(57)【要約】単位面積当たり有利な出力を有する発光ダイオードを開示する。このダイオードは、１００，０００平方ミクロン未満の面積を含み、４．０ボルト未満の順方向電圧で動作し、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束を生成し、約３９５及び５４０ナノメートルの間の主波長において発光する。
2008514030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位面積当たり有利な出力を有する発光ダイオードであって、
１２５，０００平方ミクロン以下の面積と、
４．０ボルト未満の順方向電圧と、
２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２７ミリワットの放射束と、
約３９５〜５４０ナノメートルの間の主波長と
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の発光ダイオードにおいて、該発光ダイオードは、
１００，０００平方ミクロン以下の面積と、
２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束と
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
請求項２記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５０〜４８０ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】
請求項２記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５５〜４６５ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】
請求項２記載の発光ダイオードであって、２０ミリアンペアの駆動電流において、少なくとも２７ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
請求項２記載の発光ダイオードであって、前記ダイオードの対向するそれぞれの垂直面上にオーミック・コンタクトを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項７】
請求項２記載の発光ダイオードであって、少なくとも１つの導電性炭化珪素層を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項８】
請求項２記載の発光ダイオードであって、ＩＩＩ族窒化物で形成された少なくとも１つのアクティブ層を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
請求項８記載の発光ダイオードにおいて、前記アクティブ層は、窒化ガリウム、窒化インディウム・ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及び窒化アルミニウム・インディウム・ガリウムから成る群から選択されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
請求項２記載の発光ダイオードであって、５ｍｍパッケージに収容されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１１】
請求項２記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１２】
請求項２記載の発光ダイオードを含むことを特徴とする画素。
【請求項１３】
請求項１２記載の画素を含むことを特徴とするディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１記載の発光ダイオードであって、
１００，０００μ２未満の面積を有するダイと、
前記ダイを封入する５ｍｍパッケージと、
約４２０〜４６５ｎｍの間の波長及び２０ミリアンペアの駆動電流において、４５％よりも大きな外部量子効率と
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１５】
請求項１４記載の発光ダイオードにおいて、前記パッケージは、少なくともダイ・カップを含み、前記アクティブ層は、前記ダイ・カップに隣接し、前記基板は前記ダイ・カップから離れて向かい合っていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１６】
請求項１５記載の発光ダイオードにおいて、約４２０〜４６０ｎｍの間の波長において、外部量子効率が５０％よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１７】
請求項１６記載の発光ダイオードにおいて、約４００〜４８０ｎｍの間の波長における外部量子効率が４０％よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１８】
請求項２記載の発光ダイオードであって、
５ｍｍ（Ｔ１-3/4）ポリマ・パッケージと、
前記パッケージ内にあり、面積が１００，０００平方ミクロン未満のダイと
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１９】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５０〜４８０ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２０】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５５〜４６５ナノメートルであることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２１】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、２０ミリアンペアの駆動電流において、少なくとも２７ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２２】
請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、フリップ・チップ配向を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２３】
単位面積当たり有利な出力を有する発光ダイオードであって、
約３９５〜５４０ｎｍ間の主波長、４．０ボルト未満の順方向電圧、及び２０ミリアンペアの駆動電流において、１平方ミリメートル当たり少なくとも２７０ミリワットの単位面積放射束
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２４】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２５】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３００ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２６】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３３０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２７】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３６０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２８】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３９０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２９】
請求項２３記載の発光ダイオードであって、導電性基板と、ＩＩＩ族窒化物アクティブ層とを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３０】
請求項２９記載の発光ダイオードにおいて、前記基板が炭化珪素から成ることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３１】
請求項２９記載の発光ダイオードにおいて、前記アクティブ層は、窒化ガリウム、窒化インディウム・ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及び窒化アルミニウム・インディウム・ガリウムから成る群から選択されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３２】
請求項２３記載の発光ダイオードであって、
導電性炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上にあり、該基板と共にダイを規定する、ｐ型及びｎ型それぞれのＩＩＩ族窒化物層と、
前記炭化珪素基板及び前記ＩＩＩ族窒化物層に対して垂直に配向されているオーミック・コンタクトと、
４５５〜４６５ｎｍの間の主波長と、
前記基板、前記ＩＩＩ族窒化物層、及び前記オーミック・コンタクトの一部を封入するポリマ・パッケージと、
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３３】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、前記パッケージが５ｍｍパッケージであることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３４】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板が、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプから成る群から選択されたプロトタイプを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３５】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、４．０ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３６】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３７】
請求項３４記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３００ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３８】
請求項３５記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３３０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３９】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３６０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４０】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３９０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関し、特に、炭化珪素基板上にＩＩＩ族窒化物のアクティブ部分が形成さたＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光技術
多くの用途に向けられる発光デバイスは、数種類の広い分類に分けられる。白熱照明は、金属フィラメントを加熱することによって、通常では金属フィラメントに電流を通すことによって生成する。加熱されたフィラメントは光を放出する。家庭用及びその他の室内用照明は、広く行き渡っている白熱照明の用途の１つである。「ハロゲン」照明は、全体的に同じ原理で作用するが、効率が高い。蛍光発光は、蒸気（通例、水銀を含有する）を印加電位差で励起することによって発生する。次いで、励起した蒸気から放出される光子が燐光体（蛍光体）に衝突して可視光を放出する。蛍光発光も、家庭、事務所、及び種々のその他の用途において広く行き渡っている。
【０００３】
発光ダイオード
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ｐ−ｎ接合半導体ダイオードであり、順方向にバイアスされると、光子を放出する。つまり、発光ダイオードが生成する光は、半導体材料における電子の移動に基づく。したがって、ＬＥＤは、蒸気も燐光体も必要としない（しかし、これらと共に用いることはできる）。これらは、殆どの半導体系デバイスにおける所望の特性を共有しており、高効率（それらの放出には熱が殆ど又は全く含まれない）、高信頼性、及び長寿命が含まれる。例えば、典型的なＬＥＤの故障間平均時間は、約１００，０００〜１，０００，０００時間の間であり、ＬＥＤの控えめな半減期でも、約５０，０００時間である。
【０００４】
具体的には、ＬＥＤが放出する光の周波数は、材料における許容エネルギ・レベル間におけるエネルギ差、即ち、バンドギャップと呼ばれる特性に基づいている（一方、周波数は、周知の物理法則にしたがって、波長及び色に直接関係する）。バンドギャップは、半導体材料及びそのドーピングの基礎的な固有特性(property)である。つまり、シリコン（Ｓｉ：バンドギャップは１．１２電子ボルト（ｅＶ））に形成されたＬＥＤは、スペクトルの赤外線部分においてエネルギ遷移を有する。このため、シリコン系ダイオードは、人の目に対する可視性が重要でないか、又は特別に望まれない低コスト・センサのような品目に用いられる。ガリウム砒素（バンドギャップは１．４２ｅＶ）に形成されたＬＥＤ、又は更に一般的に、シリコン系砒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）に形成されたＬＥＤは、スペクトルの可視部分で発光するが、赤外線や赤色及び黄色光を生成するような低い周波数帯である。
【０００５】
一方、緑、青、及び紫外線（ＵＶ）光子は、可視スペクトル以内の（及びこれを超える）高い周波数の色を表すので、これらは、バンドギャップが少なくとも約２．２ｅＶのＬＥＤでなければ生成できない。このような材料は、ダイアモンド（５．４７ｅＶ）、炭化珪素（２．９９ｅＶ）、及びＧａＮ（３．４ｅＶ）のようなＩＩＩ族窒化物を含む。緑、青、又は紫外線光自体を生成することに加えて、バンドギャップが広いＬＥＤを赤色及び緑色ＬＥＤと組み合わせて、白色を生成することができ、蛍光体と組み合わせ、青色光又はＵＶ光あるいは双方によって励起させて白色光を生成することができる。
【０００６】
様々な理由のために、ＩＩＩ族窒化物組成（即ち、周期表のＩＩＩ族）、特に、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮは、青色発光ＬＥＤには特に有用である。１つの利点をあげると、これらは「直接」エミッタ（発光器）であることであり、バンドギャップ間を渡る電子遷移が発生すると、エネルギの多くが光となって放出されることを意味する。比較すると、「間接」エミッタ（炭化珪素のような）は、そのエネルギを部分的に光（光子）として放出し、大部分を振動エネルギ（光子）として放出する。したがって、ＩＩＩ族窒化物では、間接遷移材料を越えた、効率上の利点が得られる。
【０００７】
別の利点をあげると、三元又は四元ＩＩＩ族材料（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ）のバンドギャップは、含まれるＩＩＩ族元素の原子分率によって左右される。つまり、発光の波長（色）は、三元又は四元窒化物における各ＩＩＩ族元素の原子分率を制御することにより（制限内の範囲で）自由に選ぶことができる。
【０００８】
しかしながら、広バンドギャップ半導体は、以前から、ガリウム砒素又は燐化ガリウム（ＧａＰ）よりも、生産及び加工が困難であった。その結果、ＵＶ発光ＬＥＤは、ＧａＰ系ＬＥＤよりも市場への登場が遅れている。例えば、炭化珪素は物理的に非常に硬質であり、溶解フェーズ（相）がなく、エピタキシャル又は昇華成長のためには高温が必要となる（約１５００〜２０００℃程度）。ＩＩＩ族窒化物は、その融点において、比較的大きな窒素蒸気圧を有し、このため溶融物から成長することが同様に困難又は不可能である。加えて、ｐ型窒化ガリウム（及びその他のＩＩＩ族窒化物）を得ることが困難であるために、長年にわたってダイオードの生産に対する障壁となっていた。このため、青色及び白色発光ＬＥＤが市販されるようになったのは、ＧａＰ系及びＧａＡｓ系ＬＥＤの対応する市販よりも最近のことである。
【０００９】
しかしながら、更に最近の開発に基づいて、ＩＩＩ族窒化物に基づく青色ＬＥＤ及び派生的な白色発光ソリッド・ステート・ランプが、ソリッド・ステート照明用途において、徐々に広まりつつある。
【００１０】
出力光の品質
比較及びその他の関連する目的のために、照明は通例その出力で定量化されている。典型的な測定単位の１つにルーメンがあり、１カンデラ（ｃｄ）強度の均一点光源によって単位立体角で放出された光に等しい光束の単位と定義されている。一方、カンデラは、国際単位系における光強度の基本単位であり、周波数５４０×１０１２の単色光線を放出する光源の所与の方向における光強度に等しく、その方向に単位立体角当たり１／６８３の放射強度を有する。
【００１１】
ルーメンを測定単位として用いると、１２００〜１８００ルーメンの強度は、白熱電球に典型的であり、１０００〜６０００ルーメン（状況によって異なる）は、自然の白昼光において典型的である。しかしながら、発光ダイオードは、強度が遥かに小さく、例えば、約１０〜１００ルーメン程度である。理由の１つに、そのサイズが小さいことがあげられる。このため、単一（又は小集団）のＬＥＤに合う用途は、以前より、照明（読むためのランプ）ではなく、指示（例えば、ハンドヘルド計算機のレジスタ）に重点が置かれていた。青色ＬＥＤ及び対応する白色発光デバイスが利用可能となって、照明の目的のためのこのようなＬＥＤの市場入手可能性が広がったが、所望の出力を得るためには、数個（又はそれ以上）のＬＥＤを纏めて使用しているのが通例である。
【００１２】
ＬＥＤは、その典型的なサイズ及び構造のために、ルーメン以外の単位で出力を測定する場合が多い。加えて、ＬＥＤの出力は、印加電流にも左右され、一方印加電流はダイオード間に印加される電位差によって左右される。このため、ＬＥＤの出力は、その放射束（Ｒｆ）と呼ばれることが多く、標準的な２０ミリアンペア（ｍＡ）の駆動電流におけるミリワット（ｍＷ）単位で表される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特に、青色ＬＥＤ及びそれらに関係する派生デバイスは、増々消費者用電子デバイス、特に小型ディスプレイに含まれる頻度が高くなりつつある。広く普及している例には、コンピュータ画面、パーソナル・ディジタル・アシスタント（「ＰＤＡ」）、及びセルラ・フォンが含まれる。一方、これらの小型デバイスのため、サイズ（「フットプリント」）を縮小したＬＥＤが求められることになった。しかしながら、このようなＬＥＤであっても、低順方向電圧（Ｖｆ）及び高光出力で動作しなければならないことに変わりはない。今日まで、残念ながら、ＩＩＩ族窒化物デバイスのサイズを縮小すると、その順方向電圧が増大し、その放射束が減少する傾向があった。
したがって、広バンドギャップ材料内に形成した小型ＬＥＤの出力を連続的に改善することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
要約すると、本発明は、小型で、順方向電圧が低く、光出力が大きい発光ダイオードである。
別の態様では、本発明は、単位面積当たり有利な出力を有する発光ダイオードである。このダイオードは、１００，０００平方ミクロン未満の面積、４．０ボルト未満の順方向電圧、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束、ならびに約３９５及び５４０ナノメートルの間の主波長を含む。
【００１５】
別の態様では、本発明は、１００，０００μ２未満の面積を有するダイと、ダイを封入する５ｍｍパッケージと、４．０ボルト未満の順方向電圧と、約４２０及び４６５ｎｍの間の波長、及び２０ミリアンペアの駆動電流において、４５パーセント（４５％）よりも大きな外部量子効率とを有する。
別の態様では、本発明は、５ｍｍ（Ｔ１-3/4）ポリマ・パッケージと、パッケージ内にあり、面積が１００，０００平方ミクロン未満のダイと、４．０ボルト未満の順方向電圧と、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束と、約３９５及び５４０ｎｍの間の主波長とを含む発光ダイオードである。
【００１６】
別の態様では、本発明は、導電性炭化珪素基板と、炭化珪素基板上にあり、該基板と共にダイを規定する、ｐ型及びｎ型それぞれのＩＩＩ族窒化物層と、炭化珪素基板及びＩＩＩ族窒化物層に対して垂直に配向されているオーミック・コンタクトと、４５５及び４６５ｎｍの間の主波長と、基板、ＩＩＩ族窒化物層、及びオーミック・コンタクトの一部を封入するポリマ・パッケージと、２０ミリアンペアの駆動電流において発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも２７０ミリワットのパッケージからの放射束とを含む発光ダイオードである。
本発明の前述のならびにその他の目的及び利点、更にこれらを遂行する方法は、添付図面と関連付けた以下の詳細な説明を基にして、明確となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、小型で、順方向電圧が低く、光出力が高く、そのため効率が高く、単位面積当たりの出力が大きい発光ダイオードである。
背景において明記したように、本発明の多数の構造的特徴が、本願と同じ譲受人に譲渡され同時係属中の米国特許出願第１０／９５１，０４２号に明記されている。
【００１８】
更に詳しく説明すると、図１は、本発明の性能特性を有し、全体的に２０で示す発光ダイオードの断面図である。ダイオード２０は、透明炭化珪素基板２１を含み、好ましくは、単結晶であり、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプの炭化珪素から選択したプロトタイプを有し、本発明に関しては４Ｈが好ましいことが多い。図１はダイオード２０を「フリップ・チップ」配向（即ち、アクティブ相を基板の下側にして用いるように実装されている）で図示しているので、基板２１が、ダイオード２０の底部ではなく最上部にある。この配向では、ＳｉＣ基板はＬＥＤの主要放出面となる。勿論、発光ダイオードは、最終使用において、多数の異なる位置及び配向で配置できることは言うまでもない。したがって、ダイオード２０の要素に関して、用語「最上部」及び「底部」は、相対的であり、構造的な意味で全体的にデバイスの配向を示すものとする。このような用語の使用は、当技術分野では慣習となっており、周知であり、更に明細書における文脈からも明白である。
【００１９】
ダイオードは、少なくとも１つ、好ましくは数層の発光（「アクティブ」）部を形成する層を含む。図１には、ｎ型層２１及びｐ型層２２の２つの層が示されている。これら導電型が逆の層は、電流がダイオードを通過する機会を与え、その結果得られる電子及び正孔の結合により、放出光子が発生する。図１には２つのＩＩＩ族窒化物層のみを示すが、超格子構造や多重量子井戸を含む追加の層を用いることができる。このような構造は当技術分野では周知であり、過度の実験を行わなくても、本発明において実用可能である。
【００２０】
また、図１に示す実施形態は、ミラー層２４も含み、これは通例、銀（Ａｇ）又は銀／プラチナ（Ａｇ／Ｐｔ）合金で形成されている。銀系の層は、アクティブ層２２、２３に電気的な接触も行う。バリア層２５は、通例、チタン・タングステン（ＴｉＷ）合金、又はプラチナ、又は双方、又は窒化チタン・タングステン（ＴｉＷＮ）で形成され、望ましくない銀のマイグレーションや、デバイスの他の部分との反応を防止するために、銀系層２４を包囲する。
【００２１】
一般に、はんだ層２６がバリア層２５に接着されているが、ダイオードの製造方法に基づけば、それに限定されるものではない。これら及び他の構造的な特徴が、先に本願にも含まれるとした’０４２米国特許出願に明記されている。金属又は導電性半導体層２７が物理的支持構造を形成し、背面オーミック・コンタクト３０及び上面オーミック・コンタクト２８により構造が完成し、これにより、ダイオード２０を流れる電流を注入するための電流注入路が提供される。
代替実施形態では、金属又は半導体支持層２７を、はんだ層２６と共に又ははんだ層２６は残して、取り除くことができる。このような実施形態では、背面コンタクト３０を、ミラー及びバリア層２４、２５に寄せて配置することになる。
【００２２】
図１に示すように、アクティブ層は、通例、ＩＩＩ族窒化物であり、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インディウム・ガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、及び窒化アルミニウム・インディウム・ガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）が適した選択肢である。当業者には分かるであろうが、ＩＩＩ族窒化物は、三元及び四元結合におけるＩＩＩ族元素の原子分率を変更することによって、主波長を変化させることができる。当技術分野では周知であるが、これらの化学式は、更に正確には、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮと表すことができ、ここでｘ及びｙは０から１の間の値を取ることができ、０及び１のいずれも含み、ｘ＋ｙは常に１以下でなければならないという制約がある。
【００２３】
図２は、標準的なパッケージングにおける、本発明によるダイオードを組み込んだランプの断面図である。ランプ全体を３２で示すが、その中にふくまれる要素は、当業者には周知なものである。実際、ここに開示するダイオードの利点の１つは、そのサイズ及び配向により、標準的なパッケージングで実装することができ、これに伴う便益が製造業者及び最終ユーザに得られることである。
【００２４】
ランプ３２はダイオードを含み、該ダイオードは、ここでも２０で示されている。ダイオードは、反射カップ３３内に配置されており、図２に示す形式のダイオードでは、これをアンビル(anvil)３４と呼ぶこともあり、更に、ランプ３２への電気コンタクトの一方を形成する。アンビルは、導電性があり、通常、金属で形成されている。明確化のために、図２では、ダイオード２０がダイ・カップ３３の中に位置するように示しているが、実際には、導電性の接着剤又ははんだ（図示せず）によって、適所に固定されている。アンビル３４は、ダイオード２０の背面オーミック・コンタクト３０（図１）と電気的に接触しており、上位ボンド・ワイヤ３５がダイオード２０の上面オーミック・コンタクト２８（これも図１にある）と電気的に接触している。勿論、背面支持部２７及びオーミック・コンタクト３０を省略する場合、アンビル３４は、はんだ層２６又はバリア金属層２５と直接接触する。一方、上位ボンド・ワイヤ３５は、ポストと呼ばれる、更に大きな別の電極３６に接続する。パッケージ全体は、ポリマ筐体又はレンズ３７を含み、そのサイズ及び形状は、材料と共に、特定の出力に合わせて選択される。
【００２５】
図２には詳細に示していないが、図２に示したデバイス２０では、アクティブ層２２、２３は、ダイ・カップ３３の底面(floor)に隣接しており、炭化珪素基板２１がカップから離れて、上向きで面している。
図２は、一例のある程度模式的な図であり、非常に類似したパッケージにより、表面実装、金属缶(metal can)、又は金属ヘッダ、さらには図２に示すエポキシ・レンズを包含することもできる。
【００２６】
本発明は、限定するものではないが、５ｍｍパッケージにおける使用が可能であり、５ｍｍパッケージ（Ｔ−１3/4型としても知られている）は、周知であり、広く入手可能であり、当業界において頻繁に用いられている。したがって、これは、本発明の封入及び使用に関して、本発明の適用可能な形態を表している。
これらの側面を背景として、本発明の性能面を関連付けて表すことができる。つまり、第１実施形態では、本発明は、単位面積当たりの出力に利点がある発光ダイオードはであり、面積が１０，０００μ２、順方向電圧が４．０ボルト未満、２０ミリアンペアの駆動電流における放射束が少なくとも２４ミリワット、そして主波長が約３９５〜５４０ｎｍの間である。
【００２７】
半導体技術においては周知であるが、順方向電圧（Ｖｆ）は、所与の電流における電圧であると定義されている。一般的に言うと、小規模（微小）な用途において用いられるダイオードでは、特にここに明記する明度レベルでは、順方向電圧が低い方が有利であると言える。好適な実施形態では、本発明によるダイオードは、４．０ボルトの順方向電圧、又は少なくとも２０ミリアンペアの駆動電流で動作することができる。
【００２８】
放射束を測定するには、Ｔ１−3/4型の封入ランプを、分光計に取り付けた積分球(integrating sphere)内に配置する。測定デバイスの一例に、可視ＬＥＤ用のLabsphere Omni LTS分光計がある。放射束は、電力（ワット）単位で測定する。
当技術分野（そして本明細書）において用いる場合、「主波長」という用語は、発光ダイオードによって人間の目において生ずる色相の飽和の尺度を表している。主波長を判定するには、基準光源の色座標、及び国際照明委員会（ＣＩＥ）１９３１色度図におけるＬＥＤの測定色度座標上で直線を引く。色度図の境界上における直線の交点が、主波長を示す。
【００２９】
ピーク波長とは、最大スペクトル・パワーにおける波長である。ピーク波長は、実用的な目的では、重要性が低い場合がある。何故なら、２つの異なる発光ダイオードが同じピーク座標を有していても、色の認知度が異なる場合があるからである。
発光ダイオードのこれら及び他の光学特性に関するしかるべき論述が、ニュー・ハンプシャー州North SuttonのLabsphere Inc.からのLabsphere Technical Guide, "The Radiometry of Light Emitting Diodes"（発光ダイオードの放射測定）に明記されている。
【００３０】
レンズ３７は、光線の方向及び分布（即ち、空間分布パターン）を変化させるために用いられ、一部の発光ダイオードのためには、光学フィルタとして供するように着色されている。本発明によるダイオードは、白色光の生成に関連して頻繁に用いられるので、着色レンズの使用はさほど広く行われてはいない。
【００３１】
発光ダイオードの放射束を測定するには、通常、積分球を用いる。これには、先に引用したデバイスが全面的に適しているが、これに限定されるのではない。
放射束は、放射パワーとも呼ばれ、放射場(radiation field)が放射エネルギを１つの領域から他の領域に伝達する速度（ｄθ／ｄｔ）である。先に注記したように、シータ（θ）を放射エネルギとすると、放射パワーの単位はワットである。
【００３２】
本発明によるダイオードの主波長は、通例、約３９５ｎｍ〜５４０ｎｍの間であり、電磁スペクトルの緑、青、紫、及び紫外部分に該当する。更に特定すれば、本発明によるダイオードの主波長は、約４５０〜４８０ｎｍの間であり、好ましい出力波長は約４５５〜４６５ｎｍの間である。これにより、その出力は可視光スペクトルの青色部分にすっぽりと納まることになり、ディスプレイや関連する目的のための全色及び白色に関して、多数の利点が得られる。
【００３３】
本発明によるダイオードは、２０ミリアンペアの駆動電流において、少なくとも２４ミリワットの放射束を有することができる。これは、全て種類の発光ダイオードの性能を測定する際における典型的な標準であり、したがって、本発明によるダイオードに対して有用な比較を行うことができる。
【００３４】
本発明による青色発光ダイオードは、画素に組み込むことができ、特に他の原色（赤及び緑）を形成するものと組み合わせて、全色ディスプレイを提供することができる。
他の態様では、本発明による発光ダイオードは、主波長が約３９５〜５４０ｎｍの間、順方向電圧が４．０ボルト未満、そして駆動電流が２０ミリアンペアとしたときに、１平方ミリメートル当たり少なくとも２７０ミリワットの放射束を生成する。
他の態様では、本発明は、単位面積当たりの有利な出力を有する発光ダイオードであり、面積が１００，０００μ２のダイ、ダイを封入するパッケージが５ｍｍ、順方向電圧が４．０ボルト未満、そして４２０〜４６５ｎｍの間の波長及び２０ミリアンペアの駆動電圧において外部量子効率(external quantum efficiency)が４５％超である。
【００３５】
発光ダイオード及びそのパッケージに精通する者には分かるように、ダイオードを通過する注入電流によって発生する光子は、１００％がダイオードの外部に漏出する。したがって、この技術分野では、「外部量子効率」という用語を用いて、放出光強度の電流に対する比率（例えば、出射する光子／入射する電子）を記述している。光子は、半導体材料自体の内部における吸収、光が半導体から空中に通過するときの屈折率の差による反射損失、そしてスネル(Snell)の法則によって規定される臨界角(critical angle)よりも大きな角度における光の全ての内部反射によって失われる可能性がある。したがって、パーセントで示す外部量子効率（ＥＱＥ）は、放射束（ワット）、波長（ナノメートル）、駆動電流（アンペア）、そして以下の式による波長とエネルギ（λ＝１．２４／ｅＶ）間の変換係数から計算することができる。
ＥＱＥ（％）＝（放射束）×（波長）×１００／｛（１２４０）×（駆動電流）｝
【００３６】
したがって、別の態様では、本発明は、単位当たりで有利な出力を有する発光ダイオードとして記述することができ、５ｍｍのポリマ・パッケージ、パッケージ内において１００，０００μ２未満の面積を占めるダイ、４．０ボルト未満の順方向電圧、２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束、そして約３９５〜５４０ｎｍ間の主波長を備えている。
他の実施形態におけると同様、青色ＬＥＤでは、主波長は約４５０〜４８０ｎｍの間が好ましく、約４５５〜４６５ｎｍの間が最も好ましい。また、本発明によるダイオードは、約２０ミリアンペアの駆動電圧で、少なくとも２７ミリワットの放射束を得ることができた。
【００３７】
更に別の態様では、本発明の発光ダイオードは、導電性炭化珪素基板と、炭化珪素基板上にあるｐ型及びｎ型それぞれのＩＩＩ族窒化物層と、炭化珪素基板及びＩＩＩ族窒化物層に対して垂直方向に配向したオーミック・コンタクトと、基板、ＩＩＩ族窒化物層、及びオーム・コンダクトの一部を封入するポリマ・パッケージと、２０ミリアンペアの駆動電流で、パッケージの放出面１平方ミリメートル当たり約２７０ミリワットの放射束とを有している。
【００３８】
典型的な実施形態では、ダイオードは、５ｍｍ又は表面実装パッケージであり、炭化珪素基板は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプの炭化珪素から成る群から選択されたプロトタイプを有する。
ここで用いる場合、また発光出力を記述し定義する目的上、発光エリア又は表面をデバイスの「フットプリント」と定義する。異なる寸法を有する複数の部分を含むチップ又はダイについては、「エリア」という用語は、ダイ又はチップ内における半導体基板材料の最大エリアを意味する。何故なら、この最大のサイズは、回路又はデバイスの設計者が個々の発光ダイオードを用いる際に考慮しなければならないからである。
【００３９】
図６は、この点を示す、従来技術のダイオードの平面模式図である。図６において、ダイオード全体を一括して４０で示し、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板４１を含む。サファイアは、その総合的に堅牢な物理的特性と優れた光学的固有性のために、多数種類の発光ダイオードにおいて基板として用いられている。その結晶格子も、必ずしも最適ではないが、要求を満たしており、青色発光ダイオードを形成する際に通常用いられるＩＩＩ族窒化物の結晶格子と一致する。しかしながら、サファイアは、ドーピングによって導電性にすることができず、常に電気絶縁体として機能する。その結果、サファイアを基板として選択する場合、図６に示すような構造を必然的に採用しなければならなくなる。すなわち、アクティブ層をサファイア基板４１上に形成し、電流注入のためのｐ−ｎ接合部を形成する。アクティブ層の内２つを４２及び４３で示す。しかしながら、サファイア基板４１は絶縁性であるので、２つのワイヤ・ボンド・パッド４４及び４５が、図６に示すように、デバイスの上面に向かい合わなければならない。このため、ここで用いる定義に合わせるには、ダイオード４０のエリア（単位面積当たりの出力を測定し表現する目的上）は、単にアクティブ層４２又は小さい方のアクティブ層４３のエリアではなく、サファイア基板のエリアとなる。
【００４０】
意味は同じであるが別の表現では、このエリアは、（ｉ）ダイオードの最大の半導体エリア、又は（ｉｉ）封入されなければならない、又はされることになるダイオードの基板エリアのいずれかよりも大きい。殆ど全ての状況において、エリア（ｉｉ）はエリア（ｉ）以上となる。
【００４１】
図３、図４、及び図５は、本発明による性能出力特性を有する実施形態の更に別の構造を示す。
図３において、ダイオード全体を５０で示し、フリップ・チップ配向で示す。即ち、ダイオード５０を表面実装すると、炭化珪素基板５１が最上位即ち上側となる配置になる。基板５１は、傾斜面５２を有し、全内反射を減少させることにより、デバイスから出力される光を増大させることができる。
【００４２】
簡略化の主旨により、アクティブ層は単一層５３として示されているが、アクティブ構造は、通常、少なくとも１つのｐ型及び１つのｎ型層を含み、量子ウェル、多数の量子ウェル、及び超格子構造というような、図よりも精巧な構造を含むことは言うまでもない。多数のこのようなダイオードにおけると同様、ダイオード５０は、ミラー層５４を含むことが好ましく、ミラー層５４が銀で形成される場合、図１に関して先に論じたようにして、部分的に絶縁することが好ましい。銀よりも反応性が低い金属で形成する場合、又は拡散(migrate)する可能性が低い場合、ミラー層５４は、図３に示すような単純なコーティングとすることができる。図３では、ミラー層５４は、オーミック・コンタクトも形成する。
ダイオード５０への電気的接触は、デバイスの底面（図示の配向において）にある接合金属コンタクト５５を通じて、そして上面におけるワイヤ・ボンド・パッド５６に対して行われる。
【００４３】
図４は、ほぼ図３と同様であり、全体を６０と付番したダイオードを示す。図４のダイオード６０と図３のダイオード５０との間において関係のある唯一の相違は、デバイス６０の上面に対して垂直又はほぼ垂直な側壁６２の形状にある。図４では、形状が多少異なる基板に６１と付番するが、その他の要素は全て、構造及び機能上、図３における同一の要素とほぼ同一であり、したがって同じ参照番号を付する。つまり、アクティブ層には５３と付番し、ミラー・コンタクトには５４、上面オーミック・コンタクトには５６、そして接合金属には５５と付番する。
【００４４】
図４には具体的に示していないが（他の図面にも）、ダイオード６０の発光面、即ち、側縁６２及び上面６３は、レンズ形状又はパターンに形成することができ、ダイオードから抽出する光を増大するのを促進することができる。この主旨でレンズ状表面を用いることは、本願の親出願に明記されており、光抽出のために表面を変化させるその他の手段も、同様に、本願と譲受人を同じくする米国特許第６，７９１，１１９号に明記されている。その内容は、ここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。
【００４５】
図５は、本発明の別の実施形態を示し、ここでは、アクティブ層（複数のアクティブ層）６６がデバイスの上面に位置し、オーミック・コンタクト６７と直接接触している。ミラー・オーミック・コンタクト７０は、光抽出を増大させるためにアクティブ層６６の直下にあり、任意に、アクティブ層６６及びミラー７０を基板７２に接着するために、金属接合層７１が含まれる。基板７２は、炭化珪素のような半導体、又は潜在的に導体とすることができる。基板７２へのオーミック・コンタクト７３により、デバイスが完成する。ミラー・コンタクト７０が銀又は銀系である場合、バリア構造（例えば、図１に関して説明したようなバリア構造）も含まれる。
【００４６】
図７は、本発明による発光ダイオードについて、スペクトル放射束出力（ｍＷ、下側の曲線）、及び外部量子効率（％、上側の曲線）を組み合わせて示したグラフである。図に示すように、ダイオードの相対的光束は、波長によって異なる。したがって、本発明によるダイオードは、ある波長における性能に関して表現するが、個々のダイオードにとって最も好ましい波長における最大出力未満であっても、他の波長における対応する割合の出力も実現可能であり包含することは理解されるであろう。
【００４７】
別の言い方をすると、所与の波長において単位面積当たりある出力を有するというここでの半導体の記述は、ここに記載又は特許請求するダイオードを、その波長における出力に限定するのではない。逆に、代数的曲線上にプロットした点と同様に、所与の波長における単位当たりの出力は、指示した単一点ではなく、曲線全体を示すものとする。
【００４８】
同様に、５ｍｍパッケージにおけるダイオードの出力から、他の種類のパッケージからの出力に要求される精度も、同様に予測できる。したがって、この場合も同様に、５ｍｍパッケージからの出力は、本発明すなわち請求項記載の発明を５ｍｍパッケージに限定するのではなく、逆に、他の種類のパッケージにおいて、特許請求の範囲によってカバーされる出力を特定するために必要な情報を、当業者に提供するものである。
【００４９】
図面及び明細書において、本発明の好適な実施形態を明記し、特定的な用語を用いたが、これらは包括的及び記述的な意味で用いたに過ぎず、限定を主旨とするのではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲に規定するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明によるダイオードの断面図である。
【図２】本発明によるＬＥＤランプの断面図である。
【図３】本発明によるダイオードの第２実施形態の断面図である。
【図４】本発明によるダイオードの別の実施形態の断面図である。
【図５】本発明によるダイオードの更に別の実施形態の断面図である。
【図６】従来技術のダイオードの平面図である。
【図７】本発明による発光ダイオードについての、スペクトル放射束出力及び外部量子効率を組み合わせたグラフである。
【図１】
2008514030.tif 000003
【図２】
2008514030.tif 000004
【図３】
2008514030.tif 000005
【図４】
2008514030.tif 000006
【図５】
2008514030.tif 000007
【図６】
2008514030.tif 000008
【図７】
2008514030.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月21日(2006.7.21)
【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】
単位面積当たり有利な出力を有し、小型で順方向電圧が低い発光ダイオードであって、
少なくとも１つの発光アクティブ層を備え、
前記発光ダイオードは、
１２５，０００平方ミクロン以下の面積と、
４．０ボルト未満の順方向電圧と、
２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２７ミリワットの放射束と、
約３９５〜５４０ナノメートルの間の主波長と
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の発光ダイオードにおいて、該発光ダイオードは、
１００，０００平方ミクロン以下の面積と、
２０ミリアンペアの駆動電流において少なくとも２４ミリワットの放射束と
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
請求項２記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５０〜４８０ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】
請求項２記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５５〜４６５ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】
請求項２記載の発光ダイオードであって、２０ミリアンペアの駆動電流において、少なくとも２７ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】
請求項２記載の発光ダイオードであって、前記ダイオードの対向するそれぞれの垂直面上にオーミック・コンタクトを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項７】
請求項２記載の発光ダイオードであって、少なくとも１つの導電性炭化珪素層を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項８】
請求項２記載の発光ダイオードであって、ＩＩＩ族窒化物で形成された少なくとも１つのアクティブ層を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項９】
請求項８記載の発光ダイオードにおいて、前記アクティブ層は、窒化ガリウム、窒化インディウム・ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及び窒化アルミニウム・インディウム・ガリウムから成る群から選択されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１０】
請求項２記載の発光ダイオードであって、５ｍｍパッケージに収容されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１１】
請求項２記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１２】
請求項２記載の発光ダイオードを含むことを特徴とする画素。
【請求項１３】
請求項１２記載の画素を含むことを特徴とするディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１記載の発光ダイオードであって、
１００，０００μ２未満の面積を有するダイと、
前記ダイを封入する５ｍｍパッケージと、
約４２０〜４６５ｎｍの間の波長及び２０ミリアンペアの駆動電流において、４５％よりも大きな外部量子効率と
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１５】
請求項１４記載の発光ダイオードにおいて、前記パッケージは、少なくともダイ・カップを含み、前記アクティブ層は、前記ダイ・カップに隣接し、前記基板は前記ダイ・カップから離れて向かい合っていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１６】
請求項１５記載の発光ダイオードにおいて、約４２０〜４６０ｎｍの間の波長において、外部量子効率が５０％よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１７】
請求項１６記載の発光ダイオードにおいて、約４００〜４８０ｎｍの間の波長における外部量子効率が４０％よりも大きいことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１８】
請求項２記載の発光ダイオードであって、
５ｍｍ（Ｔ１-3/4）ポリマ・パッケージと、
前記パッケージ内にあり、面積が１００，０００平方ミクロン未満のダイと
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項１９】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５０〜４８０ナノメートルの間であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２０】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、主波長が約４５５〜４６５ナノメートルであることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２１】
請求項１８記載の発光ダイオードであって、２０ミリアンペアの駆動電流において、少なくとも２７ミリワットの放射束を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２２】
請求項１８記載の発光ダイオードにおいて、フリップ・チップ配向を有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２３】
単位面積当たり有利な出力を有し、小型で順方向電圧が小さい発光ダイオードであって、
少なくとも１つの１つの発光アクティブ層を備え、
前記発光ダイオードは、
約３９５〜５４０ｎｍ間の主波長、４．０ボルト未満の順方向電圧、及び２０ミリアンペアの駆動電流において、１平方ミリメートル当たり少なくとも２７０ミリワットの単位面積放射束
を有していることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２４】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２５】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３００ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２６】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３３０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２７】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３６０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２８】
請求項２３記載の発光ダイオードにおいて、１平方ミリメートル当たり少なくとも３９０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２９】
請求項２３記載の発光ダイオードであって、導電性基板と、ＩＩＩ族窒化物アクティブ層とを備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３０】
請求項２９記載の発光ダイオードにおいて、前記基板が炭化珪素から成ることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３１】
請求項２９記載の発光ダイオードにおいて、前記アクティブ層は、窒化ガリウム、窒化インディウム・ガリウム、窒化アルミニウム・ガリウム、及び窒化アルミニウム・インディウム・ガリウムから成る群から選択されていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３２】
請求項２３記載の発光ダイオードであって、
導電性炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板上にあり、該基板と共にダイを規定する、ｐ型及びｎ型それぞれのＩＩＩ族窒化物層と、
前記炭化珪素基板及び前記ＩＩＩ族窒化物層に対して垂直に配向されているオーミック・コンタクトと、
４５５〜４６５ｎｍの間の主波長と、
前記基板、前記ＩＩＩ族窒化物層、及び前記オーミック・コンタクトの一部を封入するポリマ・パッケージと、
を備えていることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３３】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、前記パッケージが５ｍｍパッケージであることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３４】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、前記炭化珪素基板が、炭化珪素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈ、及び１５Ｒプロトタイプから成る群から選択されたプロトタイプを有することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３５】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、４．０ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３６】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、３．５ボルト未満の順方向電圧で動作することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３７】
請求項３４記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３００ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３８】
請求項３５記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３３０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３９】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３６０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４０】
請求項３２記載の発光ダイオードにおいて、発光面の１平方ミリメートル当たり少なくとも３９０ミリワットの単位面積放射束を生成することを特徴とする発光ダイオード。
【国際調査報告】
2008514030.tif 000010
2008514030.tif 000011
2008514030.tif 000012