КОМПОНОВКА ШУНТИРУЮЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ СИД
CONFIGURATION OF BRIDGING PLY FOR LED

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к светоизлучающим диодам (СИД) и, в частности, к металлическому слою со сформированным рисунком на светоизлучающей поверхности кристалла СИД, который улучшает распределение тока, не увеличивая блокировку света.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предшествующий уровень техники, изображенный на Фиг. 1, является видом сверху на кристалл 10 СИД, а Фиг. 2 представляет собой упрощенное сечение СИД 10 по линии 2-2 на Фиг. 1. В примере кристалл 10 СИД является кристаллом на основе GaN c удаленной подложкой роста. Эта структура хорошо известна. Нижний металлический анодный электрод 12, как правило, соединен непосредственно с площадкой монтажной подложки или с печатной платой. Металлический отражатель 14 над электродом 12 отражает свет вверх. Эпитаксиально выращенные полупроводниковые слои СИД включают в себя первый слой 16 р-типа, плакирующий слой 18 р-типа, активный слой 20, плакирующий слой 22 n-типа, первый слой 24 n-типа и второй слой 26 n-типа. Различные слои p- и n-типа, которые образуют границу раздела между плакирующими слоями и металлическими контактами, могут иметь разное количество легирующих добавок и разные составы для выполнения разных функций, таких как согласование постоянных кристаллических решёток и растекание тока. Слоев может быть гораздо больше. Полупроводниковые слои являются прозрачными.
Прозрачный слой 28 растекания тока формируется над вторым слоем 26 n-типа, а металлический катодный электрод 30 электрически соединен с краем слоя 28 растекания тока. Проволочное соединение (не показано) соединяется с катодным электродом 30. Материал слоя растекания тока выбирается для малых оптических потерь, низкого удельного сопротивления и хорошего электрического контакта. Подходящие материалы для слоя 28 растекания тока включают в себя оксид индия и олова, оксид цинка или другие прозрачные токопроводящие оксиды. Слой 28 растекания тока имеет толщину всего несколько микрон, поэтому у него низкое сопротивление в вертикальном направлении и значительно более высокое сопротивление в горизонтальном направлении. Важно, что распределение тока по плакирующему слою 18 p-типа и плакирующему слою 22 n-типа является достаточно равномерным для достижения равномерной генерации света по всему активному слою 20.
Чтобы компенсировать относительно высокое продольное сопротивление слоя 28 растекания тока, рисунок металлического шунтирующего слоя 32 с низким сопротивлением формируют так, чтобы он продолжался по слою 28 растекания тока, но при этом блокировал лишь небольшое количество света. Существует компромисс между минимизацией сжатия тока и минимизацией блокировки света. Шунтирующий рисунок, показанный на Фиг. 1, является типичным, с металлическими шинами по периферии кристалла 10 и соединяющими их перпендикулярными металлическими шинами. Эти шунтирующие дорожки формируются очень узкими, чтобы минимизировать блокировку света.
Фиг. 2 показывает толстыми стрелками 36 прохождение тока через кристалл 10 СИД, а тонкими стрелками 38 - некоторые траектории фотонов. Также упрощенно показано пятно излучаемого света 39.
Верхняя поверхность кристалла 10 СИД делается шероховатой, чтобы увеличить выход света.
Одной из проблем обычных шунтирующих конструкций является то, что тонкие шунтирующие дорожки имеют контактное сопротивление на границе раздела дорожек и слоя 28 растекания тока, где контактное сопротивление непосредственно связано с шириной дорожек.
Для частного случая шунтирующего слоя со сформированным рисунком, отличающегося шинами, как показано на Фиг.1, контактное сопротивление одной из трех внутренних пересекающихся шин может быть выражено как
,
s
t
где сопротивление R является поверхностным сопротивлением (в Ом/квадрат) слоя 28 растекания тока, L - длина секции шины, w - ширина шины, а L является длиной передачи, выраженной в единицах длины. Длина передачи определяется как
,
c
2
где ρ является контактным удельным сопротивлением границы раздела металл-полупроводник, выраженным в Ом/м.
Как известно, продольный ток между проводящим слоем и металлическим контактом не является равномерным вдоль всего контакта. Напряжение является самым высоким на краю контакта и, по существу, падает по экспоненте с ростом расстояния. Расстояние 1/е кривой напряжения является еще одним способом для определения длины передачи.
s
t
t
t
Фиг.3 представляет вышеприведенное выражение контактного сопротивления, нормированного по R, как функцию нормированной величины w/L для случая L=L. Кривая показывает, что для ширин контакта меньших чем 2L, контактное сопротивление увеличивается обратно пропорционально w, поскольку
.
t
С другой стороны, для ширин контакта больших чем 2L, контактное сопротивление приближается к величине , поскольку  стремится к 1.
Как видно, ширина шин на Фиг.1 не может быть слишком маленькой, иначе контактное сопротивление будет слишком высоким, но в то же время желательно сделать шины узкими, чтобы меньше блокировать свет.
Таким образом, было бы желательно уменьшить контактное сопротивление между металлическим шунтирующим слоем и слоем растекания тока без отрицательного воздействия на светоотдачу кристалла СИД. Напротив, было бы желательно увеличить светоотдачу кристалла СИД без уменьшения контактного сопротивления между металлическим шунтирующим слоем и слоем растекания тока. Желательно также улучшить равномерность распределения тока по всей поверхности кристалла СИД.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Здесь описаны различные металлические шунтирующие рисунки, которые уменьшают контактное сопротивление и улучшают равномерность распределения тока без снижения светоотдачи.
t
t
t
t
t
В одном варианте осуществления шунтирующий рисунок представляет собой матрицу круглых металлических точек, диаметры которых больше, чем ширина шин и поперечных шин, и имеют величины порядка 2L-10L, чтобы не блокировать значительное количество света. В одном из вариантов осуществления радиус каждой точки больше чем 2L и меньше чем 10L и предпочтительно - меньше чем 5L. Полная площадь точек меньше, чем полная площадь шин и поперечных шин предыдущего уровня техники, так что свет блокируется меньше. Могут быть использованы формы, отличные от круглой точки, такие как многоугольники (например, квадраты и прямоугольники). Все эти формы в данном документе называются точками.
t
t
t
2
2
2
В одном варианте осуществления ширины точек (между 2L и 10L) составляют около 15 мкм для типичных используемых металлов и используемого слоя растекания тока для того, чтобы обеспечить низкое контактное сопротивление. Каждая точка представляет собой область ввода тока. Как правило, для хорошего распределения тока достаточно плотности 50-60 дискретных областей ввода тока на квадратный миллиметр. Для минимальной ширины 2L и 50 квадратных точек на мм верхняя поверхность кристалла СИД будет покрыта точками примерно на 1%. Для большого кристалла площадью 1 мм полная площадь точек будет около 0,01 мм. В одном варианте осуществления покрытие точками верхней поверхности кристалла СИД предпочтительно составляет менее 5%.
t
Чтобы заставить ток равномерно распределяться по верхней поверхности кристалла СИД, точки связаны с сеткой из очень тонких металлических соединений, у которых контактное сопротивление между ними и слоем растекания тока относительно высоко из-за ширины соединений, которая намного меньше чем 2L, но мало влияет на ввод тока, так как ввод тока осуществляется через точки.
Как результат использования матрицы точек, полное контактное сопротивление ниже и блокирование света меньше, что повышает эффективность СИД.
В одном варианте осуществления электрод для проволочного соединения образуется около середины верхней поверхности СИД, чтобы создать более равномерное распределение тока.
В одном варианте осуществления в дополнение к матрице точек, соединенных между собой сеткой из тонких металлических соединений, некоторые точки также соединены с электродом для проволочного соединения посредством радиально расположенных тонких металлических соединений, чтобы сделать сопротивления соединений между точками и электродом для проволочного соединения более однородными.
В одном варианте осуществления точки формируются тем большего размера, чем дальше они расположены от электрода для проволочного соединения, чтобы создать более равномерное распределение тока по всей поверхности СИД.
В одном варианте осуществления точки расположены тем ближе друг к другу, чем дальше они расположены от электрода для проволочного соединения, чтобы создать более равномерное распределение тока.
В одном варианте осуществления между электродом для проволочного соединения и слоем растекания тока имеется диэлектрик для снижения сжатия тока под и вокруг периферии электрода для проволочного соединения.
В альтернативном варианте осуществления для того, чтобы избежать использования диэлектрического слоя между электродом для проволочного соединения и слоем растекания тока, используется концентрическое шунтирующее кольцо, окружающее электрод для проволочного соединения на некотором расстоянии для снижения сжатия тока под и вокруг периферии электрода для проволочного соединения.
В варианте осуществления, где есть шунтирующая полоска, которая проходит по периметру верхней поверхности СИД, ширина полоски уменьшается вблизи углов, чтобы уменьшить или устранить сжатие тока вблизи углов.
В одном варианте осуществления наклонная зеркальная структура формируется под каждой точкой и сеткой соединений. Зеркало под каждой точкой и соединением не только отражает свет от поглощающей нижней стороны каждой точки/проводника, но и позволяет избежать сжатия тока непосредственно под каждой точкой (и приводит к меньшему распространению под каждым соединением), заставляя активный слой под каждой точкой не генерировать свет. В одном варианте осуществления каждое зеркало образуется в канавках, которые проходят через активный слой под каждой точкой и соединением.
Описаны также и другие варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД по предшествующему уровню техники, показывающий металлический шунтирующий рисунок.
Фиг.2 представляет собой разрез вдоль линии 2-2 на Фиг.1.
t
Фиг.3 изображает график зависимости нормированного контактного сопротивления от нормированной ширины контакта, показывающий, что нормированная ширина меньше чем 2L, приводит к резкому повышению контактного сопротивления.
Фиг.4 является видом сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающим металлический шунтирующий рисунок в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
Фиг.5 показывает шунтирующий рисунок Фиг.4 с относительно большим электродом для проволочного соединения, находящимся вблизи середины поверхности кристалла СИД для, по существу, равномерного распределения тока.
Фиг.6 показывает шунтирующий рисунок Фиг.5 с дополнительными радиальными соединениями между электродом для проволочного соединения и различными точками.
Фиг.7 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающий металлический шунтирующий рисунок, у которого точки увеличиваются в размерах по мере удаления от электрода для проволочного соединения.
Фиг.8 является видом сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающим металлический шунтирующий рисунок, у которого плотность размещения точек увеличивается по мере удаления от электрода для проволочного соединения.
Фиг.9 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающий металлический шунтирующий рисунок с квадратными точками и увеличенной центральной точкой для проволочного соединения.
Фиг.10 представляет собой сечение области электрода для проволочного соединения с расположенным под ним диэлектрическим слоем, чтобы избежать сжатия тока под электродом.
Фиг.11 является видом сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающим металлическое шунтирующее кольцо, которое окружает электрод для проволочного соединения для снижения сжатия тока под и вокруг периферии электрода для проволочного соединения.
Фиг.12 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД по предшествующему уровню техники, показывающий металлический шунт, который идет по периметру верхней поверхности, похожей на Фиг.1.
Фиг.13 представляет собой увеличенный вид сверху на угол кристалла СИД, показывающий, как можно избежать сжатия тока вблизи угла за счет уменьшения ширины шунта ближе к углу. Тот же самый способ может использоваться в углах любого пересечения шин.
Фиг.14 изображает сечение кристалла СИД в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, где в канавках под каждой точкой формируются наклонные зеркала.
Одинаковые или эквивалентные элементы помечены одинаковыми ссылочными позициями.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Фиг.4 иллюстрирует один вариант осуществления металлического шунтирующего рисунка 40 на верхней поверхности кристалла СИД в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Кристалл СИД может иметь такие же слои, как и кристалл СИД в соответствии с предшествующим уровнем техники на Фиг.2.
c
В соответствии с вышеприведенным уравнением 1, одним из способов управлять местоположением ввода тока в полупроводник вдоль шины является использование правильной настройки геометрического параметра w. Круглые контакты 42 (точки) являются предпочтительными из-за их, по существу, равномерного растекания тока. Контактное сопротивление круглого контакта радиуса r может быть выражено следующим образом:
.
c
t
t
t
В уравнении 3 члены I0 и I1 являются модифицированными функциями Бесселя первого и второго рода соответственно. Как и в случае шины, контактное сопротивление круглого контакта резко возрастает при r<2L. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления радиус каждого круглого контакта находится примерно между 2L и 10L.
Соответственно, рисунок шунтирующего слоя может состоять из нескольких геометрических фигур, характеристики которых позволяют выборочно управлять местами ввода тока, но которые ограничены в размере, чтобы не оказывать отрицательного воздействия на светоотдачу. Это может быть применено, например, для повышения однородности тока, протекающего через активный слой устройства с минимальной площадью контакта металл-полупроводник.
t
Узкие металлические соединения 44 расположены в виде сетки для соединения вместе контактов 42. Соединения 44 имеют ширину предпочтительно меньше чем 2L, так как от них не требуется вводить ток в кристалл СИД, а более широкие соединения увеличат блокирование света.
Контакты 42 и соединения 44 предпочтительно являются многослойными композициями металлов, которые обеспечивают низкое сопротивление, и при этом не мигрируют в полупроводниковые слои.
Фиг.5 показывает шунтирующий рисунок Фиг.4 с относительно большим электродом 46 для проволочного соединения, расположенным вблизи середины поверхности кристалла СИД для, по существу, равномерного распределения тока. Размер электрода 46 предпочтительно минимален для достижения хорошего сцепления.
Фиг.6 показывает шунтирующий рисунок Фиг.5 с дополнительными радиальными соединениями 48 между электродом 46 для проволочного соединения и различными контактами 42. Эти радиальные соединения 48 обеспечивают параллельный путь соединения с внешними контактами 42 для более равномерного распределения тока, так как полные сопротивления путей в сетке соединений 44 увеличиваются с удалением от электрода 46 для проволочного соединения.
Фиг.7 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД, показывающий металлический шунтирующий рисунок, имеющий контакты 50, которые увеличиваются в размерах (диаметре) по мере удаления контактов 50 от электрода 46 для проволочного соединения. Большая площадь контактов, по сути, уменьшает пространство между контактами вблизи периметра, тем самым увеличивая ввод тока вблизи периметра, чтобы компенсировать увеличение сопротивления соединений 44 и 48, ведущих к внешним контактам 50.
Фиг.8 является видом сверху на верхнюю поверхность светодиода, показывающим металлический шунтирующий рисунок, имеющий контакты 54, плотность которого увеличивается по мере удаления контактов 54 от электрода 46 для проволочного соединения для достижения более равномерной плотности тока.
Фиг.9 является видом сверху на верхнюю поверхность кристалла 55 СИД, показывающим металлический шунтирующий рисунок, имеющий квадратные точки 56, увеличенную центральную точку 57 для проволочного соединения и узкие соединения 58, соединяющие точки. Расположения и ширины квадратных точек могут быть сходными с расположениями и ширинами круглых точек, как описано выше.
t
t
t
t
t
t
2
2
2
В одном варианте осуществления ширины точек (между 2L и 10L) составляют около 15 мкм для типичных используемых металлов и используемого слоя растекания тока для того, чтобы обеспечить низкое контактное сопротивление (на основе графика, аналогичного Фиг.3 для конкретных материалов). Каждая точка представляет собой область ввода тока. Как правило, для хорошего распределения тока достаточно плотности 50-60 дискретных областей ввода тока на квадратный миллиметр. Для минимальной ширины 2L и 50 квадратных точек на мм верхняя поверхность кристалла СИД будет покрыта точками примерно на 1%. Для большого кристалла площадью 1 мм полная площадь точек будет около 0,01 мм. Круглые точки той же ширины, что и квадратные точки, занимают меньшую площадь, так что будут меньше блокировать свет. В одном варианте осуществления покрытие точками верхней поверхности кристалла СИД предпочтительно составляет менее 5%, например 2%. Поперечники точек меньше чем 5L, но немного больше чем 2L, являются предпочтительными, поскольку ширины больше чем 2L, не обеспечивают значительного снижения контактного сопротивления, а блокировка света должна быть сведена к минимуму.
t
t
Фиг.10 представляет собой сечение области электрода 46 для проволочного соединения с расположенным под ним диэлектрическим слоем 64, чтобы избежать сжатия тока под и вокруг периферии электрода 46. Металл контактирует со слоем 28 растекания тока посредством кольца, имеющего ширину Wx. Wx предпочтительно находится в пределах 0,5L<Wx<L. Также показаны проволочное соединение 60 и соединительный металл 62.
t
t
t
Фиг.11 показывает концентрическое шунтирующее кольцо 65, окружающее электрод 46 для проволочного соединения на некотором расстоянии. Шунтирующее кольцо 65 уменьшает сжатие тока под и вокруг периферии электрода 46 для проволочного соединения. Ширина (Wr) шунтирующего кольца 65 пропорциональна L, предпочтительно больше чем 0,1L и меньше чем L, для того чтобы обеспечить адекватно низкое сопротивление току. Диаметр (D) кольца 65 предпочтительно по меньшей мере на 20% больше, чем диаметр электрода 46 для проволочного соединения.
Фиг.12 представляет собой вид сверху на верхнюю поверхность кристалла СИД по предшествующему уровню техники, показывающий металлический шунт 66, который идет по периметру верхней поверхности светодиода, аналогично Фиг.1, с электродом 68 для проволочного соединения возле одного угла. Благодаря ответвлениям шунта 66, которые приближаются друг к другу у каждого угла, вблизи углов будет сжатие тока, что приведет к неоднородному световому потоку и, возможно, к перегрузкам по току в этих областях. Для того чтобы, по существу, предотвратить такое сжатие тока в углах, может быть использована конфигурация металлического шунта, изображенная на Фиг.13.
t
t
t
t
Фиг.13 представляет собой увеличенный вид одного угла кристалла СИД, показывающий, что металлический шунт 70 имеет уменьшенную ширину Wc в углах, чтобы уменьшить ввод тока из каждого ответвления возле угла. Wc имеет значение, предпочтительно меньшее чем L (например, 0,1L), чтобы увеличить контактное сопротивление, необходимое для создания, по существу, равномерного распределения тока возле угла. Ширина оставшейся части шунта больше чем L. В отличие от внутренних контактов, в крайних контактах ток течет только с одной стороны контактной площадки и, следовательно, минимальная ширина 2L здесь неприменима. Электрод для проволочного соединения предпочтительно расположен на середине ответвления шунта, чтобы избежать сжатия тока вблизи угла. Каждый угол будет похож на Фиг.13.
Тот же самый способ может использоваться в углах любого пересечения шин.
Контакты 42, 50, 56 в центральной части кристалла СИД соединены с металлическим шунтом 70 посредством узких соединений 44, 48, описанных ранее.
Фиг.14 изображает сечение кристалла СИД в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, где в канавках 78 под каждым круглым контактом 80 и соединением сетки формируются наклонные зеркала 76. Зеркала 76 уменьшают блокирование света вышележащими круглыми контактами 80 и соединениями и предотвращают создание областей с большой плотностью тока под каждым круглым контактом 80 и, в меньшей степени, под соединениями. Подробная информация о формировании таких зеркал 76 может быть найдена в патентной заявке США №12/770,550 от Rafael Aldaz, поданной 30 апреля 2010 г., которая включена в данный документ посредством ссылки.
Геометрические формы зеркал 76 могут быть адаптированы для повышения светоотдачи. Это справедливо при условии, что верхние контакты 80 (похожие или идентичные любому из контактов, описанных выше) могут быть объединены с использованием зеркальных стенок, расположенных в полупроводнике под контактами 80, как показано на Фиг.14. На рисунке показан случай, когда зеркало 76 (обычно металлическое) проникает в полупроводник и пересекает активный слой 20 в областях под контактами 80. Для предотвращения коротких замыканий между слоями зеркало 76 покрыто прозрачным диэлектриком 84. Помещение в кристалл этих зеркальных стенок улучшает светоотдачу за счет уменьшения активной области, где генерируются фотоны. Из-за этого компромисса желательно, чтобы ширина Ws каждого контакта 80 была минимизирована и, следовательно, количество зеркал было максимальным. Это, в свою очередь, выражается в минимизации расстояния между зеркалами, что максимизирует светоотдачу.
Предпочтительно, рисунок шунтирующего слоя должен быть разработан для оптимизации следующих аспектов эффективности:
- Равномерный ввод тока в активный полупроводниковый слой (например, управлять распределением контактов);
- Минимизация падения напряжения на шунтирующем слое (например, использовать тонкие металлические соединения);
- Максимизация светоотдачи (например, оптимизировать размер контактов и формировать зеркала);
- Максимизация активной области (например, оптимизировать размер зеркал).
В то время как были показаны и описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалиста в данной области будет очевидно, что могут быть сделаны изменения и модификации без отступления от этого изобретения в его более широких аспектах и, следовательно, прилагаемая формула изобретения должна включать в свой объем все такие изменения и модификации, которые соответствуют истинной сущности и объему настоящего изобретения.