(57)【要約】【課題】ＬＥＤの活性層（１４）への電流注入を改善し、そのパワーおよび光束を向上させる改良された電流拡散構造を有するＬＥＤを提供する。【解決手段】電流拡散構造は、従来のＬＥＤよりも大きなＬＥＤで使用でき、改良された電流注入が維持される。本発明は、特に、絶縁基板（１２）を有するＬＥＤに適用可能であるが、導電性基板を有するＬＥＤの直列抵抗を小さくすることもできる。改良された構造は、協働する導電性の経路を形成する導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ、２２）を含み、この経路は、電流がコンタクト（１９、２１）からフィンガ（２０ａ、２０ｂ、２２）に拡散し、反対のドープされた層（１５、１６）を通って均一に拡散することを保証する。電流は、活性層（１４）に拡散し、活性層（１４）全体に電子および正孔を均一に注入し、電子と正孔は再結合して光を放射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層（１６）、
エピタキシャル成長させたｎ型層（１５）、および
前記ｐ型層とｎ型層（１６、１５）の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層（１４）
を有するＬＥＤコア（１３）と、
前記ＬＥＤコア（１３）に隣接した第１のスプレッダ層（１１）と、
前記ＬＥＤコア（１３）を通して前記第１のスプレッダ層（１１）に達する少なくとも１つの溝（２３）と、
前記少なくとも１つの溝（２３）の中の前記第１のスプレッダ層（１１）の上に少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）を有する第１のコンタクト（２１）であって、前記第１のコンタクト（２１）から、前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）、前記第１のスプレッダ層（１１）および前記ＬＥＤコア（１３）に電流が流れるようにした第１のコンタクト（２１）と、
前記第１のスプレッダ層（１１）とは反対側の前記ＬＥＤコア（１３）の上に少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）を有する第２のコンタクト（１９）であって、前記第２のコンタクト（１９）から、前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および前記ＬＥＤコア（１３）に電流が流れるようにした第２のコンタクト（１９）と
を備えたことを特徴とするスケーラブルＬＥＤ。
【請求項２】
前記第１のスプレッダ層（１１）は、ｎ型エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記ｎ型層（１５）は、前記第１のスプレッダ層（１１）に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記第２のコンタクト（１９）および前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）は、前記ｐ型層上にあることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）は、それらの長さの一部分について概ね平行であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）は、それらの長さの一部分について、およそ互いに均一な距離にあり、前記ＬＥＤコア（１３）に均一な電流注入を行うことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
前記第１のスプレッダ層（１１）に隣接し、前記ＬＥＤコア（１３）とは反対側に設けた基板（１２）をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
前記基板（１２）は、導電性基板であることを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
前記第１のスプレッダ層（１１）とは反対側の前記ＬＥＤコア（１３）に第２のスプレッダ層（１８）をさらに備え、前記第２のコンタクト（１９）および前記少なくとも１つの導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）は、前記第２のスプレッダ層（１８）に堆積され、前記コンタクト（１９）に印加された電流が、前記少なくとも１つの導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）に拡散し、前記第２のスプレッダ層（１８）を通じて、前記ＬＥＤコア（１３）に拡散することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
前記第２のスプレッダ層（１８）は、透過導体であることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
１つの前記第１の導電性フィンガ（２２）を含み、前記第２のコンタクト（１９）および少なくとも１つの導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）は、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第１のコンタクト（２１）および前記第１の導電性フィンガ（２２）が、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
１つの前記第２の導電性フィンガ（４７）を含み、前記第１のコンタクト（４４）および少なくとも１つの導電性フィンガ（４５ａ、４５ｂ）は、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第２のコンタクト（４６）および前記第２の導電性フィンガ（４７）が、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
複数の前記第１および第２の導電性フィンガ（７６、７５）と、前記ＬＥＤの一つの縁に近い前記第２のコンタクト（７３）と、反対側の縁に近い前記第１のコンタクト（７２）とを含み、前記第２の導電性フィンガ（７５）が、前記第２のコンタクト（７３）から前記反対側の縁に向けて複数の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（７６）が、前記第１のコンタクト（７２）から前記第２のコンタクト（７３）に向けて、前記第２の導電性フィンガ（７５）間に櫛形に交互に並ぶ複数の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
前記第２のコンタクト（１１１）は、前記電流拡散層（１１２）の中央近くに位置し、前記第２の導電性フィンガ（１１３、１１４）は、前記第２のコンタクト（１１１）から前記ＬＥＤの縁に向けて導電性経路を形成し、前記第１の導電性フィンガ（１１７）は、前記第１のコンタクト（１１５）から前記第２のコンタクト（１１１）に向けて、前記第２の導電性フィンガ（１１３、１１４）間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
前記第２のコンタクト（９１）は、前記電流拡散層（９２）の中央に位置し、前記コンタクト（９１）から前記ＬＥＤの中心線に沿ってそれぞれ反対方向に延びる導電性経路を形成する２つの導電性枝路（９３）をさらに備え、前記第２の導電性フィンガ（９４）が、前記枝路（９３）に概ね直角な導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（９７）が、前記第１のコンタクト（９５）および前記ＬＥＤの縁から前記枝路（９３）に向けて、前記第２のフィンガ（９４）間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
複数の前記第１および第２の導電性フィンガ（８４、８７）を含み、前記第２のフィンガ（８４）は、前記第２のコンタクト（８１）から延びる概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（８７）は、前記第１のコンタクト（８５）から延び、前記第２のジクザグ形フィンガ（８４）の間に櫛形に交互に並ぶ概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１７】
フリップチップ実装を使用し、改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層、
エピタキシャル成長させたｎ型層、および
前記ｐ型層とｎ型層の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層
を有するＬＥＤコア（１３０）と、
前記ＬＥＤコア（１３０）に隣接した第１のスプレッダ層（１２６）と、
前記ＬＥＤコアを通して前記第１のスプレッダ層（１２６）に達する少なくとも１つの溝と、
前記少なくとも１つの溝の中の前記第１のスプレッダ層（１２６）の上に少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（１３１）を有する第１のコンタクト（１２９）であって、前記第１のコンタクト（１２９）から、前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（１３１）、前記第１のスプレッダ層（１２６）および前記ＬＥＤコア（１３０）に電流が流れるようにした第１のコンタクト（１２９）と、
前記ＬＥＤコア（１３０）に隣接し、前記第１のスプレッダ（１２６）とは反対側に設けた第２のスプレッダ層（１２４）と、
２つの個別のセクション（１２７、１２８）を有する導電層であって、該導電層の第１のセクション（１２７）を前記第２のスプレッダに結合した導電層（１２７、１２８）と、
前記導電層の前記第１のセクション（１２７）に隣接し、前記第２のスプレッダ（１２４）とは反対側に設けたサブマウント（１２２）であって、前記導電層の第２のセクション（１２８）も前記サブマウント（１２２）に隣接するようにしたサブマウント（１２２）とを備え、前記ＬＥＤは、前記第２のセクション（１２８）と前記コンタクト（１２９）との間に導電材料（１２５）をさらに備え、前記導電層の第１および第２のセクション（１２７、１２８）に印加されたバイアスによって前記ＬＥＤコア（１３０）を発光させるようにしたことを特徴とするスケーラブルＬＥＤ。
【請求項１８】
前記第１のスプレッダ層（１２６）に隣接し、前記ＬＥＤコア（１３０）とは反対側に設けた基板（１２３）をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。
【請求項１９】
前記基板（１２３）は、透過または半透過基板から作られており、前記ＬＥＤコア（１３０）によって生成された光の主放射面であることを特徴とする請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２０】
前記第２のスプレッダ（１２４）層は、半透過材料から作られており、ＬＥＤコア（１３０）からの光を前記基板（１２３）に向けて反射する反射器をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。
【請求項２１】
前記導電層の第１のセクションと前記第２のスプレッダとの間に結合媒体（１２１）をさらに備え、前記導電材料（１２５）が結合媒体を備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。
【請求項２２】
電流拡散構造を有する半導体ＬＥＤであって、
不純物をドープした２以上の隣接する層（１１、１４、１５、１６）と、
前記層（１１、１４、１５、１６）のうち１または複数の層を通してエッチングされ、前記層（１１、１４、１５、１６）の１つの上または内部に表面を露出する少なくとも１つの溝（２３）と、
前記少なくとも１つの溝（２３）の中の前記露出した面の上に少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）を有する第１のコンタクト（２１）であって、前記コンタクト（２１）から、前記少なくとも１つの第１のフィンガ（２２）および前記露出した面を有する前記層（１１、１４、１５、１６）に電流が流れるようにした第１のコンタクト（２１）と、
前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）の表面の上に少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）を有する第２のコンタクト（１９）であって、前記第２のコンタクト（１９）から、前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）に電流が流れるようにした第２のコンタクト（１９）と
を備えたことを特徴とする半導体ＬＥＤ。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および隣接する前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）は、それらの長さの一部分について概ね平行であることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）および隣接する前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）は、およそ互いに均一な距離にあり、不純物をドープした前記２以上の隣接する層に均一な電流注入を行うことを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２５】
１つの前記第１の導電性フィンガ（２２）を含み、前記第２のコンタクトおよび少なくとも１つの導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）は、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第１のコンタクト（２１）および前記第１の導電性フィンガ（２２）が、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２６】
１つの前記第１の導電性フィンガ（４７）を含み、前記第１のコンタクト（４４）および少なくとも１つの導電性フィンガ（４５ａ、４５ｂ）は、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第２のコンタクト（４６）および前記第２の導電性フィンガ（４７）が、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２７】
複数の前記第１および第２の導電性フィンガ（７６、７５）と、前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）の１つの縁に近い前記第２のコンタクト（７３）と、反対側の縁に近い前記第１のコンタクト（７２）とを含み、前記第２の導電性フィンガ（７５）が、前記第２のコンタクト（７３）から前記反対側の縁に向けて複数の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（７６）が、前記第１のコンタクト（７２）から前記第２のコンタクト（７３）に向けて、前記第２の導電性フィンガ（７５）間に櫛形に交互に並ぶ複数の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２８】
前記第２のコンタクト（１１１）は、前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）の表面の中央近くに位置し、前記第２の導電性フィンガ（１１３、１１４）は、前記第２のコンタクト（１１１）から前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）の表面の縁に向けて導電性経路を形成し、前記第１の導電性フィンガ（１１７）は、前記第１のコンタクト（１１５）から前記第２のコンタクト（１１１）に向けて、前記第２の導電性フィンガ（１１３、１１４）間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項２９】
前記第２のコンタクト（９１）は、前記隣接する層（１１、１４、１５、１６）の表面の中央に位置し、前記コンタクト（９１）から前記表面の中心線に沿ってそれぞれ反対方向に延びる導電性経路を形成する２つの導電性枝路（９３）をさらに備え、前記第２の導電性フィンガ（９４）が、前記枝路（９３）に概ね直角な導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（９７）が、前記第１のコンタクト（９５）および前記表面の縁から前記枝路（９３）に向けて、前記第２のフィンガ（９４）間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項３０】
複数の前記第１および第２の導電性フィンガ（８４、８７）を含み、前記第２のフィンガ（８４）は、前記第２のコンタクト（８１）から延びる概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガ（８７）は、前記第１のコンタクト（８５）から延び、前記第２のジクザグ形フィンガ（８４）間に櫛形に交互に並ぶ概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載の半導体ＬＥＤ。
【請求項３１】
改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層（１６）と、
エピタキシャル成長させたｎ型層（１５）と、
前記ｐ型層とｎ型層（１５、１６）の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層（１４）と、
少なくとも１つの第１の導電性フィンガ（２２）を有する第１のコンタクト（２１）と、
前記ｐ型層および活性層（１６、１４）を通して前記ｎ型層（１５）までエッチングされた少なくとも１つの溝（２３）であって、前記第１のコンタクト（２１）および少なくとも１つのフィンガ（２２）が、前記エッチングされた領域の前記ｎ型層（１５）にあるようにした少なくとも１つの溝（２３）と、
前記ｐ型層（１６）の第２のコンタクト（１９）および少なくとも１つの第２の導電性フィンガ（２０ａ、２０ｂ）とを備え、前記少なくとも１つの第１および第２の導電性フィンガ（２２、２０ａ、２０ｂ）は、それらの長さの少なくとも一部分について概ね平行であるようにしたことを特徴とするスケーラブルＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[発明の詳細な説明]
本出願は、１９９９年１２月１日に出願したTarsa他の仮出願第６０／１６８，３３８号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、より詳細には、改良された電流拡散構造（current spreading structure）を有するＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連技術の説明）
ＬＥＤは、電流を光に変換する重要な固体デバイスである。ＬＥＤは一般に、一方はｐ型、他方はｎ型の２つの向かい合ったドープされた層に挟まれた活性半導体材料層を含む。ドープされた層の電気コンタクトを横切って駆動電流を印加すると、ドープされた層から活性層に電子および正孔が注入される。次いで、電子と正孔が再結合して光が発生し、光は、活性層から全方向に放射されて、ＬＥＤの全ての表面から出ていく。
【０００４】
従来のＬＥＤの欠点の１つは、電流を光に変換する効率がフィラメント光に比べて低いことである。そのために、ＬＥＤの使用はたいていの場合、電子装置の表示ランプなどの応用に限られ、このときのＬＥＤのダイサイズは０．２５ｍｍ2未満、光パワーは１０ミリワット（ｍＷ）未満である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５９５９３１６号
【特許文献２】米国特許第５６５２４３４号
【０００６】
しかし、窒化物ベースの半導体材料における最近の進歩によって、青−緑スペクトル領域で発光し、それを使用して、白色光を含むさまざまな色の光を生み出すことができる明るくて高効率のＬＥＤが開発された（日亜社の白色ＬＥＤ、部品番号NSPW300BS、NSPW312BS他、およびHaydenの米国特許第５９５９３１６号「Multiple Encapsulation of Phosphor-LED Devices」を参照されたい）。これらの進歩が、高出力パワーおよび高光束を必要とする照明および信号への応用として使用する固体発光体に結びついた。このような応用の１つが交通信号機である。現行のＬＥＤ信号機は、高い出力パワーが得られるように組み合わされた単一ＬＥＤデバイスのアレイからなる。しかし、ＬＥＤアレイの代わりに使用できる高出力の単一ＬＥＤデバイスがあれば、複雑さおよびコストが低減し、信頼性も高くなろう。
【０００７】
ＬＥＤのパワーおよび光束を増大させる１つの方法は、ＬＥＤのサイズおよび発光面積を大きくすることである。しかし、窒化物ベースの従来のＬＥＤのサイズは、電気コンタクトから活性層へ電流を効果的に拡散（spread）することができないことにより制限されている。窒化物ベースのｐ型半導体材料の導電率は比較的低く、ｐ型コンタクトに印加された電流は、ｐ型層内の限られた領域にしか拡散されない。電流は、活性層全体に移動せず、ＬＥＤは、コンタクト周囲の局部の加熱と早期の劣化を生じることになる。
【０００８】
窒化物ベースのｎ型半導体材料は、良好な導体だが、電流の拡散に対してある抵抗を示す。デバイスのサイズが増大するにつれ、ｎ型コンタクトからの電流を均一に拡散するｎ型材料の能力は低下する。その結果、窒化物ベースのＬＥＤのサイズは、ｐ型層とｎ型層両方の電流拡散特性によって制限される。
【０００９】
電流拡散を向上させる構造を有するさまざまなＬＥＤが開発された（G.B.Stringfellow and M.G.Crawford (1997), High Brightness Light Emitting Diodes, Semiconductors and Semimetals, Vol.48, pp.170-178を参照されたい）。このデバイスは一般に、導電性基板上に成長させたｎ型エピタキシャル層と、ｎ型層上に成長させたＬＥＤ活性領域およびｐ型層とを含む。ｐ型層の表面の中央に導電性コンタクトが堆積され、エピタキシャル層とは反対側の導電性基板上に導電性コンタクトパッドが堆積されている。ｐ型コンタクトからの電流は、ｐ型層の中央から縁に向かって拡散し、活性層に達する。基板は、エピタキシャル層に比べて非常に厚く、その結果、活性領域に拡散する全電流は、ｐ型コンタクトによって与えられる拡散によって制限される。この基本構造は、小さなＬＥＤ（約０．２５ｍｍ2）には有効だが、より大きなＬＥＤにスケーリングすることはできない。ＬＥＤサイズのスケーリングを容易にするためには、ＬＥＤに変更を加えなければならない。
【００１０】
このような変更の１つは、ｐ型層の厚さを厚くして拡散抵抗（spreading resistance）を小さくし、電流がＬＥＤの縁まで拡散するようにする。この方法は、ＬＥＤの面積を増大させるのには有効だが、ｐ型層の厚さを際限なく増大させることはできないので、ＬＥＤのスケーリングは事実上制限される。さらに、ＧａＮベースのＬＥＤシステムでは、ｐ型材料の導電率が非常に低く、この方法は実用的ではない。
【００１１】
他の方法では、ｐ型層の表面の中央にコンタクトを堆積させ、コンタクトから表面の縁に向かって薄い放射状の導電性フィンガを走らせる。コンタクトに印加された電流は、導電性フィンガおよびその下のｐ型面に広がる。この方法は１つの改良ではあるものの、ＬＥＤを大きなサイズに自由にスケーリングできるわけではない。サイズが増大するにつれて、放射状フィンガの端部の距離が増大し、ついにはこの距離が、ｐ型層全体に電流が拡散するのを妨げるようになる。この構造は、絶縁基板上に製作されたＬＥＤでは使用することができない。
【００１２】
Nakamura他の米国特許第５６５２４３４号には、絶縁基板上に成長させた窒化物ベースのＬＥＤにおける電流拡散を改善する構造が開示されている。この構造は、絶縁基板上のＬＥＤ構造を含み、基板に隣接するｎ型層と、エピタキシャル層表面のｐ型層とがある。基板が絶縁基板であるので、コンタクトパッドを使用して、基板を介してｎ型層まで電流を拡散することはできない。その代わりに、ＬＥＤ構造の角を、ｐ型層、活性層およびｎ型層の途中までエッチングする。エッチングした領域にコンタクトを堆積し、コンタクトに印加された電流が、相対的に導電性のｎ型材料を通って拡散する。ｐ型層全体に電流を拡散するため、半透過（semi-transparent）な電流拡散層をｐ型層上に堆積させる。ｐ型コンタクトは、拡散層上のｎ型コンタクトとは反対側の角に堆積される。ｐ型コンタクトに印加された電流は、拡散層を通ってその下のｐ型層に広がる。
【００１３】
この構造は、標準サイズのデバイスにおける電流拡散の改善にはなるが、標準サイズよりも大きなＬＥＤで電流を効率的に拡散することはできない。ｐ型層はＬＥＤの表面であるので、拡散層は、放射された光を吸収しないようにできるだけ薄くしなければならない。しかし、拡散層を薄くすればするほど、そのシート抵抗（sheet resistance）は大きくなる。ＬＥＤのサイズが増大するにつれ、増大したシート抵抗が、ｐ型層全体にわたって電流が十分に拡散するのを妨げる。半透過の金属材料を使用し、および／またはその厚さを厚くすることによって、拡散層のシート抵抗を小さくすることができる。しかしこのような変更は、透過度を下げ、光吸収を増大させ、ＬＥＤの光出力を減らすことになろう。
【００１４】
また、ｎ型層の増大した拡散抵抗は、過大な加熱を引き起こし、十分な電流拡散および均一な光出力を妨げる。拡散抵抗を小さくするためには、デバイスサイズの増大につれてｎ型層の厚さを厚くすればよい。しかし、これによって必要な材料およびプロセス時間が大幅に増大する。これらの増大はともに、とてつもなく大きなコスト増をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、新しい電流拡散構造を有する改良されたＬＥＤを提供する。この改良されたＬＥＤは、標準サイズとすることができ、またはより大きなサイズにスケーリングして、パワー出力および光束を増大させることができる。新しい電流拡散構造は、小型ＬＥＤと大型ＬＥＤの両方でｐ型およびｎ型層内における電流拡散を改善する。その結果、ＬＥＤの活性層への正孔および電子の注入が向上し、これにより発光効率が高まり、直列抵抗および加熱が低減する。
【００１６】
新しいＬＥＤは一般に、エピタキシャル成長させたｐ型およびｎ型層、ならびにｐ型層とｎ型層の間にエピタキシャル成長させた活性層を有するＬＥＤコアを含む。ＬＥＤコアに隣接して第１の電流スプレッダ（spreader）層が含まれる。ＬＥＤコアを通してスプレッダ層に達する少なくとも１つの溝が形成され、この溝の中の前記第１のスプレッダ層上に、少なくとも１つの第１の導電性フィンガを有する第１のコンタクトがある。電流は、第１のコンタクトから、導電性フィンガ、第１のスプレッダ層およびＬＥＤコアに流れる。第１の導電性層とは反対側のＬＥＤコア上に、少なくとも１つの第２の導電性フィンガを有する第２のコンタクトが含まれ、電流は、第２のコンタクトから、第２のフィンガおよびＬＥＤコアに流れる。
【００１７】
新しいＬＥＤはさらに、第１のスプレッダ層とは反対側のＬＥＤコア上に第２のスプレッダ層を含むことができる。第２のスプレッダ層は、第２のコンタクト／フィンガとＬＥＤコアの間に配置される。スプレッダ層は、隣接するＬＥＤコア層よりも導電性が高く、これによって電流は、第２のコンタクト／フィンガから第２のスプレッダ層およびＬＥＤコア全体に、より自由に流れることができる。
【００１８】
新しいＬＥＤの一実施形態では、第１のスプレッダ層がｎ型エピタキシャル層であり、第１のスプレッダ層を基板上に成長させて、基板とＬＥＤコアの間に挟まれるようにする。第１のスプレッダ層とは反対側のＬＥＤコアの表面に透過または半透過の第２のスプレッダ層が堆積され、第２のスプレッダ層上に第２のコンタクトおよびそのフィンガが形成される。
【００１９】
ＬＥＤのコンタクトおよび各々の導電性フィンガは、電流の拡散ならびにＬＥＤの活性層中への正孔および電子の注入が向上するように配置される。コンタクトを横切ってバイアスを印加し、各コンタクトから各々の導電性フィンガを通って電流を拡散する。隣接する第１のフィンガと第２のフィンガの間の距離は、ほぼ均一に保たれ、電流がＬＥＤコアを横切って効果的に拡散する程度に十分に小さい。これは、ＬＥＤコアの活性層への均一な電流注入を提供する。新しい電流拡散構造を使用して、新しいＬＥＤを、隣接するフィンガ間の同じ電流拡散関係を維持しながら、従来のＬＥＤよりもずっと大きいサイズにスケーリングすることができる。
【００２０】
ＬＥＤコア上のコンタクトおよびフィンガは、コアの表面全体を覆わず、表面の大部分を光の放射のために残す。その結果、フィンガに厚い低抵抗の金属を使用して、効率的な電流拡散経路を提供することができる。これらのフィンガは、また、第２のスプレッダ層に電流が拡散しなければならない距離を短くする。そのため、電流拡散層の厚さを薄くすることができ、これによって放射された光の吸収が低減する。さらに、ＬＥＤコアへ電流を拡散するための第２のスプレッダ層上に１または複数のフィンガを提供することによって、ＬＥＤのサイズが増大しても、第２のスプレッダ層の厚さを厚くする必要がなくなる。これによって、厚いエピタキシャル層に関連した長いプロセス時間およびコストの増大が回避される。
【００２１】
新しいＬＥＤ構造の利点は、導電性および絶縁基板上のＬＥＤに対して実現される。これは、新しい構造が、基板の種類とは無関係にほぼ均一な電流注入を提供するためである。この構造では、エピタキシャル層の構成を逆にすることもできる。すなわち、ｐ型層を第１のスプレッダの次の層とし、ｎ型層をエピタキシャル面に置くことができる。電流拡散構成は変更しなくてよい。本発明は、デバイスサイズの増大につれてフィンガの数を増やすことによって、十分にスケーラブルなデバイスを提供する。
【００２２】
本発明のこれらの特徴および利点、ならびにその他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、当業者が以下の詳細な説明を読むことによって明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】新しい電流拡散構造を有する標準サイズの新しいＬＥＤの透視図である。
【図２】図１のＬＥＤの平面図である。
【図３】図２の切断線３−３に沿って切った断面図である。
【図４】第２の拡散層上に中央フィンガを、ＬＥＤの周縁の第１の拡散層上にフィンガを含む、新しい電流拡散構造を有する標準サイズの新しいＬＥＤの透視図である。
【図５】図４に示したＬＥＤの断面図である。
【図６】図１に示した新しい電流拡散構造を使用した、スケーリングされた新しい長方形ＬＥＤの平面図である。
【図７】複数のフィンガを組み合わせた新しいＬＥＤ電流拡散構造を使用した新しいＬＥＤの平面図である。
【図８】複数のジクザグ形のフィンガの電流拡散構造を有する新しいＬＥＤの平面図である。
【図９】第２の拡散層上の中央コンタクトから延びる導電経路を形成し、第１の拡散層上のフィンガと協働する、枝路およびフィンガを有する新しいＬＥＤの平面図である。
【図１０】図９のＬＥＤの断面図である。
【図１１】第２の拡散上の中央コンタクトから放射状に延びるフィンガを有する新しいＬＥＤの平面図である。
【図１２】フリップチップ図形の新しい電流拡散構造を有する新しいＬＥＤの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（発明の詳細な説明）
図１〜１２に、改良された電流拡散構造をそれぞれ有する、本発明に基づいて構成された新しいＬＥＤのさまざまな実施形態を示す。これらの新しい構造は、任意の半導体材料システムから形成されたＬＥＤで使用することができるが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイアなどの基板上に製作されたＩＩＩ族窒化物ベースのＬＥＤに特に適用可能である。ＳｉＣは、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物に非常に近い結晶格子の整合を有し、高品質のＩＩＩ族窒化膜が得られる。炭化ケイ素は、さらに非常に高い熱伝導率を有し、そのため、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力パワーが、基板の熱放射によって制限されない（サファイア上に形成したいくつかのデバイスについても同様である）。ＳｉＣ基板は、Durham, North CarolinaのCree Research社から入手可能であり、ＳｉＣ基板を生産する方法は、科学文献、ならびに米国特許第ＲＥ３４８６１号、４９４６５４７号および５２０００２２号に記載されている。
【００２５】
図１、２および３に、基板１２とＬＥＤコア１３の間に挟まれた、第１のスプレッダ層を表す導電層１１を有する新しい正方形ＬＥＤ１０を示す。コア１３は、エピタキシャル成長させた導電層１５と１６の間に挟まれたエピタキシャル成長させた活性層１４を含む。ｎ型またはｐ型に関して、導電層１５はスプレッダ１１と同じ型であり、導電層１６はスプレッダ１１とは反対の型である。好ましい実施形態では、層１５がｎ型、層１６がｐ型、第１のスプレッダ層がｎ型である。
【００２６】
第１のスプレッダ１１は、活性層１４への電流拡散を容易にする厚さおよびドーピング濃度を有する。好ましいドーピング濃度は、１×１０21ｃｍ-3から１×１０15ｃｍ-3であり、好ましい厚さは０．２μｍから１００μｍである。層１１、１４、１５、１６は、ＭＯＣＶＤリアクタにおける成長など従来の方法によって、またはＶＰＥ、ＭＯＣＶＤなどの成長技法を組み合わせることによって基板１２上に製造することができる。
【００２７】
導電層１６上には、第２のスプレッダ層を表す電流拡散層１８が堆積され、導電層１６全体および活性層１４中への電流の拡散を容易にする。この層１８は、導電層１６と同じドーピング型で、第１のスプレッダ１１と同様の厚さおよびドーピング濃度を有するＭＯＣＶＤ成長させた半導体とすることができる。第２のスプレッダ１８は、透過または半透過の導電性材料から形成することもできる。好ましい材料は、総厚が１ｎｍから５０ｎｍの薄い金属または薄い金属の組合せ、あるいはこれらよりも厚くできるＩＴＯなどの透過導体である。
【００２８】
第２のスプレッダ１８上には、２つの第２の導電性フィンガ２０ａおよび２０ｂを有する第２のコンタクト１９が堆積されている。第２のコンタクトおよびフィンガは、導電層の３つの縁に隣接して延び、コンタクト１９とは反対側の縁の手前で止まるＵ字形の経路を形成している。フィンガ２０ａおよび２０ｂの外側の境界は、導電層１６の縁まで延ばすことができ、または導電層１６の縁からいくぶん後退させて、フィンガ２０ａと２０ｂの間に第２のスプレッダ１８の小領域が見えるようにすることもできる。
【００２９】
デバイス全体にわたって均一な電流拡散を強化するため、第１のスプレッダ１１の表面に、第１のコンタクト２１および第１の導電性フィンガ２２が堆積されている。この表面にある領域を確保するため、ＬＥＤコアのセクションが第１のスプレッダ１１までエッチングされ、ＬＥＤコアを貫通した溝／チャネル２３が形成されている。溝の中の第１のスプレッダ上には、第１のコンタクト２１およびフィンガ２２が堆積されている。
【００３０】
ＬＥＤコア１３は、化学エッチング、イオンミルエッチングなどの従来の方法を使用してエッチングすることができる。導電層１８、コンタクト１９、２１およびコンタクトのフィンガは、蒸着、スパッタリング、電気めっきなど、従来の多くの方法によって堆積させることができる。
【００３１】
動作時には、コンタクト１９および２１にバイアスを印加する。コンタクト２１からの電流は、そのフィンガ２２に沿って第１の導電性スプレッダ１１に拡散する。電流は、第１のスプレッダ１１全体に拡散し、キャリアは、層１５を通してＬＥＤ活性領域１４にほぼ均一に注入される。電流は、コンタクト１９からフィンガ２０ａおよび２０ｂに拡散し、次いで第２のスプレッダ層１８全体に広がる。キャリアは、層１６を通してＬＥＤ活性領域１４にほぼ均一に注入される。電子と正孔は、活性層１４で再結合して、ほぼ均一で非常に効率的な発光を行う。
【００３２】
新しいＬＥＤ１０およびその電流拡散構造は、多くの異なる形状およびサイズをとることができる。図１〜３は、標準サイズ（約０．２５ｍｍ2）とすることができ、あるいは標準サイズよりも小さくまたは大きくすることもできる正方形ＬＥＤを示す。ＬＥＤ１０のサイズが増大するにつれ、導電性フィンガ間の距離も増大する。ＬＥＤのサイズは、電流がフィンガから拡散し、活性層に均一な注入を提供することをできるかどうかによって制限される。
【００３３】
好ましい電流拡散フィンガは、区分的に長方形の形状を有する。第２のフィンガの幅は０．１〜３０ミクロン、好ましくは２〜１０ミクロンである。フィンガの幅を広くしたほうが電流を効果的に拡散することができるが、ｐ型層１６から放射された光をより多くブロックし、または吸収してしまう。第１のフィンガの幅は、０．１〜３０ミクロンとすることができる。フィンガの幅を広くすると、ＬＥＤ構造の多くは、エピタキシャル層までエッチングする必要が生じ、光を発することができる活性層の量が低減する。第１のフィンガと第２のフィンガの距離は、５〜５００ミクロンとすることができる。距離が短いほど電流拡散層内の電流拡散は良好になるが、光を吸収するフィンガによってより大きな面積が覆われることになる。フィンガの厚さは０．０５〜３ミクロンとすることができる。フィンガが厚いほど直列抵抗は小さくなるが、製造により多くの時間とコストがかかる。
【００３４】
新しい構造は、従来技術に優る多くの利点を有する。コンタクト１９、２１およびそれらの導電性フィンガ２０ａ、２０ｂ、２２は、直列抵抗の小さい導電材料から作られる。コンタクトからフィンガに流れる電流は、小さな拡散抵抗を流れ、電流を分配する効率的な経路を提供する。さらに電流は、第２のスプレッダ層１８に十分に拡散するのに、電流拡散コンタクト１９およびそのフィンガ２０ａ、２０ｂからはるかに短い距離を広がればよい。その結果、電流拡散層の厚さを薄くすることができ、これによって光の吸収を低減させることができ、第２のスプレッダ１８に半透過材料を使用した場合には光出力が増大する。ｐ型層１６への十分な電流拡散および活性層１４への均一な注入が維持される。エピタキシャルと電流拡散フィンガとの距離は、ほぼ均一でなければならず、各々のドープされた層および活性層１４への均一な電流拡散を保証する。
【００３５】
先に述べたとおり、第２のフィンガ２０ａおよび２０ｂは、ＬＥＤが放射した光の一部を吸収する。また、ＬＥＤコアをエッチングして溝２３を作ることによって、発光に寄与することができるＬＥＤコアのサイズが小さくなる。しかし、活性層１４への均一な電流の注入は、これらの欠点を克服し、その結果、全体的な効率が向上したＬＥＤが得られる。実際、溝２３は、全体的な光出力を向上させる可能性がある。これは、光が、ＬＥＤの活性層１５から全方向に放射されるためである。平坦な表面を有するＬＥＤでは、ある割合の光がＬＥＤの表面で反射され、完全な内部反射となる。最終的には光は吸収されるか、またはＬＥＤの側面から外部に逃れ出る。ＬＥＤ構造をエッチングして１または複数の溝を提供することによって、ＬＥＤの内部で反射した光が溝に達し、逃れ出る機会が増大する。これによって、光が吸収されることなく外部に現れ、照明に寄与する確率が高まる。
【００３６】
図４および５に、図１〜３のＬＥＤと同様の新しいＬＥＤ４０の他の実施形態を示す。このＬＥＤは、同じ基板１２および第１のスプレッダ層１１を有する。また、ＬＥＤは、同様のＬＥＤコア４１、およびＬＥＤコアの導電層４３上に堆積させた第２のスプレッダ層４２を有する。
【００３７】
しかしこの実施形態では、第１のコンタクトおよびフィンガが第１のスプレッダ層１１の縁から電流を拡散し、第２のコンタクトおよびフィンガが第２のスプレッダ層４２の中央から電流を拡散する。ＬＥＤコア４１は、ＬＥＤの周囲のうち３辺が第１のスプレッダ層１１までエッチングされている。第１のスプレッダ層１１において中間の辺の中点のところに第１のコンタクト４４が堆積されている。第１のスプレッダ層１１には第１のフィンガ４５ａおよび４５ｂが堆積されており、エッチングされた縁に沿って第１のコンタクト４４から反対方向に走っている。電流は、第１のコンタクト４４からそのフィンガ４５ａおよび４５ｂを通って、第１のスプレッダ層の周辺部に拡散する。第２のスプレッダ層４２において第１のコンタクト４４とは反対側の縁には、第２のコンタクト４６が堆積されている。第２のコンタクト４６は、第２のスプレッダ層に堆積された１つの導電性フィンガ４７を有し、コンタクト４６からエピタキシャル層コンタクト４４の方向にＬＥＤの中心線の大部分に沿って走る。
【００３８】
ＬＥＤ４０は、ＬＥＤ１０と同じ電流拡散の利点を有する。電流は、コンタクト４４および４６から、直列抵抗の小さいそれぞれの導電性フィンガを通して拡散する。第１のコンタクト４４およびそのフィンガ４５ａおよび４５ｂからの電流は、第１のスプレッダ層１１を通ってＬＥＤコア４１まで拡散する。第２のコンタクト４６およびそのフィンガ４７からの電流は、第２のスプレッダ層４２およびＬＥＤコア４１に拡散する。ＬＥＤ１０と全く同様に、ＬＥＤコア４１全体をカバーするために、フィンガ４７から第２のスプレッダ層４２を通って電流が拡散すべき距離は、短縮される。その結果、第２のスプレッダ層４２の厚さを薄くすることができ、これによって光の吸収が低減する。第２のフィンガ４７と第１のフィンガ４５ａおよび４５ｂとの距離は、両者がオーバーラップした区間でほぼ均一であり、その結果、ＬＥＤコアの活性層５０への電流注入がより均一になる。
【００３９】
新しい電流拡散構造の重要な利点は、より大きなＬＥＤ上で使用しても、改良された電流の拡散が維持されることである。図６に、図１、２および３のＬＥＤ１０と同様の電流拡散構造を有する新しいＬＥＤ６０を示す。ＬＥＤ６０は、基板、第１のスプレッダ層、ＬＥＤコア（以上は図６では見ることができない）、および第２のスプレッダ層６１を有する。これらは全てＬＥＤ１０のものと同様である。ＬＥＤコアの一部は、第１のスプレッダ層までエッチングされ、そこにｎコンタクト６２およびフィンガ６３が堆積されている。第２のスプレッダ層６１には、第２のコンタクト６４およびその導電性フィンガ６５ａ、６５ｂも堆積されており、フィンガはＬＥＤの周辺に沿って走っている。
【００４０】
ＬＥＤ６０は、ＬＥＤ１０よりも大きく、その２辺６６および６７の長さが延長された長方形の形状を有する。第１のフィンガ６３および第２のフィンガ６５ａ、６５ｂの長さを、辺６６および６７の長さの延長分と同じだけ延長することによって、改良された電流拡散は、維持される。第１のフィンガ６３と第２のフィンガ６５ａ、６５ｂとの距離は、両者がオーバーラップした区間で均一に維持する。ＬＥＤコア全体をカバーするために第２のフィンガ６５ａおよび６５ｂから電流拡散層６１を通って電流が拡散すべき距離も依然として一定である。同様に、第１のフィンガ６３から第１のスプレッダ層を通って電流が拡散すべき距離も依然として一定である。辺６６および６７の長さをさらに長くする場合には、フィンガ間の電流関係を維持するためにフィンガの長さも長くしなければならない。
【００４１】
図４および５に示した設計に基づいて、同様の長方形ＬＥＤを製作することができる。これらのデバイスでも同様に、長方形ＬＥＤ内の電流の拡散を均一にするために、電流拡散構造中のフィンガの長さを長くしなければならない。
【００４２】
ＬＥＤ６０の追加の利点は、同じ表面積の正方形ＬＥＤよりも効率的に熱を散逸させることである。ＬＥＤ６０の内部で発生した熱は、より短い距離を伝わってその辺の１つに到達し散逸することができる。
【００４３】
従来技術に優る本発明の他の重要な利点は、第１のスプレッダ層の厚さに関係する。この層は、普通ｎ型エピタキシャル層であり、電流がコンタクトから第１のスプレッダ層を通って拡散する従来のＬＥＤでは、ＬＥＤサイズの増大は、第１のスプレッダ層の厚さを厚くして、その直列抵抗を小さくすることを要求する。第１のコンタクトから１または複数の第１の導電性フィンガを通って電流を拡散することによって、直列抵抗の増大が回避される。第１のスプレッダ層の厚さを同じにすることができ、潜在的なプロセス時間およびコストの増大が回避される。
【００４４】
導電性フィンガ間の電流拡散関係を維持しながらＬＥＤをスケーリングする他の方法は、ＬＥＤの面積を大きくするごとにフィンガの数を増やす方法である。図７に、図１〜５に示したＬＥＤ１０および４０よりも大きな表面積を有するＬＥＤ７０を示す。ＬＥＤ７０は、同様の基板、第１のスプレッダ層、ＬＥＤコア（以上は図７では見ることができない）、および第２のスプレッダ層７１を有する。表面積を大きくするにつれて第１および第２のフィンガの数を増やし、一方で、隣接するフィンガ間の均一な距離を維持する。
【００４５】
第１および第２のコンタクト７２および７３は、多くの異なる形状およびサイズを有することができる。好ましい第２のコンタクト７３は円形であり、ＬＥＤの縁の１つに近く、第２のスプレッダ層７１に堆積される。導電性枝路７４の２つの部分は、第２のスプレッダ層７１の上を、隣接するＬＥＤの縁に平行にコンタクト７３から互いに反対方向に走っている。多数の導電性フィンガ７５は、第２のスプレッダ層７１の上を枝路７４から直角に延びている。ＬＥＤコアをエッチングして、第１のコンタクト７２に対して第１のスプレッダ層に領域を提供し、第１のフィンガ７６に対して溝を提供する。好ましい第１のコンタクト７２は正方形であり、第１のスプレッダ上の、ｐコンタクト７３とは反対側の縁の中央に堆積される。ＬＥＤの縁に沿って第１のコンタクト７２から枝路７２ｂが延びている。枝路７２ｂから枝路７４に向かって直角にフィンガ７６が延びている。第２のフィンガと第１のフィンガ７５、７６の距離はほぼ均一に維持され、ＬＥＤの活性層へのほぼ均一な注入を提供できる程度に十分に小さい。したがって、たとえ標準サイズのＬＥＤより大きくても、ＬＥＤ７０は、上記の実施形態と同じ電流拡散の利点を享受する。
【００４６】
図８に、第１および第２のフィンガがジクザグ形の導電性経路を形成する新しいＬＥＤ８０の他の実施形態を示す。ＬＥＤ８０は、基板から第２のスプレッダ層まで上記の実施形態と同じ層構造を有する。第２のスプレッダ層８２においてＬＥＤの角に、円形の第２のコンタクト８１が堆積されている。第２のスプレッダ層には導電性枝路８３も堆積されており、コンタクト８１からＬＥＤ表面の２辺に沿って走っている。第２のスプレッダ層８２において、枝路８３からＬＥＤ８０を斜めに横切って、ジクザグ形の第２の導電性フィンガ８４が走っている。フィンガ８４は、枝路８３から直角に突き出し、次いで、ＬＥＤ８０を横切るにしたがい交互に直角に曲がっている。フィンガが短いほど直角に曲がる回数は少ない。
【００４７】
ＬＥＤ８０を第１のスプレッダ層までエッチングして、第１のコンタクト８５、その枝路８６およびそのジグザグ形のフィンガ８７に対する溝を提供する。第１のコンタクト８５は、第１のスプレッダ層上の、第２のコンタクト８１とは反対側のＬＥＤの角に堆積される。導電性枝路８６が第１のスプレッダ層に堆積され、電流拡散層枝路８３がカバーしていない残りの２辺に沿って第１のコンタクト８５からＬＥＤ８０の周辺に沿って走る。電流拡散層フィンガ８４と同じ形状を有する第１のジクザグ形フィンガ８７が、第１のスプレッダ層のフィンガ８４に堆積され、第１のフィンガと第２のフィンガとの距離は、両者がオーバーラップする区間でほぼ均一である。この概念に対する代替実施形態では、曲線状のフィンガを使用して、直角ではなく丸みを帯びたコーナを有するジクザグ形のパターンを生成することもできる。
【００４８】
この構造は、直列抵抗が低いこと、スケーリングが可能であること、およびより薄い電流拡散層を使用できることを含む、上記の実施形態の電流拡散に関する利点を全て有する。ＬＥＤ構造にエッチングされた第１のフィンガ８７に対するジクザグ形の溝は、ＬＥＤ８０から放射される光の割合を高める働きもする。溝の縁は、上記の実施形態よりも変化に富み、これによって内面反射光が外部に漏れ、ＬＥＤの発光に寄与する可能性が増大する。
【００４９】
図９および１０に、上記実施形態と同じ層構造を有する新しいＬＥＤ９０の他の長方形実施形態を示す。第２のスプレッダ層９２の中央に第２のコンタクト９１が堆積されており、導電性枝路９３の２つの部分が、コンタクト９１からＬＥＤの縦の中心線に沿って第２のスプレッダ層を反対方向に走っている。多数の導電性フィンガ９４は、枝路９３の両側からＬＥＤの縁に向かって直角に突き出している。ＬＥＤの第１のスプレッダ層に電流を拡散するため、ＬＥＤ構造は、周辺が第１のスプレッダ層までエッチングされている。第１のスプレッダ層のＬＥＤの縁には、第１のコンタクト９５が堆積されている。第１のスプレッダ層のＬＥＤの周辺全体に、第１の枝路９６が堆積され、コンタクト９５から続く連続した導電性ループを提供する。ＬＥＤ構造の第２のフィンガ９４の間に溝がエッチングされ、周辺から枝路９３に向かって直角にエッチングされている。溝の中の第１のスプレッダ層には、第１のフィンガ９７が堆積されており、第１の枝路９６から延びる導電性経路を提供する。隣接する第１のフィンガと第２のフィンガとの距離は、両者がオーバーラップする区間でほぼ均一であり、この実施形態は、上記の実施形態と同じ電流拡散に関する利点を有する。
【００５０】
図１１に、上記の実施形態と同じ層構造を有する新しいＬＥＤ１１０の他の実施形態を示す。ＬＥＤの第２のスプレッダ層１１２の中央に、第２のコンタクト１１１が堆積されている。導電性フィンガ１１３は、第２のスプレッダ層１１２上をコンタクト１１１からＬＥＤの縁に向かって放射状に延びている。フィンガ１１３の起点間の距離は均一である。コンタクト１１１から放射状に外側へ延びるにつれて、隣接するフィンガ間の距離は広がる。この距離が大きくなりすぎて、第２のスプレッダ層１１２に効果的に電流を拡散することができなくなると、フィンガ１１３は、２本のフィンガ１１４に分かれる。
【００５１】
ＬＥＤは、その周辺を第１のスプレッダ層までエッチングされ、第１のコンタクト１１５およびその周辺枝路１１６を提供する。ＬＥＤは、さらにエッチングされて、第２のフィンガ１１３の間を、第２のコンタクト１１１の方向へ延びる導電性経路を形成する第１のフィンガ１１７を提供する。フィンガ１１４の分割セクションが十分に長い場合には、第１のフィンガは、セクションとセクションの間に含まれる。
【００５２】
隣接する第１のフィンガと第２のフィンガとの距離は、以前の実施形態よりも変化する。しかしこの距離は依然として、ＬＥＤ１１０が以前の実施形態と同じ電流拡散の利点を有することができる程度には十分に均一である。この実施形態は、より大きなサイズにスケーリングすることができる。表面積を大きくするにつれ、第２のフィンガをさらに分割することができ、これらの分割セクションの間には別の第１のフィンガが含まれる。
【００５３】
上記の実施形態を透過基板上に成長させ、フリップチップ（flip-chip）装着することもできる。図１２に、透過基板１２３に成長させたＬＥＤ１２０を示す。ＬＥＤ１２０は、図４のＬＥＤ４０と同様の構造を有する。ＬＥＤ１２０は、第１のスプレッダ層１２６上のＬＥＤコア１３０、および第１のスプレッダ層とは反対側のＬＥＤコアにおける第２のスプレッダ層１２４を含む。ＬＥＤは、結合媒体１２１の使用によってサブマウント１２２に装着されている。結合媒体１２１は、第２のスプレッダ１２４（図１２に示す）または第２のスプレッダ上のコンタクトパッドを、サブマウントと結合媒体１２１との間にある導電層の第１のセクション１２７に接続する。導電層１２７に印加されたバイアスによって、電流は、第２のスプレッダ１２４およびＬＥＤの活性領域に送られる。さらに、導電層の第２のセクション１２８（またはコンタクト）が、サブマウント上にあり、第２の結合媒体１２５が、第１のスプレッダ１２６上の第１のコンタクト１２９を導電層１２８に接続する。導電層１２８に印加されたバイアスによって、電流を第１のコンタクト１２９に送り、第１のコンタクト１２９は、この電流を、第１のフィンガ１３１を通って第１のスプレッダ１２６に送る。第１のフィンガは、第１のスプレッダ層の周辺に配置されている。導電層１２７と１２８は、サブマウント１２２によって電気的に分離されており、ＬＥＤパッケージの接続ポイントの働きをする。
【００５４】
この構造の利点の１つは、ＬＥＤの発熱位置が結合界面１２１に近く、熱がサブマウント１２２に効果的に伝達されるため、ＬＥＤが、より良好な放熱性（heat sinking）を有することである。サブマウントは高い熱伝導率を有することができ、ＬＥＤチップ基板１２３よりも表面積が大きい。さらに、第２のスプレッダ層１２４に対して半透過層を使用する場合には、フリップチップ図形によって、反射器を半透過層と一体化して、第２のスプレッダ１２４の全体的な光損失を低減し、基板１２３に向かって光を反射させることができる。
【００５５】
反射器は、第２のスプレッダを覆って配置されるので、第２のコンタクトおよびフィンガは放射された光を一切吸収しない。第２のコンタクトおよびフィンガの厚さを厚くして、放射された光を吸収する恐れなしに直列抵抗を小さくすることができる。また、反射面が導電性である場合には、結合媒体１２１を反射器の表面全体に取り付けることができ、構造全体の熱伝導度を増大させることができる。
【００５６】
上記の実施形態は、使用する材料システムに応じて、導電性基板ならびに絶縁基板上に成長させることができる。炭化ケイ素などの導電性基板上に形成されたＬＥＤでは、通常コンタクトは、エピタキシャル層とは反対側の導電性基板の表面に直接に堆積される。コンタクトパッドに印加された電流は、基板を通してｎ型層に拡散し、ｎ型層は、活性層へのほぼ均一な電子の注入を提供する。あるいは、先に記載したのと同様のやり方で、ＬＥＤコアをエッチングし、必要ならばエッチングを導電性基板まで進めることもできる。基板が導電性基板である場合には、基板を第１のスプレッダの一部と考えることができる。
【００５７】
伝統的な基板コンタクトパッドの代わりに、コンタクトフィンガのアレイを使用することによって、ダイオードの直列抵抗を小さくすることができる。第１に、基板とは反対側の第２のスプレッダに対して最適な材料を使用することができるので、接触抵抗を小さくすることができる。第２に、基板に接触するのに比べて、活性領域に到達するまでに電流が移動しなければならない距離は、はるかに短く、多くの並行経路を有し、直列抵抗はさらに小さくなる。材料およびコンタクトの詳細は、どの方法が抵抗を最も低くするかを決定する。
【００５８】
本発明を、いくつかの好ましい構成を参照して詳細に説明してきたが、他の構成も可能である。導電性フィンガは、多くの異なる形状およびパターンを有することができ、ＬＥＤ層にさまざまな方法で堆積させることができる。したがって、上記の請求項の趣旨および範囲は、それに含まれる好ましいバージョンに限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月25日(2014.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層、
エピタキシャル成長させたｎ型層、および
前記ｐ型層とｎ型層の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層
を有するＬＥＤコアと、
前記ＬＥＤコアに隣接した第１のスプレッダ層と、
前記ＬＥＤコアを通して前記第１のスプレッダ層に達する少なくとも１つの溝と、
前記少なくとも１つの溝の中の前記第１のスプレッダ層の上に少なくとも１つの第１の導電性フィンガを有する第１のコンタクトであって、前記第１のコンタクトから、前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ、前記第１のスプレッダ層および前記ＬＥＤコアに電流が流れるようにした第１のコンタクトと、
前記第１のスプレッダ層とは反対側の前記ＬＥＤコアの上に少なくとも１つの第２の導電性フィンガを有する第２のコンタクトであって、前記第２のコンタクトから、前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガおよび前記ＬＥＤコアに電流が流れるようにした第２のコンタクトと
を備えたことを特徴とするスケーラブルＬＥＤ。
【請求項２】
前記第１のスプレッダ層は、ｎ型エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項３】
前記ｎ型層は、前記第１のスプレッダ層に隣接していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項４】
前記第２のコンタクトおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、前記ｐ型層上にあることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガは、それらの長さの一部分について概ね平行であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガは、それらの長さの一部分について、およそ互いに均一な距離にあり、前記ＬＥＤコアに均一な電流注入を行うことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項７】
前記第１のスプレッダ層に隣接し、前記ＬＥＤコアとは反対側に設けた基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項８】
前記基板は、導電性基板であることを特徴とする請求項７に記載のＬＥＤ。
【請求項９】
前記第１のスプレッダ層とは反対側の前記ＬＥＤコアに第２のスプレッダ層をさらに備え、前記第２のコンタクトおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、前記第２のスプレッダ層に堆積され、前記第２のコンタクトに印加された電流が、前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガに拡散し、前記第２のスプレッダ層を通じて、前記ＬＥＤコアに拡散することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ。
【請求項１０】
前記第２のスプレッダ層は、透過導体であることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１１】
前記第２のコンタクトおよび少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第１のコンタクトおよび前記第１の導電性フィンガが、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１２】
前記第１のコンタクトおよび少なくとも１つの導電性フィンガは、概ねＵ字形の導電性経路を形成し、前記第２のコンタクトおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガが、前記Ｕ字形経路内に細長い導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、それぞれ複数の第１および第２の導電性フィンガと、前記ＬＥＤの一つの縁に近い前記第２のコンタクトと、反対側の縁に近い前記第１のコンタクトとを含み、前記第２の導電性フィンガが、前記第２のコンタクトから前記反対側の縁に向けて複数の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガが、前記第１のコンタクトから前記第２のコンタクトに向けて、前記第２の導電性フィンガ間に櫛形に交互に並ぶ複数の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、それぞれ複数の第１および第２の導電性フィンガを含み、前記第２のコンタクトは、前記電流拡散層の中央近くに位置し、前記第２の導電性フィンガは、前記第２のコンタクトから前記ＬＥＤの縁に向けて導電性経路を形成し、前記第１の導電性フィンガは、前記第１のコンタクトから前記第２のコンタクトに向けて、前記第２の導電性フィンガ間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、それぞれ複数の第１および第２の導電性フィンガを含み、前記第２のコンタクトは、前記電流拡散層の中央に位置し、前記コンタクトから前記ＬＥＤの中心線に沿ってそれぞれ反対方向に延びる導電性経路を形成する２つの導電性枝路をさらに備え、前記第２の導電性フィンガが、前記枝路に概ね直角な導電性経路を形成し、前記第１のフィンガが、前記第１のコンタクトおよび前記ＬＥＤの縁から前記枝路に向けて、前記第２のフィンガ間に櫛形に交互に並ぶ導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガおよび前記少なくとも１つの第２の導電性フィンガは、それぞれ複数の第１および第２の導電性フィンガを含み、前記第２のフィンガは、前記第２のコンタクトから延びる概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成し、前記第１のフィンガは、前記第１のコンタクトから延び、前記第２のジクザグ形フィンガの間に櫛形に交互に並ぶ概ね平行なジクザグ形の導電性経路を形成していることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ。
【請求項１７】
フリップチップ実装を使用し、改良された電流拡散構造を有するスケーラブル発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、
エピタキシャル成長させたｐ型層、
エピタキシャル成長させたｎ型層、および
前記ｐ型層とｎ型層の間に設けられたエピタキシャル成長させた活性層
を有するＬＥＤコアと、
前記ＬＥＤコアに隣接した第１のスプレッダ層と、
前記ＬＥＤコアを通して前記第１のスプレッダ層に達する少なくとも１つの溝と、
前記少なくとも１つの溝の中の前記第１のスプレッダ層の上に少なくとも１つの第１の導電性フィンガを有する第１のコンタクトであって、前記第１のコンタクトから、前記少なくとも１つの第１の導電性フィンガ、前記第１のスプレッダ層および前記ＬＥＤコアに電流が流れるようにした第１のコンタクトと、
前記ＬＥＤコアに隣接し、前記第１のスプレッダとは反対側に設けた第２のスプレッダ層と、
２つの個別のセクションを有する導電層であって、該導電層の第１のセクションを前記第２のスプレッダに結合した導電層と、
前記導電層の前記第１のセクションに隣接し、前記第２のスプレッダとは反対側に設けたサブマウントであって、前記導電層の第２のセクションも前記サブマウントに隣接するようにしたサブマウントとを備え、前記ＬＥＤは、前記第２のセクションと前記コンタクトとの間に導電材料をさらに備え、前記導電層の第１および第２のセクションに印加されたバイアスによって前記ＬＥＤコアを発光させるようにしたことを特徴とするスケーラブルＬＥＤ。
【請求項１８】
前記第１のスプレッダ層に隣接し、前記ＬＥＤコアとは反対側に設けた基板をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。
【請求項１９】
前記基板は、透過または半透過基板から作られており、前記ＬＥＤコアによって生成された光の主放射面であることを特徴とする請求項１８に記載のＬＥＤ。
【請求項２０】
前記第２のスプレッダ層は、半透過材料から作られており、ＬＥＤコアからの光を前記基板に向けて反射する反射器をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。
【請求項２１】
前記導電層の第１のセクションと前記第２のスプレッダとの間に結合媒体をさらに備え、前記導電材料が結合媒体を備えたことを特徴とする請求項１７に記載のＬＥＤ。