反対の導電形に変え、ＬＥＤの第１層の処理された領域と、第１コンタクトと、の間に非オーミック接続を形成する。一実施形態において、プラズマ処理には、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、または、これらを任意に混合させたものを含むガスを使用する。
一実施形態において、ＬＥＤ装置は、さらに、ＬＥＤの第２層に電気的に接続された第２コンタクトを含み、ＬＥＤと、第１コンタクトとの界面において、第２コンタクトに実質的に位置合わせされた部分を有する第２電流阻止層を含む。第２電流阻止層は、第１コンタクトに非オーミック接続する。これにより、第１コンタクトと、ＬＥＤの第１層と、の間の電流注入を制限する。
一実施形態において、ＬＥＤ装置は、ＬＥＤに接合された基板を備える縦型ＬＥＤ装置であり、第１コンタクトは、ＬＥＤと、基板と、の間に配置される。別の実施形態では、ＬＥＤ装置は、ＬＥＤに接合されたサブマウントを備えるフリップチップ型ＬＥＤ装置であり、第１コンタクトは、ＬＥＤと、サブマウントと、の間に配置される。一実施形態において、フリップチップ型ＬＥＤ装置は、さらに、第１コンタクトおよびＬＥＤの第２層に、それぞれ電気的に接続された第１および第２配線を含む。第３および第４配線は、サブマウントに取り付けられ、第１配線と第３配線は電気的に接続され、第２配線と第４配線は、電気的に接続されている。
図２（ａ）は、一実施形態に係る縦型ＬＥＤ装置２００であって、その外縁に沿った電流阻止領域２０７を備える縦型ＬＥＤ装置２００の平面図を示す。図２（ａ）では、電流阻止層２０７は、第１コンタクト２０６と、ＬＥＤ２０２と、の界面に形成され、ＬＥＤ２０２の外縁に沿って延在し、第１コンタクト２０６の側面の上端２１７、２１９、２２１および２２３から内側へ伸びる。電流阻止層２０７は、第１コンタクト２０６の外周の一部を覆う。図２（ａ）に示すように、電流阻止層２０７は、ＬＥＤ２０２の外縁を囲み、第１コンタクト２０６の外周の一部を覆うが、他の実施形態では、電流阻止領域２０７は、連続している必要は無く、第１コンタクト２０６の側面の上端２１７、２１９、２２１および２２３の少なくともいずれか１つの一部分を覆うだけでも良い。
バリアメタル層２０４は、第１コンタクト２０６を囲み、ＬＥＤ２０２と共に、大気から第１コンタクト２０６を隔離し、または、封止している。一実施形態において、第１コンタクト２０６は、銀（Ａｇ）を含む。一実施形態において、電流阻止層２０７は、第１コンタクト２０６の側面の端２１７から、内側に５０μｍ伸びる。別の実施形態では、電流阻止層２０７は、第１コンタクト２０６の各側面の端２１７、２１９、２２１および２２３から、内側に５０μｍ伸びる。
図２（ｂ）は、図２（ａ）の縦型ＬＥＤ装置２００の断面図を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されたＣＣ線に沿った断面図である。図２（ｂ）に示されたように、ＬＥＤ２０２は、基板２１２に接合されている。一実施形態において、第１半導体層２０３はＰ形であり、第２半導体層２０１はＮ形である。別の実施形態では、第１半導体層２０３はＮ形であり、第２半導体層２０１はＰ形である。ボンディングメタル層２１０およびバリアメタル層２０４は、第１コンタクト２０６を囲む。電流阻止層２０７は、ＬＥＤ２０２の外縁に沿って、ＬＥＤ２０２の第１半導体層２０３と、第１コンタクト２０６と、の界面に形成される。電流阻止層２０７は、第１半導体層２０３と、第１コンタクト２０６と、の間に非オーミック接続を形成する。この非オーミック接続は、第１半導体層２０３と、第１コンタクト２０６と、の間に線形のＩ−Ｖ特性を示さない電気的な接合を形成する。電流阻止層２０７は、第１コンタクト２０６の側面の上端２１７および２１９から内側に伸び、第１コンタクト２０６の外周の一部を覆う。
デバイスが動作している間、第１コンタクト２０６と、第１半導体層２０３と、の間の電流注入は、電流阻止層２０７により形成される非オーミック接続のために制限される。これにより、第１半導体層２０３の端近傍における光子の発生が制限される。
一実施形態において、電流阻止層２０７は、ＳｉＯ２のような、透明な（光学的に無損失な）絶縁層を含む。他の実施形態では、電流阻止層２０７は、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、または、その他の好適な誘電体材料であってもよい。この実施形態において、電流阻止層２０７は、第１半導体層２０３の表面と、第１コンタクト２０６の表面と、の間にＳｉＯ２の層を形成する既知のフォトリソグラフィおよびエッチングプロセスを用いて形成される。
別の実施形態では、電流阻止層２０７は、第１半導体層２０３のプラズマ処理された領域を含む。プラズマ処理におけるイオン照射は、第１半導体層２０３のドーピング濃度を補償するか、もしくは、第１半導体層２０３の処理された電流阻止層２０７を、反対の導電形に変える。一実施形態において、プラズマ処理には、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、または、これらを任意に混合させたものを含むガスを使用する。
例えば、第１半導体層２０３は、当初、Ｐ形である。プラズマ処理の後、第１半導体層２０３の電流阻止層２０７は、Ｎ形にドーピングされる。第１半導体層２０３の電流阻止層２０７をＮ形に変えること、もしくは、第１半導体層２０３のドーピング濃度を補償することにより、電流阻止層２０７は、非オーミック接続を形成し、第１コンタクト２０６と、第１半導体層２０３と、の間の電流注入を制限する。
反射率の低いバリアメタル層２０４の端近傍での光子の発生を制限することにより、第１コンタクト２０６と、電流阻止層２０７と、の境界で生成された光子は、当初は内部に反射されるとしても、バリアメタル層２０４において損失されることなく、ＬＥＤ２０２から放出される機会が増える。その結果、縦型ＬＥＤ装置２００の光出力および発光効率を全体として改善する。
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の縦型ＬＥＤ装置２００の拡大断面図を示す。図２（ｃ）では、デバイスが動作している間、第１コンタクト２０６と、電流阻止層２０７と、の境界近傍の活性領域２０５において生成された光子２１１は、ＬＥＤ２０２の内部において反射される。一実施形態によれば、電流阻止層２０７は光学的に無損失であるので、光子２１１は、第１コンタクト２０６により反射され、戻され、放射光としてＬＥＤ２０２から放出される別の機会を与えられる。図２（ａ）〜（ｃ）に示されたように、電流阻止領域２０７が、ＬＥＤ２０２の外縁を囲み、第１コンタクト２０６の端から内側に伸びることに起因して、ＬＥＤ２０２の有効な発光面積は、第１コンタクト２０６の面積よりも狭い。ＬＥＤ２０２の発光面積が減少したにもかかわらず、縦型ＬＥＤ装置２００の光出力および発光効率が全体として、さらに改善されている。これらの予期せぬ改善は、電流阻止領域２０７の効果として、生成された光子２１１の光学損失が減少することによるものである。実際、この結果は、ＬＥＤ２０２の発光面積を減少させることに経験的に反するものである。
縦型ＬＥＤ装置２００は、第１コンタクト２０６と、ＬＥＤ２０２との界面に、第２電流阻止層２０９を形成ことにより、選択的に、さらに改良することができる。一実施形態では、第２コンタクト２０８の下に第２電流阻止層２０９を有し、第２電流阻止層２０９は、第２コンタクト２０８と位置合わせされる。別の実施形態では、第２コンタクト２０８の下に第２電流阻止層２０９の一部分を有し、第２電流阻止層２０９は、実質的に、第２コンタクト２０８と位置合わせされる。電流阻止層２０７および第２電流阻止層２０９の両方を組み込むことにより、縦型ＬＥＤ装置２００は、バリアメタル層２０４および第２コンタクト２０８の両方による光子吸収の可能性を最小限にする。結果として、縦型ＬＥＤ装置２００の光出力および発光効率を全体として改善する。
図３（ａ）は、一実施形態に係るフリップチップ型ＬＥＤ装置３００であって、その外縁に沿った電流阻止層３０７を備えるフリップチップ型ＬＥＤ装置３００の平面図を示す。図３（ａ）に示されたフリップチップ型ＬＥＤの平面図は、サブマウントなしで示されている。図３（ａ）では、電流阻止層３０７は、第１コンタクト３０６と、ＬＥＤ３０２と、の間に形成され、ＬＥＤ３０２の外縁に沿って延在し、第１コンタクト３０６の側面の上端３１７、３１９、３２１、および３２３から内側に伸びる。電流阻止層３０７は、第１コンタクト３０６の外周の一部を覆う。図３（ａ）に示しめされたように、電流阻止層３０７は、ＬＥＤ３０２の外縁を囲み、第１コンタクト３０６の外周の一部を覆うが、他の実施形態では、電流阻止領域３０７は連続的でなく、第１コンタクト３０６の側面の上端３１７、３１９、３２１、および３２３の少なくともいずれか１つの一部分を覆うだけでも良い。
バリアメタル層３０４は、第１コンタクト３０６を囲み、ＬＥＤ３０２と共に、大気から第１コンタクト３０６を隔離し、または、封止している。一実施形態において、第１コンタクト３０６は、銀（Ａｇ）を含む。一実施形態において、電流阻止層３０７は、第１コンタクト３０６の側面の上端３１７から内側に５０μｍ伸びる。別の実施形態では、電流阻止層３０７は、第１コンタクト３０６の各側面の端３１７、３１９、３２１および３２３から内側に５０μｍ伸びる。
図３（ｂ）は、図３（ａ）のフリップチップＬＥＤ装置３００の断面図を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示されたＥＥ線に沿った断面図である。図３（ｂ）に示されたように、ＬＥＤ３０２は、サブマウント３２０の第３配線３２２および第４配線３２４を、それぞれ第１配線３１２および第２配線３０８に接続することにより、サブマウント３２０に接続されている。第１配線３１２は、第１コンタクト３０６、バリアメタル層３０４、およびボンディングメタル層３１０に電気的に接続されている。第２配線３０８は、第２半導体層３０１に電気的に接続されている（図示されていない）。第２配線３０８は、パッシべーション層３０９により、第１配線３１２から電気的に絶縁されている。
別の実施形態において、サブマウント３２０は、第１半導体層３０３に電気的に接続された第３配線３２２と、第２半導体層３０１に電気的に接続された第４配線３２４（図示されていない）により、直接、ＬＥＤ３０２に接続されている。一実施形態において、第１半導体層３０３はＰ形であり、第２半導体層３０１はＮ形である。別の実施形態では、第１半導体層３０３はＮ形であり、第２半導体層３０１はＰ形である。
電流阻止層３０７は、ＬＥＤ３０２の外縁に沿って、ＬＥＤ３０２の第１半導体層３０３と、第１コンタクト３０６と、の界面に形成されている。電流阻止層３０７は、第１半導体層３０３と、第１コンタクト３０６と、の間に非オーミック接続を形成する。この非オーミック接続は、第１半導体層３０３と、第１コンタクト３０６と、の間に、電流−電圧特性が線型性を示さない電気的な接合を形成する。電流阻止層３０７は、第１コンタクト３０６の側面の上端３１７および３１９から内側に伸び、第１コンタクト３０６の外周の一部を覆う。
先に説明したように、デバイスが動作している間、第１コンタクト３０６と、第１半導体層３０３と、の間の電流注入は、電流阻止層３０７によって形成された非オーミック接続のために制限される。これにより、第１半導体層３０３の端近傍での光子の発生を制限している。
図２（ａ）〜図２（ｃ）に対応する実施形態に関する先の説明と同様に、電流阻止層３０７は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、または、その他の好適な誘電体材料のような透明な（光学的に無損失な）絶縁層を含む。別の実施形態では、電流阻止層３０７は、第１半導体層３０３のプラズマ処理された領域を含む。反射率の低いバリアメタル層３０４の端近傍での光子の発生を制限することにより、バリアメタル層３０４による光損失を受けることなく、第１コンタクト３０６と、電流阻止層３０７と、の境界で生成された光子をＬＥＤ３０２から放出する機会が増える。その結果、フリップチップＬＥＤ装置３００の光出力および発光効率は、全体として予想外に改善される。
図４は、一実施形態に係るＬＥＤ装置であって、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を備えるＬＥＤ装置の光強度と、そのような電流阻止層の無いＬＥＤ装置の光強度の比較を示す。図４において、光強度プロット４０１は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を備えるＬＥＤ装置の光強度であり、光強度プロット４００は、そのような電流阻止層が無いＬＥＤ装置の光強度である。電流阻止層４０７は、ＬＥＤ４０２の端（ｘ軸に沿った基準点０μｍとして表されている）から内側に約３８μｍ離れた所から始まり、第１コンタクト４０６は、ＬＥＤ４０２の端から内側に約１２μｍ離れた位置まで伸び、第１コンタクトの側面の上端４０６から内側に約２６μｍ伸びる電流阻止層を効果的に形成する。
電流阻止層４０７は、バリアメタル層４０４からいくらか離れたところまで光子の発生を制限するので、電流阻止層４０７の端近傍で生成された光子は、バリアメタル層４０４の吸収を受けること無く、ＬＥＤ４０２から放出される可能性が高くなる。図４に示されたように、光強度プロット４０１は、バリアメタル層４０４において、ほとんど、わずかな量にまで落ち込んでいる。これは、光子がバリアメタル層４０４から離れた場所で生成され、バリアメタル層４０４に到達する前にＬＥＤ４０２から放出されるためである。これに対し、光強度プロット４００では、第１コンタクト４０６の端と、ＬＥＤ４０２の端と、の間に位置するバリアメタル層４０４において、光強度が急峻に落ち込んでおり、バリアメタル層４０４において、第１コンタクト４０６の端で生成された光子の強い吸収があることを示している。光強度プロット４０１および４００の両方は、ＬＥＤの端４０２に近づくにつれて０に落ち込んでいく。これは、第１コンタクトの端４０６と、ＬＥＤの端４０２と、の間の層が、ＬＥＤと非オーミック接続を形成するバリアメタル層を含み、この層における電流注入と、その結果として生じる光子の発生と、を制限することによるものである。
図５（ａ）は、一実施形態に係るいくつかのＬＥＤ装置であって、電流１００ｍＡで動作しているいくつかのＬＥＤ装置の光出力（Light Output Power：ＬＯＰ）を、その外縁に沿った電流阻止層の幅の関数としてプロットしている。データポイント５００は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の無いＬＥＤ装置の光出力を表している。データポイント５０２は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層であって、第１コンタクトの側面の上端から内側に２６μｍ伸びる電流阻止層を備えたＬＥＤ装置の光出力を表している。データポイント５０４および５０６は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層であって、第１コンタクトの側面の上端から内側に、それぞれ１９μｍおよび１２μｍ伸びる電流阻止層を有するＬＥＤ装置の光出力を表している。
図５（ａ）に示されたように、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を有する全てのＬＥＤ装置５０２、５０４、および５０６は、電流阻止層の無いＬＥＤ装置５００に比べて改善された光出力を有するが、あるＬＥＤ装置の光出力は、第１コンタクトの端から内側にさらに伸びた、より広い電流阻止層の恩恵をうけるであろう。一般に、第１コンタクトと、ＬＥＤと、の界面において、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を用いることにより、全てのＬＥＤ装置の光出力は、１００ｍＡの電力において６〜９％程度まで改善される。
図５（ｂ）は、一実施形態に係るいくつかのＬＥＤ装置であって、電流１００ｍＡで動作しているいくつかのＬＥＤ装置のＷＰＥ（Wall−Plug Efficiency）を、その外縁に沿った電流阻止層の幅の関数としてプロットしている。ＬＥＤ装置のＷＰＥは、ＬＥＤ装置が電力を光力に変換するエネルギー変換効率を表している。先と同様に、データポイント５００は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の無いＬＥＤ装置のＷＰＥを表し、データポイント５０２、５０４、および５０６は、第１コンタクトの側面の上端から内側に、それぞれ２６μｍ、１９μｍ、および１２μｍ伸びる電流阻止層を有するＬＥＤ装置のＷＰＥを表している。図５（ｂ）に示されたように、ＷＰＥの増加は、図５（ａ）の光出力の増加を追従し、第１コンタクトの側面の上端から内側に２６μｍ伸びる電流阻止層を有するＬＥＤ装置５０２において最も大きな改善が見られ、第１コンタクトと、ＬＥＤと、の界面において、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を用いることにより、全てのＬＥＤ装置において１００ｍＡの電力におけるＷＰＥの５〜７％の改善を実現している。
図６（ａ）は、一実施形態に係るいくつかのＬＥＤ装置であって、３５０ｍＡの電流で動作しているいくつかのＬＥＤ装置の光出力（ＬＯＰ）を、その外縁に沿った電流阻止層の幅の関数としてプロットしている。図５（ａ）のように、データポイント６００は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層が無いＬＥＤ装置の光出力を表し、データポイント６０２、６０４、および６０６は、第１コンタクトの側面の上端から内側に、それぞれ２６μｍ、１９μｍ、および１２μｍ伸びる電流阻止層を有するＬＥＤ装置の光出力を表している。一般に、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を有する全てのＬＥＤ装置６０２、６０４，および６０６の光出力は、３５０ｍＡにおいて５−７％程度まで改善されるが、図５（ａ）に比べ改善幅がわずかに減少している。
全体の光出力におけるこの減少は、電流集中の結果によるものである。低電力では、ＬＥＤの内部における電流分布は均一であり、これにより、ＬＥＤの全体において、一般的に均一な態様で光子を生成している。高電力では、ＬＥＤの内部の電流密度は、電気的なコンタクトの周りに集中した電流密度の増加を伴って密集し始める。結果として、ＬＥＤの端で生成される光子は少なくなり、第１コンタクトを囲む反射率の低いバリアメタル層によって吸収される光子は少なくなる。従って、電流の密集する度合いが大きいほど、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層により得られる改善は小さくなる。
図６（ｂ）は、一実施形態に係るいくつかのＬＥＤ装置であって、電流３５０ｍＡで動作しているＬＥＤ装置のＷＰＥを、その外縁に沿った電流阻止層の幅の関数としてプロットしている。先と同様に、データポイント６００は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の無いＬＥＤ装置のＷＰＥを表し、データポイント６０２、６０４、および６０６は、第１コンタクトの側面の上端から内側に、それぞれ２６μｍ、１９μｍ、および１２μｍ伸びる電流阻止層を有するＬＥＤ装置のＷＰＥを表している。図６（ｂ）に示されたように、ＷＰＥの増加は、より広い電流阻止領域を有するＬＥＤ装置６０２より、より狭い電流阻止領域を有するＬＥＤ装置６０６によって実現されている。しかしながら、先に説明したように、電流集中効果と、３５０ｍＡの電流でＬＥＤ装置を動作させるために必要な電圧の上昇と、により、高い動作電流における電流阻止層の利益が相殺され、通常、全てのＬＥＤ装置６０２、６０４、および６０６のＷＰＥは、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を用いるとしても、３５０ｍＡの電流において、２〜３％の改善を実現するだけである。一般に、高い電流で動作するＬＥＤ装置では、第１コンタクトと、ＬＥＤとの界面に、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を形成することによる改善は、ほとんど見られないであろう。
図７は、一実施形態に係るＬＥＤ装置であって、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を有するＬＥＤ装置のＷＰＥを動作電流の関数としてプロットしている。図７では、ＬＥＤ装置７０２は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層であって、第１コンタクトの側面の上端から内側に２６μｍ伸びる電流阻止層を有する。ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の無いＬＥＤ装置７００も比較例として示されている。
図７に示されるように、ＷＰＥの最も大きな改善は、低動作電流、特に２５ｍＡ〜１７５ｍＡにおいて実現されている。５００ｍＡよりも高い動作電流において、電流阻止層を備えたＬＥＤ装置７０２のＷＰＥは、電流集中の効果、および、高い動作電流を発生させるために必要な電圧の上昇のために、電流阻止層の無い比較例に係るＬＥＤ装置７００のＷＰＥよりも低い。高い電流では、ＷＰＥは、電流注入を増加させるための広い第１コンタクトの面積の恩恵を受け、ＬＥＤ装置を大きな電流で動作させる間、結果として、電流阻止層は悪影響をもたらす。
図８は、一実施形態に係るＬＥＤ装置であって、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を有するＬＥＤ装置の外部量子効率（ＥＱＥ）を動作電流の関数としてプロットしている。ＬＥＤ装置の外部量子効率は、ＬＥＤ装置が注入されたキャリアをＬＥＤから光として放出される光子にどのぐらい効率良く変換するかを表す。それは、例えば、次の比率で表される。
図８において、ＬＥＤ装置８０２は、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層であって、第１コンタクトの側面の上端から内側に２６μｍ伸びる電流阻止層を備える。ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の無いＬＥＤ装置８００も、比較例として示されている。図８に示されたように、ＬＥＤ装置８０２の外部量子効率の最も大きな改善は、低動作電流、特に２５ｍＡ〜２００ｍＡ、において実現される。より高い電流では、ＬＥＤの外縁から離れた電気的なコンタクトの周りに注入されたキャリアが集中するために、電流集中の効果および内部量子効率が、ＬＥＤ装置８０２の全体としての外部量子効率を電流の増加に対して連続的に減少させる。１Ａの動作電流において、ＬＥＤ装置８０２は、事実上、比較例に係るＬＥＤ装置８００と同じ外部量子効率を有する。
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７、および図８に示されたように、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層を備えたいずれのＬＥＤ装置においてもＷＰＥおよび外部量子効率の最適化は、動作条件に依存する。より小さい動作電流では、第１コンタクトの端から内側に伸びるより広い電流阻止層を有するＬＥＤ装置は、狭い電流阻止層を有するＬＥＤ装置、もしくは電流阻止層が全く無いＬＥＤ装置を上回る優れた効率を示す。反対に、高い動作電流では、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層が無いＬＥＤ装置の効率が最も良い。結果として、ＬＥＤの外縁に沿った電流阻止層の幅は、ＬＥＤ装置の具体的なデザインおよび予測される動作条件に合わせて最適化されるべきである。
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、図６（ｂ）、図７および図８は、第１コンタクトの側面の上端から内側に、１２μｍ、１９μｍおよび２６μｍ伸びる幅を有する電流阻止層を備えたＬＥＤ装置の改善を表しているが、本発明は、これらの幅を有する電流阻止層だけに限定される訳ではない。発明が属する技術分野の通常の知識を有する者は、この開示によって、他の電流阻止層の幅（より広い、および、より狭い場合の両方）が、光出力、外部量子効率およびＷＰＥにおいて、同様の予期しない改善をもたらすことを認めるであろう。
本発明のいくつかの側面に係る他の目的、利点および実施形態は、発明の属する分野の知識を有する者に明らかであり、その記述および添付された図面の範囲に含まれる。例えば、制限無く、構造的もしくは機能的な要素を本発明と一致するように再配置することが可能であろう。同様に、本発明に従う原理は、他の例に適用することが可能で有り、ここに詳細を具体的に記載していなくても本発明の範囲に含まれる。
Claims (18)
- 第１導電形の第１層と、
第２導電形の第２層と、
前記第１層と、前記第２層と、の間の発光層と、
を含む発光ダイオードと、
前記第１層に電気的に接続された第１コンタクトと、
前記第１コンタクトとの界面において、前記発光ダイオードの外縁に沿って前記第１コンタクトの外周部を覆う第１電流阻止層と、
を備えた発光ダイオード装置。 - 前記第１電流阻止層は、前記発光ダイオードと、前記第１コンタクトと、の間に位置する請求項１記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１コンタクトと、前記第１層と、の間に設けられた絶縁層を含む請求項１または２に記載の発光ダイオード装置。
- 前記絶縁層は、透明である請求項３記載の発光ダイオード装置。
- 前記絶縁層は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３及びＴｉＯ２から選択された材料を含む請求項３または４に記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１層の中に設けられる請求項１記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１層のプラズマ処理された領域である請求項６記載の発光ダイオード装置。
- 前記プラズマ処理は、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ、もしくは、これらの任意の混合を含むガスを用いる請求項７記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１層のドーピング濃度を補償した領域である請求項６〜８のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１層の導電形を反転させた領域である請求項６〜９のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
- 第１導電形の第１層と、
第２導電形の第２層と、
前記第１層と、前記第２層と、の間の発光層と、
を含む発光ダイオードと、
前記発光ダイオードに接合された基板と、
前記発光ダイオードと、前記基板と、の間に配置され、前記第１層に電気的に接続された第１コンタクトと、
前記第１コンタクトの界面において、前記発光ダイオードの外縁に沿って前記第１コンタクトの外周部を覆う第１電流阻止層と、
を備えた発光ダイオード装置。 - 第１導電形の第１層と、
第２導電形の第２層と、
前記第１層と、前記第２層と、の間の発光層と、
を含む発光ダイオードと、
前記発光ダイオードに接合されたサブマウントと、
前記発光ダイオードと、前記サブマウントと、の間に配置され、前記第１層に電気的に接続された前記第１コンタクトと、
前記第１コンタクトとの界面において、前記発光ダイオードの外縁に沿って前記第１コンタクトの外周部を覆う第１電流阻止層と、
を備えた発光ダイオード装置。 - 前記第１コンタクトに電気的に接続された第１配線と、
前記第２層に電気的に接続された第２配線と、
前記サブマウントに設けられた第３配線及び第４配線と、
をさらに備え、
前記第１配線は、前記第３配線に電気的に接続され、前記第２配線は、前記第４配線に電気的に接続された請求項１２記載の発光ダイオード装置。 - 前記第１コンタクトは、光反射率が８０％よりも高い材料を含む請求項１〜１３のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１コンタクトは、Ａｇを含む請求項１〜１４のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
- 前記第２層に電気的に接続された第２コンタクトと、
前記発光ダイオードと、前記第１コンタクトと、の界面において、前記第２コンタクトに位置合わせされた部分を有し、前記第１コンタクトに非オーミック接続された第２電流阻止層と、
をさらに備える請求項１〜１５のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。 - 前記第１電流阻止層は、前記第１コンタクトに非オーミック接続され、前記第１コンタクトの少なくとも一部の端から内側に５０μｍ伸びる請求項１〜１６のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
- 前記第１電流阻止層は、前記第１層の一部を囲み、前記発光層の光子を放出する部分を画する請求項１〜１７のいずれか１つに記載の発光ダイオード装置。
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