JP6081536B2 - 発光ダイオード - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体を含む発光ダイオードに関し、特に、交流駆動に適した発光ダイオードに関する。
発光ダイオードは、化合物半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物系列の化合物半導体で製造された発光素子であって、ディスプレイ装置とバックライト装置に広く用いられており、最近は、白熱電球や蛍光に取って代わる一般照明の光源としてもその利用領域が広がっている。
一般的な発光ダイオードは、交流電源下で電流の方向に沿ってオン／オフを繰り返す。したがって、このような発光ダイオードを交流電源に直接接続して使用する場合、発光ダイオードが連続的に光を放出することができず、逆方向電流によって容易に破損してしまうという問題がある。このような発光ダイオードの問題を解決するための技術として、高電圧交流電源に直接接続して使用可能な発光ダイオードが特許文献１に「複数の発光素子を有する発光装置（ＬＩＧＨＴ―ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ ＨＡＶＩＮＧ ＬＩＧＨＴ―ＥＭＩＴＴＩＮＧ ＥＬＥＭＥＮＴＳ）」という名称で酒井ら（ＳＡＫＡＩ ｅｔ.ａｌ.）によって開示されている。
図１は、従来の交流発光ダイオードを説明するための図である。図１を参照すると、交流発光ダイオード１は、絶縁性の基板、特に、サファイア基板２上にＩＩＩ族窒化物系列の各化合物半導体層を形成して製造した四角形の各発光セル４を含む。また、基板２上にはボンディングパッド３ａ、３ｂが形成されている。各発光セル４は、それぞれｎ型半導体層、ｐ型半導体層及びそれらの間に介在した活性層を含み、上部にはＩＴＯ層のような透明電極層が形成される。また、複数の発光セル４は、前記のような各化合物半導体層の積層体から多数個に分けられて形成される。
従来の発光ダイオード１は、発光セル４上にｎ型電極パッド６及びｐ型電極パッド８を含む。発光セル４の一部領域が上部から一定の深さで除去されることによって、発光セル４の中間に位置する層の一部が露出するが、この露出した層は、通常ｎ型半導体層であり、この露出したｎ型半導体層の一部領域にｎ型電極パッド６が形成される。ｐ型電極パッド８は、発光セル４の最上層に位置するｐ側領域に形成される。ｎ型電極パッド６とｐ型電極パッド８は、直線状又はバー状に形成されており、発光セル４の対向する両側縁部に位置した状態で互いに対向して位置する。各ボンディングパッド３ａ、３ｂとそれらの間に位置する各発光セル４は、各配線５によって直列に接続される。これら各配線５により、隣接する各発光セル４のｐ型電極パッド８とｎ型電極パッド６が接続されている。図面には区分して示したが、配線５、ｐ型電極パッド８及びｎ型電極パッド６は、ステップカバー工程によって共に形成される配線層の各部分であってもよい。
このような従来の発光ダイオードにおいては、該当の発光セル内でｎ型電極パッド６とｐ型電極パッド８との間の距離が離れている場合、電流がｐ型電極パッド８の周辺のみに集中し、ｐ型電極パッド８の周辺のみが強く発光する。また、ｐ型電極パッド８をｎ型電極パッド６近くに位置させる場合は、ｐ型電極パッド８とｎ型電極パッド６との間の領域の明るさは増加するが、ｐ型電極パッド８と発光セルの枠との間の明るさが大きく減少する。これは、発光ダイオードの発光の均一性を大きく阻害し、発光ダイオードの大面積化における大きな阻害要因となっている。
また、従来の他のタイプの発光ダイオードとして、ｎ型電極パッドとｐ型電極パッドをいずれも長方形状又は円形状に形成し、これら各電極パッドを発光セルの両コーナーで対角線に対向して配置したものがあるが、このタイプの発光ダイオードにおいても、ｐ型電極パッド８の周辺のみが明るいので、発光の均一性が良好でなかった。
したがって、本発明の目的は、互いに反対の極性を有する発光セルの各電極パッド間での電流分散特性を向上させ、発光の均一性を良好にした発光ダイオードを提供することにある。
本発明の一実施形態に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板上に形成され、その枠に１つの側部及びその反対側の側部を有する複数の発光セルと、前記１つの側部に形成された第１の電極パッドと、前記第１の電極パッドと対向し、前記反対側の側部の枠とともに前記反対側の側部の周辺の領域を包囲する線形の第２の電極パッドと、二つの発光セル間で前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドとを接続する配線とを含む。このとき、前記第２の電極パッドの各端部は、前記反対側の側部の枠に近接していることが望ましい。
（※弊所コメント：電極パッドの端部は、枠と接触してはいないため、「隣接」ではなく、「近接」といたしました。他の明細書の箇所、請求項においても同様の修正をいたしました。）
（※弊所コメント：電極パッドの端部は、枠と接触してはいないため、「隣接」ではなく、「近接」といたしました。他の明細書の箇所、請求項においても同様の修正をいたしました。）
本発明の一実施形態において、前記配線は、ステップカバー工程によって前記第１の電極パッド及び前記第２の電極パッドと一体に形成されることが望ましい。
本発明の一実施形態において、前記第１の電極パッドは、前記１つの側部の輪郭に沿って接続された二つ以上の直線部又は一つ以上の曲線部を含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記発光セルは四角形状で、前記第１の電極パッドは、前記１つの側部の二つの辺と平行で、前記１つの側部の頂点付近で接し合う二つの直線部を含んでもよい。前記第２の電極パッドは、前記反対側の側部の二つの辺に近接した各端部から前記第１の電極パッドに近くなる方向につながり、中間で互いに接し合う二つの直線部を含んでもよい。また、前記第２の電極パッドの各直線部がなす角度は、前記第１の電極パッドの各直線部がなす角度と同一であるか、それより大きくてもよい。変形例として、前記第２の電極パッドは、両端部が前記反対側の側部の二つの辺に近接している一つの直線部からなってもよい。
本発明の一実施形態において、前記第１の電極パッドの各直線部のうち一つの直線部が、隣接する発光セルに共通に属しており、残りの直線部は、前記隣接する発光セルの直線部と一直線になるように接続されてもよい。
本発明の一実施形態において、前記発光セルは円形状又は楕円形状で、前記第１の電極パッドは、前記１つの側部に沿って弧状に形成されてもよい。また、前記第２の電極パッドは、前記第１の電極パッドと平行な弧状を有してもよい。
本発明の一実施形態において、前記発光セルは多角形状で、前記第１の電極パッドと前記第２の電極パッドは平行であってもよい。
本発明の一実施形態において、前記基板上には第１のボンディングパッドと第２のボンディングパッドとが形成され、前記複数の発光セルは、第１の電極パッドの一端部が前記第１のボンディングパッドと配線によって接続された発光セルと、前記第２の電極パッドの一端部が前記第２のボンディングパッドと配線によって接続された発光セルとを含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記発光ダイオードは、前記各発光セルを覆うように形成されたマイクロレンズをさらに含んでもよい。また、前記発光ダイオードは、前記マイクロレンズを覆うように形成された絶縁保護膜をさらに含んでもよい。
本発明の一実施形態において、前記発光セルは、前記第２の電極パッドの下側の任意の位置に電流分散のための電流遮断部を含んでもよい。前記電流遮断部は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＯ2から選択された少なくとも一つの材料を含んでもよく、さらに、前記電流遮断部は、低屈折率層と高屈折率層が連続的に繰り返して積層された構造を有し、前記低屈折率層としてはＳｉＯ2又はＡｌ2Ｏ3が用いられ、前記高屈折率層としてはＳｉ3Ｎ4又はＴｉＯ2が用いられてもよい。
本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードは、１つの側部及び反対側の側部を枠に有する発光セルと、前記１つの側部に形成された第１の電極パッドと、前記第１の電極パッドと対向し、前記反対側の側部の枠と共に前記反対側の側部の周辺の領域を包囲する線形の第２の電極パッドとを含む。
本発明の他の実施形態に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板上に互いに離隔して位置し、下部半導体層、前記下部半導体層の一部領域に形成された活性層、上部半導体層及び透明電極層を含む複数の発光セルと、隣接した各発光セルの下部半導体層と上部半導体層とを電気的に接続する配線層と、前記配線層による前記発光セル内の短絡を防止するように前記配線層と前記発光セルとの間に形成される絶縁層と、前記基板及び前記発光セルを覆うように形成されたマイクロレンズとを含む。
本発明の他の実施形態において、前記発光ダイオードは、前記マイクロレンズを覆うように形成された絶縁保護膜をさらに含むことができ、前記マイクロレンズは、前記透明電極層と前記絶縁保護膜の中間屈折率を有する物質で形成される。より望ましくは、前記上部半導体層は窒化ガリウム系半導体層で形成され、前記透明電極層はＩＴＯ層で形成され、前記マイクロレンズはポリマーで形成され、前記絶縁保護膜はＳｉＯ2で形成される。
本発明の他の実施形態において、前記マイクロレンズは、前記透明電極層の上部でその垂直断面が上方に行くほど幅が狭くなる形状を有してもよい。
本発明の他の実施形態において、前記発光セルは、前記配線層の下側の所定の位置に電流遮断部を含んでもよい。
本発明のさらに他の実施形態に係る発光ダイオードは、基板と、前記基板上に互いに離隔して位置し、下部半導体層、前記下部半導体層の一部領域に形成された活性層、上部半導体層及び透明電極層を含む複数の発光セルと、隣接した各発光セルの下部半導体層と上部半導体層を電気的に接続する配線層と、前記配線層による前記発光セル内の短絡を防止するように前記配線層と前記発光セルとの間に形成される絶縁層とを含み、前記発光セルは、前記配線層の下側に電流遮断部を含む。
本発明のさらに他の実施形態において、前記配線層は、下部半導体層の上部に形成される第１の電極パッドと、前記透明電極層又は前記上部半導体層の上部に位置する第２の電極パッドとを一体に含み、前記電流遮断部は、前記第２の電極パッドの下側に領域的に形成されてもよい。
本明細書において、「発光セル」という用語は、発光が行われる領域を含む化合物半導体層積層物の最小単位を意味する。
本発明に係る発光ダイオードによって、発光セルの第１の電極パッドと第２の電極パッドとの間での電流分散特性が改善され、これにより発光の均一性及び電力効率を大きく向上することができる。特に、単一基板上に複数の発光セルを含む発光ダイオード、さらに、交流電源に接続されて用いられる発光ダイオードの場合、各発光セル全体が均一な光を発し、電力効率が大きく向上する。
以下、添付の各図面を参照して本発明の各実施形態を詳細に説明する。以下で説明する各実施形態は、当業者に本発明の思想を充分に伝達するための例として提供するものである。したがって、本発明は、以下で説明する各実施形態に限定されるものではなく、他の形態で実現されることも可能である。そして、各図面における構成要素の幅、長さ、厚さなどは、説明の便宜上誇張して表現する場合がある。同様の符号は、同様の構成要素を示す。
図２は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードを説明するための平面図である。
図２を参照すると、前記発光ダイオード１００は、基板２０及び複数個の発光セル４０を含む。また、前記発光セル４０上に、第１の電極パッド６０（以下、「ｎ型電極パッド」という。）及び第２の電極パッド８０（以下、「ｐ型電極パッド」という。）を含む。また、前記発光ダイオード１００は、基板２０上に形成された第１のボンディングパッド３２及び第２のボンディングパッド３４を含む。
前記複数の発光セル４０は、単一基板２０上に形成され、各配線５２を介して互いに直列に接続されることによってアレイを形成する。アレイの形成のために、各配線５２は、各発光セル４０のｎ型電極パッド６０と当該発光セル４０に隣接する発光セル４０のｐ型電極パッド８０との間を接続する。前記第１のボンディングパッド３２は、配線５４ａによってアレイの一端に位置する発光セル４０のｐ型電極パッド８０に直列に接続され、前記第２のボンディングパッド３４は、配線５４ｂによってアレイの他端に位置する発光セル４０のｎ型電極パッド６０に直列に接続される。
本実施形態において、前記配線５２、前記ｎ型電極パッド６０及びｐ型電極パッド８０は、それぞれステップカバー工程によって形成された配線層の一部である。すなわち、前記配線５２、前記ｎ型電極パッド６０及びｐ型電極パッド８０は、同時に形成され、一つの配線層に属しており、それぞれの位置と機能によって、配線、ｎ型電極パッド及びｐ型電極パッドに区分される。
各発光セル４０の各アレイは、ボンディングパッド３２、３４間で逆並列に接続され、交流電源下で駆動されてもよい。
変形例として、前記各配線５２を、ステップカバー工程によって形成してもよい。すなわち、基板２０及び各発光セル４０を覆うように絶縁層を形成し、絶縁層の一部を開口することによって電極パッド６０、８０を露出させ、絶縁層上に導電材料層を線状に形成することによって、隣接する各発光セルの各電極パッド間をそれぞれ接続する。
これにより、導電材料層は、実際には、各発光セル間を電気的に接続する各配線５２の役割をするようになる。
基板２０として、各発光セル４０をそれぞれ電気的に絶縁できる絶縁性基板が用いられてもよい。各発光セル４０を構成する各窒化物半導体層を成長させるための成長基板として、サファイア基板を用いてもよい。前記各発光セル４０は、互いに同一の面積でも、異なる面積でもよい。前記各発光セル４０は、それぞれ前記基板２０上にｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を順次含む。前記ｐ型半導体層上にＩＴＯ層のような透明電極層が形成されてもよい。このとき、活性層を基準とすると、ｎ型半導体層が上部に形成され、ｐ型半導体層が下部に形成される。
図３は、図１に示した発光ダイオードの発光セル４０の拡大平面図である。図３を参照すると、前記発光セル４０は、略正方形の枠を有し、前記発光セル４０の枠の角部の１つにはｎ型電極パッド６０が形成される。前記ｎ型電極パッド６０は、前記発光セル４０の１つの側部の二つの辺、すなわち、四角形の隣接する二つの辺Ｓ１、Ｓ２にそれぞれ平行な二つの直線部６２、６４を含み、前記二つの直線部６２、６４は、前記１つの側部の頂点Ｖ１付近で垂直に接し合う。このとき、前記発光セル４０の１つの側部は、ｐ型半導体層及び活性層が除去されることによってｎ型半導体層が露出した領域と実質的に同一であり、前記１つの側部の領域は略Ｌ字形状を有する。また、ｐ型電極パッド８０は、中央部分が前記発光セル４０の反対側の側部と遠く離れた状態で両端部が発光セル４０の枠に近接するように形成される。このようなｐ型電極パッド８０は、反対側の側部の枠、すなわち、発光セルの二つの辺Ｓ３、Ｓ４と共に、前記反対側の側部の周辺領域Ａを包囲する。前記ｐ型電極パッド８０は、前記二つの辺Ｓ３、Ｓ４にそれぞれ近接した端部から前記ｎ型電極パッド６０に近づく方向へと向けて延伸し、中央で互いに接し合い、つながる２個の直線部８２、８４を含む。このような形状により、前記ｐ型電極パッド８０と前記ｎ型電極パッド６０との間の距離を充分に近づかせるとともに、前記ｐ型電極パッド８０の後側の領域、すなわち、反対側の側部の周辺領域Ａの面積は大きく増加しない。これは、前記ｐ型電極パッド８０の周辺に電流が集中することによって生じる発光セル４０の発光不均一を防止するのに大きく寄与する。また、両コーナーの頂点Ｖ１、Ｖ２をつなぐ仮想の対角線（２点鎖線で表示する。）によって前記周辺領域Ａが二つの領域に分けられるが、これら二つの領域がいずれも前記ｐ型電極パッド８０の両端部に近いので、光の明るさ低下が多く発生しない。前記ｐ型電極パッド８０の二つの直線部８２、８４がなす角度は、前記ｎ型電極パッド６０の二つの直線部６２、６４がなす角度である略９０゜より大きいことが望ましい。
発光セル４０及び各電極パッド６０、８０の平面形状、そして、発光セル４０上での電極パッド６０、８０の配置は、本発明の技術的思想の範囲内で多様な形態に変形することができ、図４〜図１１は、本発明の多様な形態に係る発光セル４０及び各電極パッド６０、８０の形状及び配置を示している。
図４は、略正方形状（又は、長方形状）の発光セル４０上にｎ型電極パッド６０とｐ型電極パッド８０が上述した図３の実施形態と同様に配置されており、ｐ型電極パッド８０の二つの直線部８２、８４がなす角度と、ｎ型電極パッド６０の二つの直線部６２、６４がなす角度とが同一であることを示している。
図５は、上述した各実施形態とは異なって、ｐ型電極パッド８０が一つの直線部からなることを示している。前記ｐ型電極パッド８０は、反対側の側部、すなわち、ｎ型電極パッド６０が存在する側部の反対側の側部の二つの辺Ｓ３、Ｓ４に隣接している両端部を含む。前記ｐ型電極パッド８０は、一つの直線部からなっているにもかかわらず、前記反対側の側部の枠の両辺Ｓ３、Ｓ４と共に前記反対側の側部の周辺領域Ａを包囲する。また、前記ｐ型電極パッド８０の両端部は、反対側の側部の枠に位置する二つの辺Ｓ３、Ｓ４に近接しており、その中央部分はｎ型電極パッド６０に近いので、上述した各実施形態と同様に、発光セル４０の光を広く分散させ、発光の均一性を向上させることができる。
図６は、図５の実施形態を改良した実施形態であって、ｐ型電極パッド８０の直線部の両端部を折ることによって、両端部を反対側の側部の両辺Ｓ３、Ｓ４により近づかせた延長部８５ａ、８５ｂをさらに形成したことを示している。
図７は、発光セル４０が平行四辺形状に形成された実施形態を示している。なお、本発明において、「四角形」という用語は、長方形、正方形はもちろん、平行四辺形、台形その他角部が４つである全ての幾何学的形態を含む。
図８は、二つの隣接する一つの発光セル４０及び他の発光セル４０に一つのｎ型電極パッド６０が共通的に属している実施形態を示している。図８を参照すると、一つの発光セル４０に属したｎ型電極パッド６０の直線部のうち一つの直線部６４が、隣接する他の発光セル４０に共通的に属しており、残りの直線部６２は、前記隣接する他の発光セル４０の他の直線部と一直線になるように接続されている。
図９は、発光セル４０が円形状である実施形態を示している。円形状の発光セル４０の１つの側部は円形状の発光セル４０の円弧付近と定義し、反対側の側部は前記１つの側部の反対側に位置する円弧付近と定義する。ｎ型電極パッド６０は、前記１つの側部に沿って（円）弧状に形成されており、第２の電極パッド８０は、前記ｎ型電極パッド６０と平行になるように前記発光セル４０の上面に形成され、その反対側の側部の周辺を円弧状の枠と共に包囲する。第２の電極パッド８０の両端部は、発光セル４０の枠、すなわち、円周近くに位置しており、第２の電極パッド８０の中央部は、ｎ型電極パッド６０に近づく方向に向かっている。前記発光セル４０は、楕円形又は曲線を含む他の幾何学的形状を有することができる。
図１０は、発光セル４０が８角形状を有する実施形態を示している。本実施形態の発光セルは、四角形から２点鎖線で表示された部分が除去され、８角形に形成されたものであるので、２点鎖線で表示された各部分は四角形の各角部に該当する。したがって、ｎ型電極パッド６０は、発光セル４０の１つの側部に配置されたものと見なすことができる。前記ｎ型電極パッド６０は、１つの側部に対応する形状、すなわち、中央に位置する一つの長い直線部の両端に２個の短い直線部が接続された形状を有しており、前記第２の電極パッド８０は、前記ｎ型電極パッド６０と同一の形状で前記ｎ型電極パッド６０と平行に配置されている。前記第２の電極パッド８０は、反対側の側部の周辺領域Ａを反対側の側部の枠と共に包囲している。前記第２の電極パッド８０の両端部は、中央部に比べて発光セル４０の枠により近接している。
図１１ａと図１１ｂは、本発明の一実施例に係る発光ダイオードと従来の発光ダイオード（比較例）の発光の均一性に関するテスト結果を示す各写真図であって、下記の［表１］は、本発明の実施例と比較例の電気的特性をテストして比較したものである。本発明の実施例と比較例とにおいて、発光セルを構成する各半導体層の材料と各発光セルの大きさは互いに同一であり、発光セルの構造及び各電極パッドの配置のみが異なる。発光セルの上部には１２０ｎｍ厚さのＩＴＯ層を採用した。
図１１ａに示した本発明の一実施例に係る発光ダイオードは、発光セル全体の明るさが均一である一方、図１１ｂに示した比較例の発光ダイオードは、ｐ型電極パッドに近い部分とｐ型電極パッドから離れた部分との間で明るさ差が大きく表れることが分かる。なお、図１１ａと図１１ｂにおいて相対的に暗く表示される領域も、実際の発光ダイオードにおいては図において表示されるより明るく発光されることに留意する。
下記の［表１］を参照すると、比較例に比べて、本発明の一実施例に係る発光ダイオードの電力効率（ＷＰＥ、電力変換効率）がより良好であることがわかる。本発明の一実施例に係る発光ダイオードの場合、比較例に比べて、平均順方向電圧がより低く、出力がより大きく、電力効率が大きく向上したことが分かる。
図１２は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの断面構造を説明するための図２のＩ―Ｉ線断面図である。
図１２を参照すると、前記発光ダイオードは単一基板２０を含み、前記単一基板２０上には、上述したような複数の発光セル４０が形成される。前記発光セル４０は、それぞれｎ型の下部半導体層４２、前記下部半導体層の一部領域上に位置するｐ型の上部半導体層４４、及び前記下部半導体層４２と上部半導体層４４との間に介在する活性層４３を含む。また、前記発光ダイオードは、各発光セル４０内に透明電極層４６を含む。また、前記発光ダイオードは、絶縁層９９、配線層１００、マイクロレンズ１１０及び絶縁保護膜１２０を含む。本実施形態において、前記配線層１００は、ステップカバー工程によって形成されるもので、図２に示したｎ型電極パッド６０、ｐ型電極パッド８０及び配線５２を一体に含んでもよい。また、前記発光ダイオードは、前記発光セル４０の下部にバッファ層４１を含んでもよい。
再び図１２を参照すると、前記下部半導体層４２、活性層４３及び上部半導体層４４は、それぞれ窒化ガリウム系列の半導体物質、すなわち、（Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎで形成されてもよい。前記活性層４３は、要求される波長の光、例えば、紫外線又は青色光を放出するように決定された組成元素及び組成比を有し、下部半導体層４２及び上部半導体層４４は、前記活性層４３に比べてバンドギャップの大きい物質で形成されてもよい。前記下部半導体層４２及び／又は上部半導体層４４は、図示したように、単一層又は多層構造で形成される。また、活性層４３は、単一量子井戸又は多重量子井戸構造を有してもよい。
前記下部半導体層４２は、側壁にその側壁の外周に沿って形成された段差部を有する。ここで、下部半導体層４２に形成された段差部を基準にして、前記段差部の上側に形成された発光セル部分をメサと定義する。前記メサの側壁、メサ側壁は、上方に行くほどメサの幅が狭くなるように傾斜している。基板２０の上面に対するメサ側壁の傾斜角は１５度〜８０度の範囲である。一方、前記メサの下側に位置する下部半導体層４２も、基板２０から上方に行くほど下部半導体層４２の幅が狭くなるように傾斜した側壁を有することができる。基板２０の上面に対する下部半導体層４２の側壁の傾斜角は１５度〜８０度の範囲である。
上述した傾斜した構造により、各発光セル４０上に形成される他の層、例えば、絶縁層９９及び配線層１００の連続的な蒸着を促進することができる。
図１２においては、前記メサ側壁の傾斜角は、その下側に位置する下部半導体層４２の側壁の傾斜角と同一であるが、これに限定されるものではなく、これら傾斜角は互いに異なるように調節することができる。例えば、メサ側壁の傾斜角が下部半導体層４２の側壁の傾斜角より小さくてもよい。これによって、活性層４３で生成された光がメサ側壁を通じて容易に放出され、光抽出効率を向上させることができ、発光セル領域を相対的に広く確保することができる。
一方、前記各発光セル４０は、それぞれ配線層１００の下部、特に、ｐ型電極パッド６０の下部に電流遮断部４８を有することができる。前記電流遮断部４８は、各発光セル４０の下部半導体層４２、活性層４３及び／又は上部半導体層４４に形成される。電流遮断部４８は、上部半導体層４４の上部に形成された配線層１００から直接電流が流れることを遮断し、透明電極層４６での広い電流拡散を可能にする。電流遮断部４８としては、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4又はＴｉＯ2のような絶縁物質を使用することができ、電流遮断部４８は、互いに異なる屈折率を有する物質を交互に積層して形成された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ、Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）である。前記分布ブラッグ反射器は、低屈折率層と高屈折率層が連続的に繰り返して積層された構造を有することができ、例えば、前記低屈折率層としてはＳｉＯ2又はＡｌ2Ｏ3を用いることができ、前記高屈折率層としてはＳｉ3Ｎ4又はＴｉＯ2を用いることができる。
一方、上述したバッファ層４１は、基板２０が成長基板、特に、サファイア基板である場合、基板２０とその上側に形成される下部半導体層４２との格子不整合を緩和させるために採択される。
前記透明電極層４６は、前記上部半導体層４４の上面に位置することができ、前記上部半導体層４４の面積よりも狭い面積を有することができる。すなわち、透明電極層４６は、上部半導体層４４の縁部からリセスされる。したがって、透明電極層４６の縁部で発光セル４０の側壁を通じて電流が集中することを防止することができる。
一方、前記絶縁層９９は、各発光セル４０のほぼ全面を覆ってもよい。前記絶縁層９９は、各下部半導体層４２上に各開口部を有しており、また、各上部半導体層４４又は透明電極層４６上に各開口部を有する。一方、各発光セル４０の各側壁は絶縁層９９によって覆われる。また、絶縁層９９は、各発光セル４０間の各領域内の基板２０を覆ってもよい。絶縁層９９は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）又はシリコン窒化膜で形成される。
配線層１００が前記絶縁層９９上に形成される。配線層１００は、前記各開口部を通じて各下部半導体４２上に、そして、上部半導体層４４及び／又は透明電極層４６上に所定のパターンで形成される。このとき、前記各開口部を通じて前記下部半導体層４２及び前記上部半導体層４４に形成される配線層１００の一部は、図２に示したようなｎ型電極パッド６０及びｐ型電極パッド８０であって、前記絶縁層９９上で隣接する各発光セルの各電極パッドを接続する配線層１００の一部は、図２に示したような配線５２である。
前記配線層１００は、透明電極層４６を通じてその下側に位置する上部半導体層４４に電気的に接続される。一方、配線層１００は、互いに隣接した各発光セル４０において各下部半導体層４２と各上部半導体層４４をそれぞれ電気的に接続し、各発光セル４０の直列アレイを形成する。このようなアレイは複数個形成することができ、複数個のアレイが互いに逆並列に接続され、交流電源に接続されて駆動される。また、各発光セルの直列アレイに接続されたブリッジ整流器（図示せず）が形成され、前記ブリッジ整流器によって前記各発光セルが交流電源下で駆動されてもよい。前記ブリッジ整流器は、前記各発光セル４０と同一の構造の各発光セルを配線層又は各配線を用いて結線することによって形成してもよい。前記配線層又は各配線は、導電物質、例えば、多結晶シリコンのようなドーピングされた半導体物質又は金属で形成してもよい。
マイクロレンズ１１０は、前記配線層１００及び前記絶縁層９９を覆うように形成される。マイクロレンズ１１０は、半球状の凸面を有して凸レンズとして機能してもよい。マイクロレンズ１１０の水平方向直径は、マイクロメートルオーダーの大きさ、例えば、約９？である。マイクロレンズ１１０は、前記透明電極層４６よりも屈折率の低い物質、例えば、ポリマーで形成してもよい。ポリマーとしては、例えば、ＰＩ（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、ＳＵ―８（ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ）、ＳＯＧ（ｓｐｉｎ ｏｎ ｇｌａｓｓ）ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｏｘａｎｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、シリコンゲル（ｓｉｌｉｃｏｎ ｇｅｌ）、又はレジン（ｒｅｓｉｎ）を使用してもよい。透明電極層４６及び／又はマイクロレンズ１１０の屈折率は、それに接する物質層の屈折率によって変更可能である。上部半導体層が略２.４５の屈折率を有する窒化ガリウム半導体層である場合、屈折率が２.０４であるＩＴＯ層を透明電極層として使用すると好ましく、絶縁保護膜１２０として屈折率が１.５４であるＳｉＯ2を使用するとき、マイクロレンズの屈折率は、好ましくは、透明電極層４６と絶縁保護膜１２０の中間屈折率である１.６７〜１.８の範囲内で選択される。好ましくは、マイクロレンズは、絶縁性を有するものが、場合によっては導電性を有するものであってもよい。
一方、絶縁保護膜１２０は、マイクロレンズ１１０を覆うように形成される。絶縁保護膜１２０は、マイクロレンズ１１０、配線層１００が水分などによって汚染されることを防止し、外圧によって配線層１００が損傷することを防止する。絶縁保護膜１２０は、透光性物質、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）又はシリコン窒化膜で形成されてもよい。
図１３〜図１６は、図１２に示したような発光ダイオードを製造する方法を説明するための各断面図である。
図１３を参照すると、基板２０上には下部半導体層４２、活性層４３及び上部半導体層４４が形成される。また、下部半導体層４２を形成する前に、基板２０上にバッファ層２１が形成される。
前記基板２０は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、リチウム―アルミナ（ＬｉＡｌ2Ｏ3）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）基板であるが、これらに限定されるものではなく、基板２０上に形成される半導体層の物質に応じて多様に選択可能である。
バッファ層４１は、基板２０とその上側に形成される下部半導体層４２との間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）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。前記基板２０が導電性基板である場合、前記バッファ層４１は、絶縁層又は半絶縁層で形成されることが望ましく、ＡｌＮ又は半絶縁ＧａＮで形成される。
下部半導体層４２、活性層４３及び上部半導体層４４は、それぞれ窒化ガリウム系列の半導体物質、すなわち、（Ｂ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎで形成される。前記下部及び上部半導体層４２、４４及び活性層４３は、金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線成長（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）又はハイドライド気相成長（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）技術などを使用して断続的に又は連続的に成長される。
ここで、前記下部及び上部半導体層は、それぞれｎ型及びｐ型、又は、ｐ型及びｎ型である。窒化ガリウム系列の化合物半導体層において、ｎ型半導体層は、不純物として、例えば、シリコン（Ｓｉ）をドーピングして形成してもよく、ｐ型半導体層は、不純物として、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして形成してもよい。
電流遮断部４８は、上部半導体層４４の領域のうち配線層１００の下側、特に、ｐ型電極パッド８０（図２参照）の下側の任意の領域、例えば、下部半導体層４２、活性層４３及び／又は上部半導体層４４の一部領域に形成される。電流遮断部４８としては、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4又はＴｉＯ2のような絶縁物質を使用することができ、電流遮断部４８は、互いに異なる屈折率を有する物質を交互に積層して形成された分布ブラッグ反射器である。
前記電流遮断部４８及び上部半導体層４４上には透明電極層４６が形成される。前記透明電極層４６は、インジウムスズ酸化膜（ＩＴＯ）のような導電性酸化物で形成される。その後、フォトレジストパターン（図示せず）をエッチングマスクとして使用して透明電極層４６、上部半導体層４４及び活性層４３と共に下部半導体層４２の一部をエッチングする。これによって、フォトレジストパターンの形状が前記各半導体層４２、４３、４４に転写され、各側壁が傾斜した各メサが形成される。
続いて、フォトレジストパターンが各メサ上に残留する間、湿式エッチング工程によって透明電極層４６がリセスされる。前記透明電極層４６は、エッチャント及びエッチング時間を調節することによって、メサ上の上部半導体層４４の縁部からリセスされる。その後、フォトレジストパターンが除去される。
その後、前記複数のメサを覆い、かつ各発光セル領域を限定するフォトレジストパターン（図示せず）をエッチングマスクとして使用して下部半導体層４２をエッチングし、分離された各発光セル４０が形成される。このとき、バッファ層４１も共にエッチングされ、基板２０の上面が露出する。
フォトレジストパターンをエッチングマスクとして使用して下部半導体層４２をエッチングする間、各メサはフォトレジストパターンに覆われていることが望ましい。これによって、各メサのセル分離工程で損傷を受けることを防止することができる。また、前記セル分離工程によって、下部半導体層４２に図示したように段差部が生成される。その後、フォトレジストパターンが除去される。
図１４を参照すると、各発光セル４０を有する基板４２上に連続的な絶縁層９９が形成される。絶縁層９９は、各発光セル４０の側壁及び上面を覆い、各発光セル４０間の領域の基板２０の上部を覆う。前記絶縁層９９は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）技術を使用して、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜で形成される。
前記各発光セル４０の各側壁が傾斜して形成されており、さらに、下部半導体層４２に段差部が形成されているので、前記絶縁層９９は各発光セル４０の各側壁を容易に覆うことができる。
前記絶縁層９９は、写真及びエッチング工程によってパターニングされ、下部半導体層４２を露出させる各開口部、及び透明電極層４６と上部半導体層４４を露出させる各開口部を有することができる。
図１５を参照すると、前記各開口部を有する絶縁層９９上に配線層１００が形成される。前記配線層１００の一部は、前記各開口部を通じて各下部半導体層４２及び各上部半導体層４４に電気的に接続され、互いに隣接した各発光セル４０において各下部半導体層４２と各上部半導体層４４をそれぞれ電気的に接続する。
前記配線層１００は、めっき技術又は電子ビーム蒸着のような気相蒸着技術を使用して形成することができる。前記発光セル４０の各側壁上、下部半導体層４２の側壁に段差部が形成されているので、配線層１００が発光セル４０の側壁に安定的に形成され、配線の断線及び／又は短絡を防止することができる。前記配線層１００により、基板２０上の各発光セル４０は電流によって動作できるように配線される。
図１６を参照すると、前記のように配線された各発光セル４０を覆うように、前記基板２０上にマイクロレンズ１１０が形成される。マイクロレンズ１１０は、配線層１００が形成された基板２０上にポリマー層を形成した後、湿式エッチング工程を用いて形成される。マイクロレンズ１１０は、メサ側壁及びメサエッチングによって露出した第１の導電型下部半導体層４２の一部領域を覆うことができる。これと異なって、ポリマー層を形成した後、フォトレジストパターン（図示せず）をリフロー技術などを用いてレンズ形状に対応するように形成し、これをエッチングマスクとして使用してポリマー層を乾式エッチングすることによってマイクロレンズ１１０を形成することもできる。
図１７は、マイクロレンズの多様な形状を説明するための平面図である。
一方、図１７（ａ）に示すように、マイクロレンズ１１０は、平面図から見て円形状又は楕円形状である。マイクロレンズの水平断面は円形状又は楕円形状であってもよい。しかし、マイクロレンズ１１０の水平断面は、円形状又は楕円形状に限定されるものではなく、図１７（ｂ）及び１７（ｃ）に示すように六角形状又は三角形状でもよく、四角形状である場合もあり、その他の形状でもよい。特に、前記マイクロレンズの水平断面形状が六角形状又は三角形状である場合、これらマイクロレンズ１１０をより稠密に配置することができる。
前記マイクロレンズの形状は、製造の容易性、光抽出効率などを考慮して多様な形状を選択することができ、水平断面と垂直断面の形状を適宜組み合わせて選択することができる。垂直断面が図１７（ｃ）に示すような三角形状で、水平断面が図１７（ｃ）に示すような三角形状である場合、前記マイクロレンズは、三角ピラミッド、すなわち、四面体形状を有することができる。これによって、マイクロレンズに入射された光が外部に容易に放出される。
併せて、マイクロレンズ１１０は、図１８に示すように滑らかな表面を有してもよく、図１９に示すように粗い表面を有するように形成されてもよい。
図１２に示すように、透明電極層４６及びメサ側壁に多様な形状のマイクロレンズ１１０を配置することによって、活性層４３で生成された光がマイクロレンズ１１０を通じて外部に放出され、光抽出効率を改善することができる。
マイクロレンズ１１０が形成された基板２０上には保護絶縁膜１２０が形成される。前記保護絶縁膜１２０は、化学気相蒸着技術を使用して透光性物質、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜で形成される。
以上のように、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードによって、発光セルの第１の電極パッドと第２の電極パッドとの間での電流分散特性が改善され、これにより発光の均一性及び電力効率を大きく向上することができる。特に、単一基板上に複数の発光セルを含む発光ダイオード、さらに、交流電源に接続されて用いられる発光ダイオードの場合、各発光セル全体が均一な光を発し、電力効率が大きく向上する。
２０：基板、３２：第１のボンディングパッド、３４：第２のボンディングパッド、４０：発光セル、５２、５４ａ、５４ｂ：配線、６０：ｎ型電極パッド、８０：ｐ型電極パッド、１００：発光ダイオード
Claims (12)
- 基板と、
前記基板上に互いに離隔して位置し、前記基板側から下部半導体層、活性層、上部半導体層及び透明電極層が積層された構造を含む複数の発光セルと、
前記複数の発光セルのうち、隣接する各発光セルの下部半導体層と上部半導体層とを電気的に接続する配線層と、
前記配線層による前記発光セル内の短絡を防止するように前記配線層と前記発光セルとの間に形成される絶縁層と、
前記基板及び前記発光セルを覆うように形成された複数のマイクロレンズと
を含み、
前記下部半導体層、前記活性層及び前記上部半導体層は傾斜した側壁面を有し、
前記複数のマイクロレンズは、前記透明電極層の上面及び前記側壁面に沿って設けられていることを特徴とする発光ダイオード。 - 前記複数のマイクロレンズを覆うように形成された絶縁保護膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記複数のマイクロレンズは、前記透明電極層と前記絶縁保護膜との中間屈折率を有する物質で形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
- 前記複数のマイクロレンズはポリマーで形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記上部半導体層は窒化ガリウム系半導体層で形成され、前記透明電極層はＩＴＯ層で形成され、前記複数のマイクロレンズはポリマーで形成され、前記絶縁層はＳｉＯ２で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記複数のマイクロレンズは、前記透明電極層の上部からその垂直断面が上方に行くほど幅が狭くなる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記複数の発光セルは、それぞれ１つの側部と反対側の側部とを枠に有し、前記１つの側部には前記配線層の一部として第１の電極パッドが形成され、前記第１の電極パッドと対向する配線層の一部である線形の第２の電極パッドは、前記反対側の側部の枠と共に前記反対側の側部の周辺領域を包囲するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 前記発光セルは、前記配線層の下側の所定の位置に電流遮断部を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
- 基板と、
前記基板上に互いに離隔して位置し、前記基板側から下部半導体層、活性層、上部半導体層及び透明電極層が積層された構造を含む複数の発光セルと、
前記複数の発光セルのうち、隣接する各発光セルの下部半導体層と上部半導体層を電気的に接続する配線層と、
前記配線層による前記発光セル内の短絡を防止するように前記配線層と前記発光セルとの間に形成される絶縁層と、を含み、
前記発光セルは、前記配線層が前記透明電極層と接続される一端部に、前記上部半導体層、前記活性層及び前記下部半導体層の一部が除去された領域に絶縁材料で形成された電流遮断部を有し、
前記電流遮断部は、前記一端部から、前記配線層と前記上部半導体層との間の前記配線層側に配置され、前記上部半導体層と前記配線層とを隔てる
ことを特徴とする発光ダイオード。 - 前記配線層は、下部半導体層の上部に形成される第１の電極パッドと、前記透明電極層又は前記上部半導体層の上部に位置する第２の電極パッドと、を含み、前記電流遮断部は、前記第２の電極パッドの下側に領域に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
- 前記複数の発光セルは、それぞれ１つの側部と反対側の側部を枠に有し、前記１つの側部には前記配線層の一部として第１の電極パッドが形成され、前記第１の電極パッドと対向する配線層の一部である線形の第２の電極パッドは、前記反対側の側部の枠と共に前記反対側の側部の周辺領域を包囲するように形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の発光ダイオード。
- 前記電流遮断部は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４又はＴｉＯ２から選択された少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする請求項９に記載の発光ダイオード。
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