JP5877868B2 - 個々のセグメントｌｅｄの光出力における製造工程でのばらつきを補償するセグメントｌｅｄを用いた光源 - Google Patents

個々のセグメントｌｅｄの光出力における製造工程でのばらつきを補償するセグメントｌｅｄを用いた光源 Download PDF

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Description

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する半導体装置の重要な分野である。このような半導体装置の進歩により、従来の白熱電灯光源及び蛍光灯光源を置き換えるよう設計された照明設備としてこの半導体装置が使われるようになってきた。ＬＥＤは極めて長い寿命を有し、場合によっては、非常に高い効率で電気エネルギーを光に変換することができる。
説明目的のため、ＬＥＤは、他の２つの層で挟まれた活性層により構成された３つの層を持つものとする。外側の層からホールと電子が活性層で結合するとき活性層は光を発する。ＬＥＤを電流が流れることによってホールと電子が生じる。ＬＥＤには、最上層にある電極と最下層に電気的に接続する接点とを通じて電源を供給する。
ＬＥＤのコストと電力変換効率とは、この新しい技術が通常の光源を置き換える度合いと高電力で用いる度合いを定める重要な要因となる。ＬＥＤの変換効率は、好ましい光学スペクトルの領域でＬＥＤから発する光出力の、光源が消費する電力に対する割合で定義する。消費する電力は、ＬＥＤの変換効率と、ＡＣ電力からＬＥＤダイに直接電源供給するために用いることのできるＤＣ電源に変換する回路で失われる電力により決まる。光に変換されないでＬＥＤから出てゆく電力は、ＬＥＤの温度を上昇させる熱に変わる。熱放散は、ＬＥＤを動作させる電力レベルに制限を与える。加えて、ＬＥＤの変換効率は電流が増えるにつれて下がってゆく。従って、電流を増やすことによりＬＥＤの光出力を増やし光出力全体を増大させるにつれて、電気変換効率は減少する。さらに、ＬＥＤの寿命も大電流で動作させることにより減少する。
単一ＬＥＤ光源では、多くの応用分野で従来の光源を置き換えるのに十分な光を生じさせることはできない。一般に、許容できる電力変換効率で実際に、ＬＥＤ単位面積当たりに生じる光には制限がある。この制限は、消費電力及びＬＥＤ材料組織の電気変換効率により強いられるものである。従って、高密度の単一ＬＥＤ光源を備えるためには、面積の広いチップを用いなければならない。しかし、ＬＥＤを製造するための製造工程により、単一ＬＥＤチップの大きさに制限が加えられる。チップの大きさが大きくなるにつれてチップの生産性が下がり、従って、チップの大きさが所定の大きさを越えると光出力の増大に比べてＬＥＤのコストの増大が大きくなる。
従って、多くの応用例では、ＬＥＤベースの光源は、必要な光出力を出すために複数のＬＥＤを用いなければならない。例えば、従来の照明設備で用いる１００ワットの白熱電灯を置き換えるためには、１ｍｍ２程度のチップを有する約２５個のＬＥＤが必要となる。この数は、要求される色温度及びチップの正確な大きさにより変化する。
さらに、一般にこの光源は１１５Ｖ又は２４０ＶのＡＣ電源を、ＬＥＤを駆動するのに適するＤＣの電圧レベルに変換する電源装置を含有する。この電源装置の変換効率は、コスト競争力のある製品の場合しばしば８０％以下であり、光源の電気から光への全体的な変換効率にも影響を与える。電源供給効率を最大にするために、電源装置の出力はＡＣ電源のピーク電圧に近づける必要があり、光源での種々の導体に流さなければならない電流は、この導体での抵抗損失を避けるために、最小限にする必要がある。一般的なＧａＮＬＥＤでは、約３．２〜３．６Ｖの駆動電圧を必要とする。従って、電力変換効率の観点から、上述の２５個のＬＥＤ光源は、約８０ボルトの電源装置からの出力電圧レベルで直列に接続した一連の２５個のＬＥＤとして組み立てられることとなる。
しかし、電気から光への変換効率に加えて考慮しなければならない、光源のコストと信頼性のような、他の検討事項がある。信頼性の観点から、一連の単一ＬＥＤの直列接続とすることは最も芳しくない選択である。一般に、ＬＥＤは閉回路を形成することにより破損するより開回路を形成することにより破損することが多い。例えば、ＬＥＤ中のパッドを外部回路に接続するワイヤボンドが破損することがある。従って、直列接続中の１つのＬＥＤの破損により、光源の壊滅的な破損につながる。
信頼性の観点から、開回路を形成することによるＬＥＤの破損がよく起こる破損であるとするならば、すべてのＬＥＤが並列接続されている光源が最も良いように思われる。１つのＬＥＤが破損した場合、定電流源が並列に接続したＬＥＤを駆動するために用いられているとすると、他のＬＥＤに流れる電流が少し増大し、他のＬＥＤは、ＬＥＤの破損による損失をある程度補償する。残念ながら、このような構成は、電源装置の効率の観点からは非効率であり、伝導性を大きく損なうことなく大きな電流を扱うことのできる導体を必要とする。
信頼性と電力変換効率に加えて、設計者は、個々の発光効率の変化に適応できる設計にしなければならない。ウエハー同士で違いがあるのみならず、１つのウエハーであっても多少一様性に欠けるウエハー上に、ＬＥＤは作られる。その結果、商業的に用いられるＬＥＤにより出力される光量はＬＥＤ同士で大きく異なる。最終的に光源からの光出力の許容変動は、すべて同じ光量を発生する光源であることの必要性及び同じ外観であることの必要性により定まる。一般にＬＥＤ同士の光出力の変動は大きいので、ばらつきの少ないＬＥＤを提供するために、ＬＥＤについて何らかの分別を行わずに、光源製造業者の要求を満足することはできない。この分別処理は光源のコストを押し上げる。加えて、多くの光源は、製造時のＬＥＤの光の強さの分布より少ない光の強さの範囲内にはないＬＥＤを用いることはできない。結局、関心のある範囲にないＬＥＤについての市場は少なく、要求の範囲にあるＬＥＤはコストが上がり、この範囲外のＬＥＤはコストが下がる。
電源装置の効率に対する本来的な信頼性の問題は、複数のコンポーネント光源を並列に接続するよう光源を組み立てることにより軽減される。各コンポーネント光源は、直列に接続した複数のＬＥＤからなり、従って、個々のＬＥＤよりはるかに大きな駆動電圧を用いることとなる。例えば、一般的なＧａＮＬＥＤは３．２ボルトの駆動電圧と０．３５アンペアの電流を必要とする。約２０００ルーメンの光源を用意するためには、２５個のこのようなＬＥＤを駆動しなければならない。この光源は、５個のコンポーネント光源を並列に接続することにより組み立てることができる。各コンポーネント光源は直列に接続した５個のＬＥＤからなる。従って、駆動電圧は５倍改善され１６Ｖとなる。開回路となることにより１つのＬＥＤ画破損した場合、残りの４個のコンポーネント光源は依然として機能しており、従って、光源は、明るさは減少するが、機能し続ける。しかし、開回路となったコンポーネント光源に流すことのできない電流を、残りのＬＥＤに流さなくてはならないので、残りのＬＥＤは、２０パーセント過負荷状態となる。その結果、残りのＬＥＤの寿命が著しく減少する。
残念ながら、この方法は、任意の光源に対するＬＥＤの製造工程の一部であっても不要にすることができない。
本発明は光源及び光源を作る方法を含む。光源は、電源母線に並列に接続した複数のセグメントＬＥＤとコントローラとを有する。電源母線は、接続するセグメントＬＥＤの数を変更することができ、この数は、光源が所定の光出力を出力するよう選定する。コントローラはＡＣ電源を受け取り、電源母線に電源信号を送る。本発明の特徴によれば、各セグメントＬＥＤは、セグメントＬＥＤとして同系統の材料で作られた従来のＬＥＤの駆動電圧より３倍大きい駆動電圧を持つことを特徴とする。光源中のセグメントＬＥＤの数は、製造工程で生じた個々のセグメントＬＥＤの光出力の変動を補償するように選定する。本発明の他の特徴によれば、電源母線に接続されたセグメントＬＥＤの数は、光源を組み立てた後でも変更することができる。
本発明による光源の１つの実施の形態を図解したものである。 セグメントＬＥＤ６０の平面図である。 図２に示したライン２−２で切断したセグメントＬＥＤ６０の横断面図である。 相互接続用電極により接続された隣り合うセグメントにおける狭いｐ電極とｎ電極を示すセグメントＬＥＤ７０の平面図である。 図４に示したライン５−５で切断したセグメントＬＥＤ７０の横断面図である。 ＩＴＯ層への電流拡散を強めたメタル電極を有するセグメントＬＥＤ７５の平面図である。 本発明の１つの実施の形態による光源における、本発明の特徴を図解したものである。 本発明の他の実施の形態による光源を図解したものである。 本発明の他の実施の形態によるＡＣ光源を図解したものである。
本発明がどのような利点を有するかは、本発明に係る光源の実施の形態を図解した図１を参照することで容易に理解することができよう。光源２０は、ＤＣ定電流源に並列に接続された複数のセグメントＬＥＤを有する。各セグメントＬＥＤを通過する平均電流は、ＡＣ・ＤＣ電力変換器を有するコントローラ２２により設定される。
セグメントＬＥＤは、２００８年９月１１日に出願した、米国特許出願１２／２０８，５０２に詳細が記載されており、米国特許出願１２／２０８，５０２は参照として本願に組み込まれるものとする。セグメントＬＥＤの詳細は、また、以下に説明する。この説明のためには、Ｎ＞１であり通常は２から１００の間となるようなＮ個のセグメントに分割し、お互いに直列接続した単一ＬＥＤダイであると、各セグメントＬＥＤが定義されることに注目すれば十分である。各セグメントは、実際には小さなＬＥＤである。各セグメントＬＥＤの面積は、従来のＬＥＤの面積のＮ分の１の大きさなので、各セグメントＬＥＤからは、実質的に従来のＬＥＤと同じ光の量が生じるが、電流は１／Ｎである。すなわち、同じ電流密度となる。しかし、セグメントＬＥＤを発光させるために必要な駆動電圧は、同系統の材料で作られた場合の従来のＬＥＤを発光させるために必要な電圧の、実質的にＮ倍となる。従って、必要な電流はＮ分の１となるがＮ倍の電圧を必要とすることを除いて、セグメントＬＥＤは、同じ大きさの従来のＬＥＤチップと実質的に同じ光の量を、同じ電力入力で生じさせることができることに留意すべきである。セグメントＬＥＤは、それぞれが実質的に従来のＬＥＤチップの大きさの１／Ｎ倍である、Ｎ個の小さなＬＥＤチップを直列に接続したものの代わりと考えることができる。セグメントＬＥＤからは、しかしながら、Ｎ個を直列接続した従来のＬＥＤで構成されたコンポーネント光源の１／Ｎ倍の光しか生じない。その結果、５個を直列接続した従来のＬＥＤを５つ並列にコンポーネント光源として接続した２５個の従来のＬＥＤが必要な光源に対して、並列に接続した２５個のセグメントＬＥＤが必要となることとなる。従って、各セグメントＬＥＤは、光出力のほんのｌ／２５を占めるだけとなる。その結果、光源２０の出力は、個々のセグメントＬＥＤを付加または削除することにより細かく調整することができる。
一方、従来のＬＥＤを直列接続したストリングを用いた等価な光源の光出力では単一ＬＥＤに付加したり削除したりすることにより簡単に調整することはできない。ＬＥＤを付加したり又は削除したりすることは、そのストリングを駆動する電圧が変化するので、直列接続したコンポーネントのストリングのうちの１つのＬＥＤの数を変えることは問題となる。従って、コンポーネントのストリング毎に別の電源が必要となり、これは光源のコストを増大させる。これを避けるために、コンポーネントのストリングすべてを変更する必要があり、従って５個のＬＥＤを付加したり削除したりする必要がある。同様に、母線から直列接続したストリングを１つ付加したり削除したりすることで５個のＬＥＤ分すなわち２０％の光出力が変化する。従って、従来のＬＥＤをＮ個直列に接続したストリングからなるコンポーネントのストリングを用いた設計では、一度にＮ個のＬＥＤを付加したり削除したりするようにしなければならない。これは、設計上、従来のＬＥＤの数を変更することにより調整できる程度に限定を加えることとなる。
一般に、通常の光源設計において、Ｎ個のＬＥＤの付加又は削除で本願発明と同じ調整度合いが得られるように、Ｎ分の１の大きさの従来のＬＥＤを用いることができる。しかしながら、そのような設計ではＮ倍のＬＥＤを使うことになり、製造コストを増大させることとなる。
上記の本願発明の実施形態は、セグメントＬＥＤ次第となる。本願発明に用いることのできるセグメントＬＥＤ光源を図示した、図２及び図３を参照する。図２はセグメントＬＥＤ６０の平面図であり、図３は、図２に示したライン２−２で切断したセグメントＬＥＤ６０の横断面図である。セグメントＬＥＤ６０は２つのセグメント６４及び６５を有する。しかし、本願発明の教示事項から多くのセグメントを有する光源を構成することができることは以下の説明から明白である。セグメントＬＥＤ６０は、サファイア基板５１の上に成長させた同じ３層のＬＥＤ構成となっている。ｎ層５２を、サファイア基板５１の上に成長させ、次いで、活性層５５とｐ層５３とをｎ層５２の上に成長させる。
セグメント６４及び６５は、電気的にセグメント６４及び６５を隔離する、層５２から基板５１に伸びる隔離トレンチ６６により分割されている。隔離トレンチ６６には、部分的に層５２に伸びているプラトー６７がある。隔離トレンチ６６の壁には、各セグメントに関連のある層５２の一部と電気的な接点を形成する解放領域５８を有する絶縁層５７で覆われている。絶縁層５７は、ピンホール欠陥のない絶縁層を作るどのような材料で作っても良い。例えば、ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，その他、半導体装置で一般的に用いられる絶縁フィルムを絶縁材料として用いることができる。他の材料には、ポリイミド、ＢＣＢ、スピンオン硝子、及び、装置の平坦化に半導体産業で通常用いられる材料が含まれる。
同様のトレンチが６８と６９で示したように、セグメントＬＥＤ６０の端部に設けられている。直列接続電極５９が、絶縁層５７中の解放部５８を通じて層５２と接触するように隔離トレンチ６６内に溶着されている。電極５９は、隣のセグメントにあるＩＴＯ層５６と電気的に接触している。従って、電極６１及び６２を介して電源が供給されると、セグメント６４と６５とが直列に接続される。その結果、セグメントＬＥＤ６０は、従来のＬＥＤの２倍の電圧、半分の電流で動作する。
本発明の１つの形態において、絶縁層５７は、図３の５７ａに示すように電極５９及び６１の下に伸びている。電極５９は不透明なので、電極５９は電極５９のすぐ下にある活性層５５の一部から発生する光を遮る。ここで、図に示した層の厚さは縮尺が合っていないことに留意すべきである。実際には、層５３の厚みは、層５２の厚みより遙かに小さく電極５９又は６１の一般的幅よりも遙かに小さいので、電極５９は、電極５９の下から生じる光のほとんどを遮る。従って、電極５９の下の層５５を流れる電流は、その電流により生じる光のほとんどが失われるので（乱反射により不透明金属に吸収される）実質的に無駄になる。絶縁層延長部は層５５の無駄な領域に電流が流れるのを阻止するので、光源の全体的効率を改善する。同様の議論が電極６１の下部にも当てはまるので、絶縁層は同様に電極の下に伸びている。
図２及び図３に示した実施の形態において、電極５９はセグメントＬＥＤの幅全体を覆う。上述のとおり、下に電極５９が横たわるセグメント６５の部分は、電極５９の下で発生する光は電極５９により遮られ吸収されるので、非生産的であり、光学的損失が大きい。このことは、光変換効率を減少させ、ダイ表面の使用効率を減少させることとなり、活性ダイ領域を追加することでこの損失領域を補償しなければならないので光源のコストを増大させるという結果となる。ここで、本願発明に用いることのできるセグメントＬＥＤを図示する図４及び図５を参照する。図４は、セグメントＬＥＤ７０の平面図であり、図５は、図４に示したライン５−５で切断したセグメントＬＥＤ７０の横断面図である。図４に示したライン２’−２’で切断したセグメントＬＥＤ７０の横断面図は、電極５９が電極７８で置き換えられている点及び図４に示した狭いｐ電極とｎ電極７１及び７２がある点をのぞいて実質的に図２と同様なので、この横断面図は添付図から除いた。
セグメントＬＥＤ７０は、広い連絡電極５９が電極７８及び７９のような複数の直列電極で置き換えられている点でセグメントＬＥＤ６０と異なる。これらの電極は、幅がほんの５−１０ミクロンであり約１５０ミクロンのスペースを隔てているだけなので、電極５９よりはるかに少ない領域を覆うだけである。従って、先に説明した効率の低下は実質的に減少する。加えてｎ電極７２及びｐ電極７１は、外部の回路にワイヤーボンディングするために広いパッド７１’及び７２’を含む狭い電極に置き換えられている。１つの好ましい実施の形態において、この直列電極は、この直列電極に覆われる領域がセグメントＬＥＤ内で接続されているセグメントの幅より著しく小さくなるように、この電極の幅の５倍以上の距離のスペースで隔てられている。
必要とされる直列接続電極の数はＩＴＯ層５６の導電率による。電流がＩＴＯ層５６に均一に広がるのに十分な数の直列接続電極でなければならない。直列接続電極の幅は、セグメント間を流れる電流の量で決められ、従って、用いる導体、導体の厚さ、及び直列接続電極の数による。直列接続層で覆われていないセグメント６５の領域において、隔離トレンチ７７は絶縁層を必要とせず、従って、ＬＥＤ基底構造は電力を受け取って有益な光を発する。
ＩＴＯ層５６の電流分布は、ＩＴＯ層５６の表面に複数の狭い金属電極を組み込むことにより改善する。ここで、ＩＴＯ層の電流の広がりを改善する金属電極を有するセグメントＬＥＤ７５の平面図である図６を参照する。電極７３は、ｐ電極７１と、セグメント間を接続する直列接続電極とに接続されている。金属電極の導電率はＩＴＯ層の導電率よりはるかに大きいので、非常に薄い電極で、基底構造に生じる光の散乱をそれほど妨げることなく電流の広がりを増大させることができる。本願発明の１つの形態において、電極により妨げられる領域は光放出領域の２０％以下であり、好ましくは１０％以下である。
代替的な薄いｎ電極７３’を、ｎ層の電流の広がりを改善するために、露出したｎ層の上に組み込むことができる。この電極は、光の発生を妨げることがないので電極７３’は電極７３より広い領域を覆うことができる。
直列接続電極は、セグメントを分離する隔離トレンチ中に蒸着した絶縁パッド上に適切な導体の層を蒸着することにより構築することができる。このような絶縁パッドを１７１に示す。直列接続電極は金属又はＩＴＯで構成することができることに留意すべきである。ＩＴＯは、透明度が高いという利点があるので、直列接続電極により光の通過が妨げられることが少ない。しかし、ＩＴＯは抵抗が大きいので、広い領域が必要となる。
セグメントＬＥＤは、従来のＬＥＤより高い電圧で動作するので、同じ光を発生させる場合従来のＬＥＤより駆動電流が少ない。その結果、スイッチでの電力損失によりセグメントＬＥＤの効率を実質的に変化させることなく、セグメントＬＥＤに直列にスイッチを接続することができる。本発明の他の実施の形態による光源における本発明の特徴を図解した図７を参照する。光源８０は、コントローラ８２から電源供給を受ける複数のセグメントＬＥＤ８１で構成されている。各セグメントＬＥＤは、コントローラ８２のコントロール下にあるスイッチ８４により母線の１つとつながっている。コントローラ８２は、短絡により故障したセグメントＬＥＤを除去するために用いられる。加えて、コントローラ８２は、１以上のスイッチを操作することにより光源８０の明るさを増大させたり減少させたりすることができる。スイッチはメカニカルスイッチとして示されているが、シングルドライバＩＣとしてコントローラに組み込むこともできるトランジスタ又は他の半導体装置を含む、通電状態で十分インピーダンスが低いあらゆるタイプのスイッチを用いることもできることは了解されよう。
上述のおとり、本発明においてセグメントＬＥＤを用いることの重要な利点は、変化に富んだコンポーネント光源同士で発生する光の量が異なることを補償することができるように、光源をコンポーネント光源に分割する一方で、従来のＬＥＤより十分高い電圧で動作する光源を提供することができることである。
製造によるばらつきをσで表すことのできるＬＥＤで組み立てられた光源を考える。これらのばらつきは、上述のように、ＬＥＤを組み付けた個々のウエハー間で生じ、所定の生産工程においてウエハーとウエハーとの間でもばらつきがある。例えば、ＬＥＤとＬＥＤとの間の光出力のばらつきが標準偏差σを持つガウス分布で近似することができるが、ＬＥＤ出力の正確な分布の形は、以下に説明するとおり重要ではない。
一般に、最終的に光源は、光源と光源との間の光出力のばらつきに関する設計仕様及び各光源における光の強度の一様性に関する設計仕様を満足しなければならない。設計許容誤差により、光源が交換可能であることが保証される。つまり、製造された別の光源からの光出力は、光の観測者には外見及び強さにおいて元の光源とは区別がつかない。
ここで、本発明の他の実施の形態による光源９０を図解した図８を参照する。Ｍ個のコンポーネント光源９１が、光源の数が変わってもいいような２つの母線９２及び９３に並列につながれている場合を考える。Ｍは、光源の設計仕様中に規定されているような、所望の光出力を、平均して、Ｍ個のコンポーネント光源で発光させるように、選ぶ。各コンポーネント光源の平均光出力は、設計許容誤差で規定されている光出力の変動量より小さいと仮定する。この場合、Ｍ個のコンポーネント光源をその光源に装着し、その光出力を測定することができる。出力が大きすぎる場合、１個以上のコンポーネント光源を取り去ることで設計仕様に収まる光源の出力とする。出力が小さすぎる場合、１個以上のコンポーネント光源をその光源に追加する。
先行技術において、コンポーネント光源は、各コンポーネント光源が効率的な電圧で動作することができるように、従来のＬＥＤを直列接続したものとなっている。２０００ルーメンの光（１００ワットの白熱電灯の光に相当）を出すよう設計した光源を考える。８０ルーメンを生じさせる従来のＬＥＤは、歩留まりとダイサイズとの間で良い妥協点をもたらしている。従って、２５個のこのようなＬＥＤ、すなわち５つの直列接続したものが母線の間で用いられる。それゆえ、各コンポーネント光源は目標光出力の２０パーセントを発生させ、そのような直列接続したものを１つ取り去るか又は追加することにより光源の光出力が２０パーセント変化し、このことは、そのような光源の一般的な設計誤差を超えることになる。それゆえに、ＬＥＤは、直列接続したものの光出力がそれぞれ、５個の直列接続で正確に設計許容誤差内の目標出力を出力するように、確実にばらつきを十分小さくするよう、直列接続したものの各々を適合させなければならない。このような廃棄と調和とのコストは、安価な光源では大きなものとなる。
代替的に、各光源について母線への電流を加減するようコントローラ９４をプログラムし、個々のＬＥＤの出力のばらつきを補償する。この処理では、各光源の光出力を計測し求める結果が得られるように電流を変化させることが必要となる。コントローラは、可変電流源と正しい電流を規定するパラメータを記憶させる記憶装置を備えなければならない。そのようなコントローラは、２５個のセグメントＬＥＤを用い、母線からセグメントＬＥＤを取り除いたり付け加えたりすることで調整するような、光源に必要とされる単純なコントローラよりコストがかかる。
図８の構成は、個々のコンポーネント光源がＡＣ電源から直接電源供給されるような、ＡＣのＬＥＤ光源の構成として用いることもでき、ここでは、従来のＬＥＤの一般的な動作電圧ＶｆをＬＥＤ接合部の全数Ｍ＊Ｎ倍で乗算したものが整流したＡＣ電圧のピーク電圧Ｖｐｋ（ｒｍｓ電圧の２倍の平方根に等しい）に等しいような、Ｍ個の直列接続されたＮセグメントのセグメントＬＥＤのそれぞれに、本質的にＤＣ電圧を電源供給する全波整流ブリッジによりＡＣ電源は整流されている。一般に、ターンオン電圧より電圧が小さいときにＬＥＤがターンオンしない期間を埋め合わせるために、少しの間ＬＥＤにオーバーライドさせるために、Ｍ＊Ｎ＊ＶｆはＶｐｋより少し小さくなるよう選定する。あるいは、大容量キャパシタ（このようなアプリケーションに必要な高電圧に大容量のキャパシタンスを提供するために電解タイプのものが一般に必要となる）を、このような「オフタイム」にそこから放電することでＬＥＤをターンオンさせておくために、並列に接続しておくこともできる。この概念は、よく知られているが、高価で寿命の短いキャパシタを使い光源のコストを上げ寿命の縮めることになる。本発明の１つの実施形態によるＡＣ光源を図解した図９を参照する。光源１００は、可変個数のコンポーネント光源が母線９２及び９３間に接続されている点で、図８を参照して上述した光源９０に似ているが、要求される光出力が要求される許容範囲ないになるように光源の数が選定される。光源１００は、コントローラ１０４は、母線間にＡＣ出力電圧を供給し、コンポーネント光源、例えば１０１，１０２、の半分は母線間で反対方向に接続される点で、光源９０と異なる。ＡＣ電源信号の半サイクルで、コンポーネント光源の半分が光を発し、他の半分はオフとなる。この方法は、ＬＥＤが２倍必要となるが、コストを削減し、整流ダイオードを追加する必要性がなくなる。
本発明のひとつの特徴において、コントローラ１０４は、１次・２次の比率を固定した変圧器を有する。このような実施の形態は特にコストの観点から魅力的である。しかし、母線に印加される出力電圧は、変圧器製造工程のばらつきにより影響を受ける。製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を変えることにより、コントローラ１０４のばらつきとは無関係に標準の出力を出すよう光源を調整することができるので、製造のばらつきを埋め合わせるために可変コントローラを必要とする光源より、低い製造コストの光源を提供することができる。
上述の光源は、個々のコンポーネント光源の光出力の違い、又は、コンポーネント光源に電源供給するコントローラの出力の違い、を補正するために、製造時に、母線につながっているコンポーネント光源の数を調整することが頼みとなる。本発明の１つの特徴において、コンポーネント光源の数は、Ｍ個のコンポーネント光源を有する光源からはじめる。ここで、Ｍは適正な数又は、設計光出力を出すには不要なコンポーネント光源を１個又は２個付加した数になるように選ばれる。この光源は組み立てた後でテストする。この光源は正しい光出力、又は、高い光出力を出す。光出力が高すぎる場合は、母線の１つにあるリンク１０６を、レーザー切除又は類似の処理により切断し、通常動作時に、コンポーネント光源の１つに電源が供給されないようにする。この光源は、１つ以上のコンポーネント光源を切除することができるように、複数のこのタイプのリンクを設けることができる。
この方法は、１つ又は２つの追加コンポーネント光源を含めることにより、完全に自動的な組立工程を提供する。コンポーネント光源がセグメントＬＥＤならば、そのコストは、１つ又は２つの追加ＬＥＤダイのコストと同じであり、多くの応用例で受け入れ可能である。
セグメントＬＥＤの場合でも、光源の均一性を保持するためにいくつかのＬＥＤをグループ化しなければならないことが必要であることに留意すべきである。複数のＬＥＤを持つ光源の物理的な大きさは十分大きいので、光出力が十分異なるＬＥＤにより引き起こされる部分的な不均一をユーザが検出することができる。一般に、製造工程のばらつきによる光の強さのばらつきは、光源に許される最大のばらつきより大きい。このような光出力のばらつきは、ウエハー毎に又は製造工程でウエハー毎に生じる。したがって、監視者から見てグループ化したＬＥＤがすべて十分均一化されるように、同じような光出力を持つグループにＬＥＤをグループ分けしなければならない。
光源でセグメントＬＥＤのばらつきの最大許容度は、σｍで表される。すなわち、１つの光源内でセグメントＬＥＤは、Ｉ±σｍで規定される範囲の強さを持たなければならない。一般に、製造時のばらつきは、σ＞σｍで特徴付けられる。従って、セグメントＬＥＤは、各グループが平均光強度を持つことを特徴とするグループ（ビン）に、重複することなく分けられる。それぞれＩ１及びＩ２の平均強度を持つことを特徴とする２つのグループがある場合の処理を考える。光源を製造するために用いるセグメントＬＥＤの最小の数は、光源の設計仕様内でＭＩ１が（Ｍ＋１）Ｉ２に等しくなるように、選定する。一般に、ビン内のばらつきは約１０パーセントである。
例えば、セグメントＬＥＤ１つにつき公称８０ルーメンのセグメントＬＥＤから２０００ルーメンの光源を製造する場合を考える。ウエハーのロットを通じて、セグメントＬＥＤ１つにつき７０ルーメンから９０ルーメンの範囲でばらつきのあるセグメントＬＥＤを考える。このセグメントＬＥＤは４つのビン、７０から７５ルーメンの出力を持つセグメントＬＥＤのための第１のビン、７５から８０ルーメンの出力を持つＬＥＤのための第２のビン、８０から８５ルーメンの出力を持つセグメントＬＥＤのための第３のビン、及び８５から９０ルーメンの出力を持つセグメントＬＥＤのための第４のビン、に分けられる。目標とする光源は、第１のビンから２９個のセグメントＬＥＤを用いるか、又は第２のビンから２６個のセグメントＬＥＤを用いるか、又は第３のビンから２３個のセグメントＬＥＤを用いるか、又は第４のビンから２２個のセグメントＬＥＤを用いることにより組み立てることができる。母線は、セグメントＬＥＤの数量の変更に対応できるので、光源をどのように選んでも同じ電源装置、同じ配置を用いることができ、そして、本質的に同じ製造工程からのすべてのセグメントＬＥＤを用いることができる。加えて、設計仕様に合致させるために、製造後に光源を測定し調整する必要がない。しかし、このような測定と調整とを、光源と光源との間のばらつきを最終的にさらに減少させるために、行うことができる。
上述のとおり、好ましいコンポーネント光源は、セグメントＬＥＤである。一般に、並列に接続したコンポーネント光源に効率的に電源供給するためには、コンポーネント光源は、通常ＧａＮベースのＬＥＤでは３．２ボルトとなる単一接合ＬＥＤへ供給する電圧よりも、十分大きい電圧で作動しなければならない。本発明の１つの実施の形態では、５セグメントのセグメントＬＥＤは、駆動電圧１６Ｖのコンポーネント光源を提供するために用いられる。しかし、駆動電圧が、問題となっている材料系の単一接合ＬＥＤの少なくとも３倍であるコンポーネント光源を、代わりに用いることができる。
以下、出願当初の請求項１〜１１に係る発明を記載する。
［項１］
光源であって、
電源母線に並列に接続した複数のセグメントＬＥＤであって、該電源母線に接続するセグメントＬＥＤの数は可変であり、該数は、前記光源が所定の光出力を出力するよう選定されていることを特徴とする、複数のセグメントＬＥＤと、
ＡＣ電源を受け取り前記電源母線に電源信号を送るコントローラと、
を具備することを特徴とする光源。
［項２］
各セグメントＬＥＤは、該セグメントＬＥＤと同系統の材料で作られた従来のＬＥＤの駆動電圧より３倍大きい駆動電圧を持つことを特徴とする、項１に記載の光源。
［項３］
各セグメントＬＥＤは、前記複数のセグメントＬＥＤから発生する光の強さの平均の１０％より低い所定の強さの範囲内の強さの光を発生することを特徴とする、項１に記載の光源。
［項４］
前記電源母線は、該電源母線から前記セグメントＬＥＤの１つを切り離す、切断可能なリンクを有することを特徴とする、項１に記載の光源。
［項５］
前記切断可能なリンクは、レーザー切除により切除可能な導電領域を具備することを特徴とする、項４に記載の光源。
［項６］
前記電源母線は、前記コントローラからの命令に応答して前記セグメントＬＥＤの１つを切り離すスイッチを有することを特徴とする、項１に記載の光源。
［項７］
光源を製造する方法であって、該方法は、
第１の母線と第２の母線を有する基板を用意するステップと、
前記第１の母線と第２の母線に電源信号を発生する、コントローラを備え付けるステップと、
Ｍ個のセグメントＬＥＤを前記第１の母線と第２の母線との間に並列に接続するステップであって、各セグメントＬＥＤは、前記電源信号により電源供給されたとき第１の所定の光の強さの範囲内の強さの光を生じさせることを特徴とする、ステップと、
を具備することを特徴とする方法。
［項８］
前記光源からの光出力を測定し、測定した光出力が目標とする光出力と異なる場合は、前記母線に接続したセグメントＬＥＤの数を変更するステップをさらに具備することを特徴とする、項７に記載の方法。
［項９］
前記セグメントＬＥＤの内の１つを前記母線から切断することを特徴とする、項８に記載の方法。
［項１０］
前記セグメントＬＥＤの内の１つは、前記母線の内の１つリンクを切除することにより、切断することを特徴とする、項９に記載の方法。
［項１１］
実質的に同じ強さの目標出力を有する複数の光源を製造する方法であって、該方法は、
複数のセグメントＬＥＤを各セグメントＬＥＤについて計測した光の強さに応じて複数のグループにグループ分けするステップであって、各グループは、グループ内に分散した平均的な光の強さをもつことを特徴とする、ステップと、
前記目標出力の強さを有する第１の光源と第２の光源とを製造するステップであって、該第１の光源と第２の光源とは、
第１の母線と第２の母線を有する第１の基板と、
前記第１の母線と第２の母線とに電源信号を発生するコントローラと、
前記第１の母線と第２の母線との間に並列に接続した前記グループのうちの１つの複数のセグメントＬＥＤであって、該複数のセグメントＬＥＤは、前記目標出力と実質的に同じ強さを有する光出力を集合的に発生し、
前記第１の光源は、前記第２の光源とは異なるグループのセグメントＬＥＤからなり、前記１の光源中の前記複数のセグメントＬＥＤは、前記第２の光源中の前記複数のセグメントＬＥＤのセグメントＬＥＤの数とは異なることを特徴とする、複数のセグメントＬＥＤと、
を具備する、ことを特徴とするステップと、
を具備する、ことを特徴とする方法。
本願発明の上記実施の形態は本発明の種々の特徴を概説するために記載したものである。しかし、異なる具体的実施の形態として示される本発明の別の特徴を本発明の他の実施の形態として組み込むことができる。加えて、先の説明及び添付図から、本発明に種々の変形を加えることができるのは明らかであろう。従って、本発明は以下の特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるべきものである。

Claims (4)

  1. 光源であって、
    基板と、
    光放出構造であって、
    前記基板に蒸着させた第１の導電タイプの半導体材料の第１の層と、
    前記第１の層を覆う活性層と、
    前記活性層を覆う、前記第１の導電タイプとは反対の導電タイプの半導体材料の第２の層と、
    を具備することを特徴とする光放出構造と、
    前記光放出構造を、相互に電気的に絶縁された第１のセグメントと第２のセグメントとに分離するバリアと、
    前記第１のセグメント中の前記第１の層と前記第２のセグメント中の前記第２の層とを接続する直列接続電極であって、前記第１のセグメント中の前記第１の層に直接接触している直列接続電極と、
    前記第１のセグメント中の前記第２の層に電気的に接続された第１の電源接点と、
    前記第２のセグメント中の前記第１の層に電気的に接続された第２の電源接点であって、前記第１のセグメントと前記第２のセグメントは、前記第１の電源接点と前記第２の電源接点との間で電位差が生じたとき、光を発生する第２の電源接点と、
    を具備し、
    前記直列接続電極は前記バリアで隔離された複数の導体からなり、
    前記隔離された複数の導体は、導体幅で特徴付けられ、前記隔離された複数の導体は、前記導体幅の５倍以上の間隔で相互に隔てられていることを特徴とする光源。
  2. 前記第２の層は、Ｐタイプ半導体を具備し、前記光源は、前記第２の層を覆う透明な電極と、該透明な電極を覆う電流を前記透明な電極の異なる場所に配分する、複数の電流拡散電極とを具備し、該電流拡散電極は、前記直列接続電極に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の光源。
  3. 前記電流拡散電極は、前記第２の層の２０パーセント以下を覆うことを特徴とする、請求項２に記載の光源。
  4. 前記隔離された複数の導体は、前記バリアに垂直方向の導体幅で特徴付けられることを特徴とする、請求項１に記載の光源。
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