JP5097315B2

JP5097315B2 - 発光デバイスのための電極構造

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Publication number: JP5097315B2
Application number: JP33142299A
Authority: JP
Inventors: ダニエル・エイ・ステイジャーワルド; サージ・エル・ラダス; スティーブン・ディー・レスター; ポール・エス・マーティン; ウィリアム・アール・イムラー; ロバート・エム・フレッチャー; フレッド・エイ・キッシュ，ジュニア; スティーブン・エイ・マラノウスキー
Original assignee: フィリップスルミレッズライティングカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2019-11-22
Also published as: US6307218B1; GB9927499D0; GB2343994A; JP2000164930A; DE19953160A1; DE19953160B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光デバイスの分野に関し、特に、これらデバイスの発光の均一性及び面積効率の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最も優れた性能を発揮する市販のAlInGaN発光デバイス(ＬＥＤ)は、例えば、サファイアのような絶縁基板上に成長させたものである。電極及びその接続パッドは、通常はデバイスのAlInGaN半導体層の上部に配置される。
【０００３】
動作中には、ワイヤボンディング（ボール又はウェッジ）、ハンダ付け、又は導電性接着剤による取り付けによって接続パッドに結合された外部端子を介してＬＥＤに電流が送り込まれる。ｐ電極及びｎ電極が、それぞれの半導体層に電流を注入し拡散させる。電流がｐ−ｎ接合部を横切って順方向に流れ、これにより該ｐ−ｎ接合部で少数キャリヤの再結合が生じた際に、光が発生する。典型的な動作条件下でデバイスから放出される光の強度Ｉは、電流密度Ｊ、即ち単位面積当たりの電流に比例する。所与の電流密度Ｊについて、ｐ−ｎ接合部の面積が大きいほど、ＬＥＤにより生成される光強度Ｉも増すことになる。
【０００４】
AlInGaN材料系のｐ形半導体層は、ｎ形半導体層よりもはるかに抵抗が大きいものである。その結果として、ｐ電極から注入される電流が、ｐ形半導体内で側方に拡散することはなく、またｐ電極から側方へ離れて拡散することはない。電流は、ｐ電極から、ｐ−ｎ接合を横切る最短経路（即ち通常は垂直方向）に沿って、ｎ形半導体層まで流れる。次いで、電流は、ｎ形半導体層内で側方に拡散してｎ電極に到達する。
【０００５】
発光領域を最大限にするには、電流がｐ−ｎ接続の可能な限り多くの部分を横切って流れなければならない。従って、電流は、ｐ形の表面の可能な限り大きな部分にわたって側方に広がらなければならない。側方への電流の広がりは、ｐ形表面の大部分をｐ電極で覆うことにより改善することが可能である。このため、ｐ電極は、接続パッドにより全体に又は部分的に覆われる。
【０００６】
接続パッドは、電気的な機能性を提供するように導電しており、また機械的な機能性を満たす厚さを有していなければならない。結果として、接続パッドは、通常は金属である。必要な厚さを有する金属接続パッドは不透明である。ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明な導電性酸化物からなるボンディングパッドもまた利用されたが、これは一般的なものではない。
【０００７】
市販のAlInGaN ＬＥＤの大部分は、デバイス内で生成された光をｐ層を介して抽出する。これらのデバイスは、複合ｐ電極（例えば、ｐ表面の大部分を覆う電流拡散のための薄い半透明材料等）と、この薄いｐ電極を可能な限り僅かな部分しか覆わないが市販製品としての信頼できる接続を可能にする厚い不透明な接続パッドとを備えている。ｐ形の表面積を最大限にするためにｎ電極もまた小さく作製される。ｐ−ｎ接合部で生成された放出光の大部分は、半透明ｐ電極のうち接続パッドにより遮蔽されていない部分を通ってデバイスから漏出する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ナカムラ等の米国特許第5,563,422号における教示によれば、ｎ接続パッド及びｐ接続パッドは、図１に示すようにデバイスの隅部に正反対の方向で対置させ又は配置すべきである。ｐ接続パッドに隣接したｐ電極の領域からｎ層まで垂直方向下方に流れる電流は、ｐ−ｎ接合を垂直方向に通過した後、ｎ形半導体層中をかなり長い水平距離にわたって横断してｎ電極に到達しなければならない。一方、ｎ接続パッドに隣接したｐ電極の領域からｎ層まで垂直方向下方に流れる電流は、ｎ形半導体層を僅かな水平距離にわたって横断してｎ電極に到達すればよい。該距離が長くなると、前者の電流経路に対してｎ形層中でかなりの量の直列抵抗が追加され、その結果として、ｎ接触部のまわりで薄いｐ電極の縁部に電流が押し寄せることになる。２つの接続パッド間の最も直接的な電流経路は、他の如何なる経路（デバイスの縁部に続く経路等）よりも強く偏重されるので、電流が該接続パッド間に押し寄せることになる。電流密度の不均一性は、平均電流密度が高くなるにつれて大きくなる。これは、ｎ形半導体層における抵抗性電圧降下が増大するからである。この電流密度の不均一性は、図２に示すように、それに対応する光強度の不均一性を生じさせるものとなる。電流密度の不均一性の度合いは、最大局所電流密度Ｊ_maxと平均電流密度Ｊ_aveとの比ｒによって示される。この比は、最大局所光強度Ｉ_maxと平均光強度Ｉ_aveとの比Ｒを測定することにより概算することが可能である。これは、第１近似に関して光強度が電流密度に比例するからである。かかる測定は、光学装置を利用して、バイアスされたＬＥＤのイメージングを近視野条件(near field condition)で行うことにより、一般に行われる。図２から分かるように比Ｒは極めて高いものとなる。
【０００９】
特に、平均電流密度が高い場合、及びＬＥＤの寸法が大きい場合には、電流密度の不均一性は、ＬＥＤの光学的及び電気的性能の劣化に通じるものとなる。AlInGaN ＬＥＤは、その発光のメカニズムに起因して、平均電流密度が高くなるにつれて発光効率が低下するという特性を示す。このため、電流密度が不均一である場合には、総合的な光学的効率の低い動作領域が生じることになる。更に、発光効率の不可逆的な劣化は、電流密度が高くなるにつれて増大するので、電流密度が不均一であれば、全体的な劣化速度が速まることになる（これは商業的な重要性を低劣化速度に依存する市販のＬＥＤにとって重大な関心事である）。
【００１０】
先行技術のもう１つの欠点は、電極構成に起因して、発光材料としての基板領域の利用効率が悪化するという点である。所与の平均電流密度Ｊについて、ｐ−ｎ接合領域が大きいほど、ＬＥＤにより生成される平均光強度Ｉも高くなる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
改善された電極構造を有する発光デバイスは活性領域を備えている。該活性領域、例えばヘテロ接合は、ｐ形層及びｎ形層を備えている。ｎ電極は、ｎ形層に電気的に接続されており、一方、ｐ電極は、ｐ形層に電気的に接続されている。ｐ電極及びｎ電極は、動作中に均一な電流密度を提供し及びデバイス領域のうち発光に利用される部分を最適化するように、成形され配置される。最大局所電流密度Ｊ_maxと平均電流密度Ｊ_aveとの比が、３未満、好適には1.5〜２未満になると、均一な電流密度に達する。均一な電流密度は、発光領域における最大局所光強度Ｉ_maxと平均光強度Ｉ_aveとの比によって測定される。
【００１２】
改善された電極構造は、３つのパラメータを別々に又は組み合わせて変更することにより実現される。その要素は、デバイスの形状、電極の形状、及び電極の位置である。デバイスは、球形若しくは半球形とすることが可能であり、又は、多角形、円形、楕円形、若しくは長円形の断面積を有するむくの柱状体とすることが可能である。各電極は、多角形又は円形等の丸い形状に形成することが可能である。代替的に、２つの電極のうちの少なくとも一方を区分化して均一な電流密度を有する領域を複数形成することも可能である。電極間の平均距離は、ｎ電極及びｐ電極の長さ未満であることが好ましい。
【００１３】
改善された電極構造は、「面積利用率」Ａを改善するものとなる。該面積利用率Ａは、発光ｐ−ｎ接合部の面積とデバイスの総面積Ａ_totとの比として定義される。従って、該改善された電極構造により、所与の平均電流密度Ｊ_ave及び所与のデバイス断面積について、発光領域における平均光強度Ｉ_aveを増大させることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、発光素子（ＬＥＤ）の表面（上部又は背面）の「面積利用率」は、ｐ−ｎ接合部（即ち発光領域）（の面積？）と基板の総面積との比Ａであると定義する。所与の平均電流密度について及び所与の基板面積の値について、発光強度は、前記比Ａに比例して増大する。製造コストが主としてＬＥＤの基板面積に比例するため、面積利用率Ａを最大限にするのが有利である。
【００１５】
非AlInGaN材料系の市販のＬＥＤ（通常は１つの表面につき１つの接続パッドしか有していない）は、面積利用率の典型的な値Ａ＝〜1.0を備えている。従来のAlInGaN ＬＥＤ、例えば、同一表面上に両方の接続パッドが存在するAlInGaN ＬＥＤは、Ａ＝0.25〜0.50という範囲の面積利用率値を有している。製造上の制約により、接続パッドのサイズは、例えば、0.075×10^-3〜0.2×10^-3cm²に限定されてしまう。一表面上に所与の複数の接続パッドが設けられている場合には、Ａ_totが大きいほど、それに対応するＡも大きくなる。同一範囲のＡ_totについて（即ち、Ａ_totの拡大に伴う製造コストの増大を被ることなく）、AlInGaNデバイスに関する面積利用率Ａが、先行技術により得られるよりも高くなるようにすることが望ましい。
【００１６】
改善された電極構造は、３つのパラメータを個々に又は組み合わせて変更することにより実現される。その要素は、基板の形状、電極の形状、及び電極の位置である。基板は、球形、半球形、又は（例えば、矩形、平方四辺形、六角形、若しくは三角形といった多角形又は円形及び楕円形を含むグループから選択された断面積を有する）むくの柱状体とすることが可能である。各電極は、（例えば、矩形、平行四辺形、三角形等の）多角形、互いに組み合わせた指状体、又は（例えば、円形、長円形、角が丸められた正方形等の）丸みのある形状のものとして形成することが可能である。代替的に、２つの電極の少なくとも一方を区分化して、電流密度の均一な複数の領域を形成することも可能である。電極間の平均距離は、ｎ電極とｐ電極の長さより短いことが好ましい。
【００１７】
作動時の原理を例証するために、ｐ形半導体材料は、均一な抵抗率ｐ、幅Ｗ、及び厚さｔを有しているものとする。シート抵抗Ｒ□は、ｐ／ｔと定義される。電流は、２つの矩形電極から材料中へと注入される。電極は、幅ｗ及び長さｌを有している。電極は幅ｓ（ｓ≦（Ｌ−２ｌ））だけ隔てられている。電流の流れは均一である。何れかの電極の内側輪郭に沿った任意のポイントに関して、最短距離ｓが一定に保たれる場合には、一層複雑な形状で上記と同様の流れの均一性を達成することが可能である。２つの電極間における電流の流れに対する抵抗Ｒは、次のように表すことができる：
Ｒ＝Ｒ□ｓ／ｗ ……（１）
該式１において、全抵抗Ｒは、シート抵抗Ｒ□と電極の形状寸法（ｓ,ｗ）とによって決まる。全抵抗Ｒは、距離ｓを最短化し、幅ｗを最長化すると、最小限になる。ｐ接触から注入される正孔と再結合する前に電子がｎ形半導体中を水平方向に横断する距離が一層短くなる。本発明によれば、キャリヤが横断する距離が短縮され、該距離が電極全体にわたり同一になる。この距離の短縮により、デバイスの直列抵抗が低減され、総合的な電気特性が改善される一方、該距離をほぼ一定に保つことにより、局所電流密度が均一になる。電極は、互いに可能な限り接近して配置すべきである。これらの電極は、デバイスの縁部の大部分を覆うことが好ましく、また該電極間の距離は、電流を均一に広げるために可能な限り均一にすべきであり、これにより、後述するように、電気的な挙動、発光上の挙動、及び信頼性のある挙動に関して利点が得られることになる。
【００１８】
電極は、半導体材料に電気的に接続された導電層である。単純電極(simple electrode)は、動作時の等電位表面であり、例えば、その電圧は、その表面のどのポイントにおいても同じになる。デバイスによっては複合電極を必要とするものがある。複合電極(compound electrode)は、電流を拡散させて光を抽出するために極めて薄い（例えば0.2μm以下の）半透明の更なる導電層（典型的には、高抵抗率のｐドープ層及び一層厚い電極又はｐ接続パッドに電気的に接続される）を含むことが可能なものである。該薄い導電層も電極であるが、等電位表面でない場合が多く、例えば、高い抵抗率を有し、その表面上の幾つかのポイント間でかなりの電圧の差が生じるものとなる。
【００１９】
図３には、本発明のＬＥＤが例示されている。ＬＥＤ10は、随意選択の基板（図示せず）上に活性領域12を備えている。活性領域12、例えばヘテロ接合部は、ｐ形半導体層12a及びｎ形半導体層12bを有している。ｐ電極14a及びｎ電極14bは、それぞれ対応する半導体層に電気的に接続されている。ｐ電極14a及びｎ電極14bは、動作時に均一な電流密度を提供するように成形及び配置されている。太線は、それら２つの電極の内側輪郭を強調したものである。該デバイス構造は、随意選択の基板、活性領域、及び電極を備えている。最大局所光強度Ｉ_maxと平均光強度Ｉ_aveとの比が３未満（好適には1.5〜２未満）である場合に、均一な電流密度が得られる。
【００２０】
単純電極の場合には、任意のポイントにおける電極の内側輪郭間の最短距離が、該電極の内側輪郭間の平均距離の＋35％〜150％以内であることが望ましい。また、複合電極の場合には、任意のポイントにおける接続パッドの内側輪郭間の最短距離が、該接続パッドの内側輪郭間の平均距離の±35％以内であり、及び任意のポイントにおける電極間の最短距離が、該電極間の平均距離の＋35％〜150％以内であることが望ましい。
【００２１】
これらの性能指数は、次のように導き出された。平均的な人間の目は、その光受容体が光強度によって飽和しないものと仮定した場合、光強度の変動が３倍にわたると、可視光の強度差を容易に識別する。識別力のある目であれば、２倍の光強度の変動でも可視光の強度差を識別することができる。該変動が1.5未満になると、人間の目は光強度の差を識別することができない。図２（先行技術）には、光の均一性に関する強度比(light uniformity intensity ratio)（以下、光強度比と称す）が３を超える場合が示されているが、後続の図には、光強度比が３未満の場合が例示されており、そのほとんどの場合が1.5未満である。
【００２２】
図３〜図８Ｅに示す本発明の実施態様では、電極の最短長は、該電極が配置されているデバイス側部の長さの75％である。接続パッドの内側輪郭間の距離の最大偏差は±35％である。ｐ電極及びｎ電極の内側輪郭間の平均距離ｓからの最大偏差は±20％である。その結果として、図３〜図８Ｈに示す実施態様のサブセットに従って作製されたデバイスには、平均電流密度が50Ａ／cm²である場合に、２を超える光強度比を示すものはなかった。
【００２３】
図４Ａ,４Ｂは本発明の実施態様を示している。デバイスは、多角形の断面積を有するむくの柱状体である。ｐ電極及びｎ電極は、該多角形の少なくとも２辺の長さの少なくとも65％の長さを有している。長円形デバイスの場合には、２つの電極の少なくとも一方は、該デバイスの周辺長の25％以上の長さを有する。電極は、単純電極及び複合電極の何れにすることも可能である。電極の内周辺は、互いに平行であることが好ましい。前記多角形は、正方形、六角形、八角形、矩形、又は、平行四辺形であることが好ましい。
【００２４】
デバイスの総断面積の少なくとも１／３に均一な電流が流れ、これにより最悪の場合でも光強度比が３未満になることを確実にするために、65％の性能指数が選択された。これと同様の理由で、複合電極の接続パッド間の平均距離からの偏差に関して±35％の性能指数が選択された。
【００２５】
図５Ａ〜Ｂには、複合電極を有する代替実施態様が示されている。該複合電極の接続パッドは、例えばボールボンディング又はウェッジボンディング等のワイヤボンディング、ハンダ付け、又は導電媒体による取り付けに適している。電極は、接続パッド間の発光領域のサイズを増大させるために、接続パッド領域から離れるにつれてテーパーがつけられている。図５Ｂに示す実施態様の場合、電極の内周の長さは、電極間の平均距離よりも長い。この構造によって、デバイスの電気抵抗が小さくなる。
【００２６】
図６Ａ及び図６Ｂは、50ｍＡの電流で順バイアスされた場合における図５Ａ及び図５Ｂに示すＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を例示したものである。デバイスの発光領域にわたって均一な強度が存在する。図２とは異なり、２つの電極間のギャップ近くに押し寄せる電流は認められず、薄い電極で覆われた領域における光強度の差も認められない。
【００２７】
図７では、図１、図５Ａ、及び図５Ｂに示すＬＥＤに関するＩ−Ｖ曲線を比較したものである。図１は、「従来のＬＥＤ」に対応している。図５Ａは、「実施態様１」に対応し、図５Ｂは、「実施態様２」に対応している。２つのAlInGaNウェハが半分に分割されている。一方の組をなす半ウェハは、図１によるデバイスに従って製作され、もう一方の組をなす半ウェハは、図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスに従って製作された。それらの各デバイスは、例えば、約1.2×10^-3といった同じ総断面積を有している。ウェハ分割の両側において、互いに可能な限り近接するように選択されたデバイスに関して典型的なＩ−Ｖ曲線が示されている。ｙ軸には、駆動電流Ｉ_fを示し、ｘ軸は、駆動電圧Ｖ_fを示している。大電流時における曲線の勾配は、デバイスの直列抵抗にほぼ反比例する。図７には、図５Ａ及び図５ＢによるAlInGaN ＬＥＤの直列抵抗の低減が示されている。これらのデバイスは、従来のチップ（Ｒ_S＝21.3Ω）よりもおよそ10％（「実施態様１」の場合、Ｒ_S＝19.9Ω）〜20％（「実施態様２」の場合、Ｒ_S＝17.3Ω）低い直列抵抗を有しており、他の全ての成長及び製作パラメータは等しいものである。この直列抵抗の改善により、駆動電流が50mＡの場合に動作電圧に0.2〜0.3Ｖの利得が得られ、図５Ａ及び図５Ｂによるデバイスの場合、その電流で、20ｍＡで駆動される図１の先行技術によるデバイスの平均電圧に匹敵する平均電圧が生じる。電極の離隔距離が該電極の長さよりも遙かに短いため、「実施態様２」の一層良好な電気性能が期待される。駆動電流が増大すると、Ｒ_Sの低減による駆動電圧の改善は更に劇的なものとなる。また、駆動電流が減少すると、Ｒ_Sによる影響は小さくなるが、局所電流密度の均一性によって、Ｖ_fの改善が依然として認められる。図５Ａ及び図５Ｂのデバイスの場合には20mＡの駆動電流で3.25Ｖの順方向電圧が測定されたが、図１のデバイスの場合には3.4Ｖが測定された。
【００２８】
後日に成長させたAlInGaN材料で実施された同様のもう１組の実験では、同様の１組のデータ及び結論が得られた。図５Ａ、図５Ｂ、及び図１に示すデバイスについては、それぞれ、20mＡの順方向駆動電流で、3.05Ｖ、2.85Ｖ、及び3.35Ｖの平均値が得られた。また、図５Ａ、図５Ｂ、及び図１に示すデバイスについて、それぞれ、50mＡの順方向駆動電流で、3.65Ｖ、3.35Ｖ、及び4.15Ｖの平均値が得られた。
【００２９】
「面積利用率」は、図５Ａのデバイス（Ａ_tot＝１．２×10^-3ｃｍ²）の場合には60％であると算出される。これは、同様のＡ_tot値に関して25〜50％の面積利用率Ａを一般に呈する、図１に示す幾何学形状で製造されたデバイスに対する改善である。図５Ａ及び図５Ｂに示すデバイスは、大量生産に適した標準的な半導体作製技術で製造される。面積利用率Ａは、幅を狭くしたテーパ状のアームを形成し、接続パッドの領域を縮小し、及び一層厳しい公差を用いることにより、改善することが可能である。図５Ａ及び図５Ｂに示す実施態様は、ワイヤボンディングを施したデバイスとして示されているが、デバイスは、フリップチップ構成で製造することも可能である。
【００３０】
図８Ａ〜Ｈは、本発明の代替実施態様を示している。電極は、単純電極又は複合電極とすることが可能である。各実施態様とも、デバイスの断面積により電流密度が制御される。図８Ａの場合、断面は平行四辺形である。図８Ｂの場合には、断面は、例えば、楕円形、円形、又は球形といった丸い形状である。図８Ｃの場合には、断面は六角形である。図８Ｄの場合には、断面は不規則な多角形である。図８Ｅの場合には、断面はテーパがつけられた接続パッドを備えた平行四辺形である。これら図８Ａ〜８Ｅの場合、電極の内側輪郭は、互いに平行であるが、デバイスの断面積の側部に対して必ずしも平行であるとは限らない。
【００３１】
図８Ｆの場合、断面積は、六角形であり、少なくとも１つの複合電極を備えている。該複合電極の接続パッドは六角形の角の近くに配置される。図８Ｇは、図８Ｆに示すデバイスの代替実施態様を示している。その断面は、７つ又は８つ以上の辺を有する多角形、又は、随意選択的に楕円形又は円形とすることが可能である。図８Ｈは、図８Ｆに示すデバイスの代替実施態様を示している。その断面は、５つまたは４つ以下の辺を有する多角形である。図８Ｆ〜８Ｈの場合、内側電極は、互いにほぼ平行であるが、断面積の側部に対して平行ではない。
【００３２】
図３〜図８は、２以下の値を有する電流密度均一性比及びそれに伴う光強度均一性比並びに２×10^-3cm²未満の総断面積について50％以上の面積利用率を生じさせる実施態様を示している。断面積が１×10^-3cm²以上である場合、以下で提示する実施態様は、一層低い均一性比及び一層高い面積利用率を生じさせるものとなる。
【００３３】
図９には、接続パッドが取り付けられており、基板周囲の３つの辺を包囲し、及びｎ形半導体層に接続された、複合電極を有している、断面が矩形で寸法が0.3×0.4mm²である基板を備えた実施態様が示されている。このｎ電極は、２つの外側アーム、Ｎ個（Ｎ≧０）の内側アーム、及び前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとを接続するクロスビームとを備えた、外側又は包囲電極である。外側アームの突出部は、発光領域の少なくとも75％（好適には100％）を包囲する。ｐ形半導体層には第２の複合電極が接続されている。該複合電極は、発光領域の大部分にわたって電流を拡散させるための半透明金属層と接続パッドとから構成されている。この実施態様における接続パッドは、直径約0.1mmのワイヤボンディングを施すことが可能なものである。発光領域は、外側アームの突出部内に完全に包囲されている。
【００３４】
外側又は包囲電極によって、電流密度の均一性が向上し、デバイスの直列抵抗が小さくなる。図１０は、図９のＬＥＤの断面図を示している。外側電極のアームによって電流の流れる２つの独立した経路が提供されるため、平均電流密度が有効に低下することにより、電流の均一性が改善される。更に、電流がｎ形半導体層内を側方に移動しなければならない平均距離は、発光デバイスの直列抵抗の低減に通じるものとなる。図１１は、図９に示すデバイスと図１に示す先行技術によるデバイスとのＩ−Ｖ曲線を比較したものである。図９のデバイスは、デバイスに順方向に20mＡを注入するのに必要な電圧として定義される動作電圧の低下、及びＩ−Ｖ曲線の勾配関係により明示される直列抵抗の大幅な低減を呈するものとなる。順方向電圧及び直列抵抗の値は、図９のデバイスの場合には、2.86Ｖ及び9.6Ωであり、図１に従って作製されたデバイスの場合には、3.19Ｖ及び21.6Ωである。電流密度の均一性の改善は、図１２Ａ及び図１２Ｂで立証されている。同図は、50mＡ及び200mＡに順バイアスされた場合における図９のＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示すものである。これらの図には、図１のデバイスに関する図２に示された同様の顕微鏡写真とは対照的に、識別可能な発光強度の不均一性が示されていない。
【００３５】
面積利用率は、図９のデバイスの場合には55％であると算出され、図１のデバイスと比較してかなり改善されている。図９に示すデバイスは、大量生産に適した標準的な半導体作製技術により製造される。面積利用率は、より幅の狭いアームを形成し、及びより厳しい公差を用いることにより、大幅に改善することが可能である。図９の実施態様はワイヤボンディングを施したデバイスとして示されているが、ＬＥＤはフリップチップ構成で製造することが可能である。本発明の目的のため、アームは、任意の形状の単一電極又は複数の接続された電極であると考えることができる。
【００３６】
図１３は、断面が正方形で寸法が1.0×1.0mm²の基板を有する本発明の代替的な実施態様を示すものであり、該基板は、その周囲の三辺を包囲してｎ形半導体層に接続されると共に２つの接続パッドを有する第１の複合電極を備えている。第２の複合電極は、ｐ形半導体層に接続されている。該第２の複合電極は、発光領域の大部分にわたって電流を拡散させるための半透明な金属層と、２つの接続パッドとから構成される。該接続パッドは、ワイヤボンディングを意図したものであり、ほぼ0.1mmの直径を有している。複数の接続パッドが、冗長性のため及び大きな動作電流での動作のために両電極に接続される。発光領域は、外側電極のアームの突出部内に完全に包囲されている。この外側包囲電極は、電流密度の均一性を改善し、ＬＥＤの直列抵抗を低減させる働きをする。
【００３７】
図１４は、図１３のＬＥＤの部分断面図を示している。外側電極のアームによって、電流の流れる２つの独立した経路が得られるため、平均電流密度が有効に低下することにより電流の均一性が改善される。電流がｎ形半導体層内を側方に移動しなければならない平均距離の短縮によってＬＥＤの直列抵抗が低減する。また複数の平行アームによって追加の経路が形成され、これによりＬＥＤの直列抵抗が更に低減する。
【００３８】
図１５は、240mＡの順方向電流で2.92Ｖの動作電圧及び1.2Ωの直列抵抗を呈する、図１３に示すデバイスに関するＩ−Ｖ関係を示すグラフである。電流密度の均一性は、500mＡの順方向電流で動作する発光領域の一部に関する近視野光学顕微鏡写真である図１６において立証される。〜70Ａ／cm²の電流密度に対応するこの電流での発光において認識可能な強度の不均一性が存在しないことは明らかである。
【００３９】
図１３に示すこの１×１mm²のＬＥＤの面積利用率は、計算すると74％になる。該デバイスは、大量生産に適した標準的な半導体製造技術によって製造される。面積利用率は、一層幅の狭いアームを形成し、及び一層厳しい公差を用いることにより、大幅に改善することが可能である。図１３に示した実施態様は、ワイヤボンディングが施されたデバイスとして示されているが、ＬＥＤはフリップチップ構成で製造することが可能である。
【００４０】
図９及び図１３で詳細に示した実施態様は、特定の基板サイズ及び形状について示されたものであるが、容易なプロセス及び設計上の考慮事項を用いて、現在の製造能力に合わせて広範なＬＥＤを作製することも可能である。図１７Ａ及び図１７Ｂには本発明の代替的な実施態様が示されている。
【００４１】
図１８は、矩形基板の周囲の四辺全てを完全に包囲してｎ形半導体層に接続された第１の複合電極を有する本発明によるデバイスを示している。該ｎ電極は、外側電極又は完全包囲電極と呼ばれ、単一の接続パッドを含んでいる。また第２の複合電極はｐ形半導体層に接続されている。該ｐ電極は、発光領域の大部分にわたり電流を拡散させるための半透明の金属層と単一の接続パッドとから構成される。該実施態様における接続パッドは、ボンディングワイヤを意図したものであり、0.1mmの直径を有している。発光領域は、外側電極内に完全に包囲されている。他の実施態様では、複数の接続パッドを備えることも可能である。
【００４２】
該完全包囲外側電極により、電流密度の均一性が改善され、ＬＥＤの直列抵抗が低減する。図１９は、４つの異なる基板サイズについて図１及び図１８のデバイスのＩ−Ｖ関係を示すグラフである。基板サイズは、0.35×0.35mm²、0.50×0.50mm²、0.70×0.70mm²、及び0.85×0.85mm²である。図１８のデバイスは、全て、20mＡを超える全ての電流で動作電圧の低下を示し、図１に示す幾何学形状で製造された同じサイズのデバイスよりも大幅に小さい直列抵抗を示す。200mＡでの順方向電圧の値及び直列抵抗の値は、0.85×0.85mm²の基板による図１８のデバイスの場合には、4.0Ｖ及び3.6Ωとなり、それと同じ寸法を有する図１のデバイスの場合には、5.5Ｖ及び10Ωとなる。
【００４３】
図１８の完全包囲外側電極によって、最小限の基板サイズを有するデバイスの電流密度の均一性及び光出力が改善される。図２０は、４つの基板サイズについて図１及び図１８のデバイスに関する光出力−電流関係（Ｐ−Ｉ）を示したものである。全てのデバイスは、同じタイプのエポキシパッケージにカプセル化された。150mＡを超えたとき、図１８の最大大きさのデバイス及びその次に大きなサイズのデバイスは、それらと同じ大きさの図１の２つのデバイスを明らかに超える光出力を発する。この光出力の増大は、図１のデバイスと比較して改善された図１８に示すデバイスの電流密度の均一性によるものである。図２１Ａ〜２１Ｃは、本発明の代替的な実施態様を示している。本発明の目的のため、突出部は、任意の形状を有する単一の電極又は複数の接続された電極と考えることができる。
【００４４】
図２２Ａ,２２Ｂは、ｎ形半導体に接続された複数の複合電極を備えた本発明の代替実施態様を示している。各複合電極は、均一な電流拡散を改善するためのアームと、それに取り付けられた接続パッドとを備えている。この複数のｎ電極は、区分化された外側電極と呼ばれている。第２の複合電極はｐ形半導体層に接続されている。該第２の複合電極は、大部分の発光領域に電流を拡散させる半透明の金属層と、単一の接続パッドとから構成されている。該接続パッドは、ワイヤボンディングを施すことが可能なものであり、0.1mmの直径を有している。発光領域は、外側電極の突出部内に完全に包囲されている。区分化された外側電極によって、ＬＥＤの光学的な効率を低下させる不透明材料を最小限にすると共に、最適な電流拡散が得られる。
【００４５】
図２３Ａ〜２３Ｄは、同一基板上に複数の独立した発光領域を有する本発明の代替実施態様を示すものであり、該発光領域は、広範なＩ−Ｖ関係を提供するように様々な態様で電気的に接続される。接続用の金属被覆(connecting metalization)は、多段製造(multiple level fabrication)技術によって製造することが可能である。その幾何学形状により、同じウェハ製造プロセスを利用して、任意の増分単位面積(incremental unit area)でデバイスを実現することが可能になる。
【００４６】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．発光デバイスであって、
デバイス構造体と、
ｐ形半導体層及びｎ形半導体層を含む前記デバイス構造内のヘテロ接合(12)と、
一方が前記ｐ形半導体層に電気的に接続され、他方が前記ｎ形半導体層に電気的に接続された、２つの電極(14a、14b)とを備えており、
任意の点における前記電極の内側輪郭間の最短距離が、該電極間の距離の平均の＋35％〜＋150％内で変動し、
前記２つの電極のうちの少なくとも一方の長さが、該発光デバイスの１つの側部の長さの65％以上であり、少なくとも１つの領域の光の均一性に関する光強度比が、30A／cm²以上の平均電流密度において3.0未満であり、該光の均一性に関する光強度比が、最大局所光強度Ｉ_maxと平均光強度Ｉ_aveとの比として規定されるものである、
発光デバイス。
２．前記デバイス構造体が、断面を有するむくの柱状体であり、
前記２つの電極の長さが、前記断面の１つの側部の長さの65％以上である、前項１に記載の発光デバイス。
３．前記デバイスの断面が、多角形であり、
前記２つの電極の長さが前記多角形の少なくとも２つの辺の長さの65％以上である、前項１に記載の発光デバイス。
４．前記２つの電極の内側輪郭が前記多角形の辺と平行である、前項３に記載の発光デバイス。
５．前記２つの電極の内側輪郭が互いに平行である、前項３に記載の発光デバイス。
６．前記多角形が、正方形、六角形、八角形、矩形、台形、及び平行四辺形を含むグループから選択される、前項３に記載の発光デバイス。
７．前記２つの電極のそれぞれが、
ワイヤボンディング領域(14a、14b)を備えており、
該電極の形状が、前記ワイヤボンディング領域から離れるにつれてテーパーがつけられたものである、
前項３に記載の発光デバイス。
８．前記断面の形状が、円形、楕円形、及び長円形を含むグループから選択され、
前記２つの電極のうちの少なくとも一方が、該デバイスの周辺長の25％以上の長さを有している、前項１に記載の発光ダイオード。
９．前記デバイス構造体が、球形及び半球形を含むグループから選択される、前項１に記載の発光デバイス。
10．前記２つの電極(14a、14b)のうちの一方が、発光領域の100％を包囲する形状を有する包囲電極である、前項１に記載の発光デバイス。
11．前記包囲電極(14a、14b)の形状が、矩形、円形、正方形、平行四辺形、楕円形、及び長円形を含むグループから選択される、前項10に記載の発光デバイス。
12．前記包囲電極(14a、14b)の形状が、それらに対応する半導体層中に電流を拡散させるよう作用する突出部を含む、前項10に記載の発光デバイス。
13．Ｑ（Ｑ≧２）個の電気的に接続された領域を画定すると共に発光領域を包囲するように配置された複数のｎ電極及びｐ電極(14a、14b)を備えている、前項１に記載の発光デバイス。
14．前記Ｑ個の電気的に接続された領域が、多段メタライゼーション(multilevel metalization)を利用して接続される、前項13に記載の発光デバイス。
15．前記２つの電極(14a、14b)の一方が、２つの外側アーム及びＮ（Ｎ≧０）個の内側アームと、前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとを接続するクロスビームとを備えており、前記２つの外側アームの突出部が、発光領域の75％以上を包囲する、前項１に記載の発光デバイス。
16．前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとの間に配置された接続パッド(14a、14b)を備えている、前項15に記載の発光デバイス。
17．前記２つの電極(14a、14b)の他方が、Ｍ（Ｍ≧１）個の先端を有するフォーク状に形成されている、前項16に記載の発光デバイス。
18．前記Ｍ個の先端が、前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとの間に配置されている、前項17に記載の発光デバイス。
19．前記Ｎ個の内側アームと前記Ｍ個の先端との間の距離が一定である、前項18に記載の発光デバイス。
20．前記２つの外側アームの突出部が発光領域の100％を包囲する、前項17に記載の発光デバイス。
21．発光領域の面積と前記デバイス構造体の全面積との比として規定される面積利用率が少なくとも60％であり、
前記デバイス構造体の面積が0.2mm²以上である、
前項１に記載の発光デバイス。
22．発光領域の面積と前記デバイス構造体の全面積との比として規定される面積利用率が少なくとも60％であり、
前記デバイス構造体の面積が0.2mm²以上である、
前項10に記載の発光デバイス。
23．発光領域の面積と前記デバイス構造体の全面積との比として規定される面積利用率が少なくとも60％であり、
前記デバイス構造体の面積が0.2mm²以上である、
前項15に記載の発光デバイス。
24．前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとの間に接続パッドが配置されている、前項23に記載の発光デバイス。
25．前記２つの電極(14a、14b)の他方が、Ｍ（Ｍ＞１）個の先端を有するフォーク状に形成されている、前項23に記載の発光デバイス。
26．前記Ｍ個の先端が、前記２つの外側アームと前記Ｎ個の内側アームとの間に配置されている、前項25に記載の発光デバイス。
27．前記Ｎ個の内側アームと前記Ｍ個の先端との間の距離が一定である、前項26に記載の発光デバイス。
28．前記２つの外側アームの突出部が発光領域の100％を包囲する、前項25に記載の発光デバイス。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す説明図である。
【図２】 50mＡで順バイアスされた図１のＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図３】本発明のＬＥＤを示す斜視図である。
【図４Ａ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図４Ｂ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図５Ａ】ワイヤボンディングに関して最適化された接続パッド領域を備える本発明の実施例を示す図である。
【図５Ｂ】ボンディングワイヤに関して最適化された接続パッド領域を備える、本発明の実施例を示す図である。
【図６Ａ】 50mＡで順バイアスされた図５ＡのＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図６Ｂ】 50mＡで順バイアスされた図５ＢのＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図７】図１及び図５Ａ〜Ｂに示すＬＥＤのＩ−Ｖ曲線を比較したグラフである。
【図８Ａ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｂ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｃ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｄ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｅ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｆ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｇ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図８Ｈ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図９】外側電極を備えた本発明の実施例を示す説明図である。
【図１０】図９のＬＥＤにおける電流の流れを概略的に示す説明図である。
【図１１】図１及び９に示すＬＥＤに関するＩ−Ｖ曲線を比較したグラフである。
【図１２Ａ】 50mＡで順バイアスされた図９のＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図１２Ｂ】 200mＡで順バイアスされた図９のＬＥＤの近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図１３】互いに組み合わされた外側電極及び内側電極を備える代替実施例を示す説明図である。
【図１４】図１３の本発明における電流の流れを概略的に示す説明図である。
【図１５】図１３に示すＬＥＤに関するＩ−Ｖ曲線を示すグラフである。
【図１６】 500mＡで順バイアスされた図１３のＬＥＤの一部の近視野光学顕微鏡写真を示す図である。
【図１７Ａ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図１７Ｂ】本発明の代替実施例を示す斜視図である。
【図１８】発光領域を完全に包囲した外側電極を備える代替実施例を示す説明図である。
【図１９】図１及び図１８に示すＬＥＤに関するＩ−Ｖ曲線を比較したグラフである。
【図２０】図１及び図１８に示すＬＥＤに関する光学的なＰ−Ｉ曲線を比較したグラフである。
【図２１Ａ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図２１Ｂ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図２１Ｃ】本発明の代替実施例を示す説明図である。
【図２２Ａ】区分化された外側電極を備えた代替実施例を示す説明図である。
【図２２Ｂ】区分化された外側電極を備えた代替実施例を示す説明図である。
【図２３Ａ】複数の分離されたＬＥＤを備えており、該ＬＥＤが様々な直列及び並列方法で接続されている、本発明の実施例を示す説明図である。
【図２３Ｂ】複数の分離されたＬＥＤを備えており、該ＬＥＤが様々な直列及び並列方法で接続されている、本発明の実施例を示す説明図である。
【図２３Ｃ】複数の分離されたＬＥＤを備えており、該ＬＥＤが様々な直列及び並列方法で接続されている、本発明の実施例を示す説明図である。
【図２３Ｄ】複数の分離されたＬＥＤを備えており、該ＬＥＤが様々な直列及び並列方法で接続されている、本発明の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１２ヘテロ接合
１４ａ電極
１４ｂ電極

Claims

上部表面を有するデバイス構造体と、
ｐ形半導体層及びｎ形半導体層を含む、前記デバイス構造体内のヘテロ接合部であって、当該ｐ形半導体層が当該ｎ形半導体層の一部を覆うように形成される、ヘテロ接合部と、
前記ｐ形半導体層に電気的に接続されているｐ型電極と、
前記ｎ形半導体層に電気的に接続されているｎ型電極と、
を含む発光デバイスであって、
前記デバイス構造体の上部表面は、前記ｐ形半導体層の上部表面と、前記ｐ形半導体層で覆われていない前記ｎ形半導体層の上部表面と、から形成されており、
前記デバイス構造体の上部表面は、当該デバイス構造体の上部表面に垂直な方向から見た場合に、多角形であり、
前記ｐ型電極は、前記ｐ形半導体層の上部表面上に配置され、
前記ｎ型電極は、前記ｎ形半導体層の上部表面上に配置され、
前記ｎ型電極は、少なくとも２つの第１のアームと、該第１のアームへ接続されている導電部材と、からなり、
前記ｐ型電極は、少なくとも２つの第２のアームからなり、
前記少なくとも２つの第１のアームの１つは、前記２つの第２のアームの間に配置され、
前記導電部材は、前記デバイス構造体の上部表面の少なくとも３つの縁部に沿って形成され、且つ前記第２のアームを包囲し、
前記半導体層は、AlInGaN材料の層である、
発光デバイス。