DE102005016845B4

DE102005016845B4 - Leuchtdiodenarray mit einer Haftschicht

Info

Publication number: DE102005016845B4
Application number: DE102005016845.0A
Authority: DE
Inventors: Wen-Huang Liu
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2018-09-06
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: TWI249148B; TW200534195A; DE102005063669B4; US20050224822A1; US7560738B2; DE102005016845A1; JP2005303295A

Abstract

Leuchtdiodenarray (100) mit:- einem Substrat (10);- einer auf dem Substrat (10) gebildeten isolierenden Haftschicht (12), wobei die isolierende Haftschicht (12) zumindest ein Material ausgewählt aus der Gruppe Polyimid, Benzocyclobuten und Perfluorocyclobuten umfasst, mit einem ersten Haftbereich und einem von diesem räumlich getrennten, zweiten Haftbereich;- einer ersten epitaktischen lichtemittierenden Stapelschicht, die auf dem ersten Haftbereich der isolierenden Haftschicht (12) angeordnet ist,- einer zweiten epitaktischen lichtemittierenden Stapelschicht, die auf dem zweiten Haftbereich der isolierenden Haftschicht (12) angeordnet ist,- wobei die erste und zweite Stapelschicht durch einen geätzten Graben, der sich bis auf das Substrat (10) erstreckt, voneinander getrennt sind,- wobei die epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten jeweils eine untere transparente leitende Schicht (13), darauf eine erste leitende Schicht (14), darauf eine lichtemittierende Schicht (15) und darauf eine zweite leitende Halbleiterstapelschicht (16) aufweisen,- wobei die zweite leitende Halbleiterstapelschicht (16), die lichtemittierende Schicht (15) und die erste leitende Schicht (14) der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten nur in einem kleinem Eckbereich durch selektives Ätzen entfernt sind und die transparente leitende Schicht (13) nur in diesem kleinen Eckbereich freigelegt ist,- wobei jede der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten einen p-Kontakt und einen n-Kontakt umfasst, wobei der eine Kontakt auf der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht (16) und der andere Kontakt auf der transparenten leitenden Schicht (13) im kleinen Eckbereich angeordnet sind und die Kontakte an jeweils gegenüberliegenden Eckbereichen der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leuchtdiode, und insbesondere ein Leuchtdiodenarray mit einer Haftschicht.
Leuchtdioden (LEDs) werden in einer breiten Vielfalt von Anwendungen, einschließlich optischen Anzeigevorrichtungen, Verkehrslichtzeichen, Datenspeichereinrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen, Beleuchtungsapparaten und medizinischer Behandlungsäusrüstungen eingesetzt. Eines der wichtigsten Ziele der Ingenieure, die LEDs entwerfen, ist die Erhöhung der Helligkeit des emittierten Lichts.
Die US 6,547,249 offenbart monolithische serielle/parallele LED-Arrays, die auf hochohmigen Substraten gebildet werden. Gemäß der US 6,547,249 wird eine lichtemittierende III-V-Gruppen-Nitrid Stapelschicht auf einem isolierenden Substrat gebildet. Ein Abschnitt der Stapelschicht wird weggeätzt, um einen Graben, und als Ergebnis ein LED-Array zu bilden, das eine Vielzahl von durch den Graben geteilte Leuchtdioden umfaßt. Da das isolierende Substrat nicht leitfähig ist, müssen sowohl p-Kontakte als auch n-Kontakte für das LED-Array auf der gleichen Seite des LED-Arrays gebildet werden. Im Gebrauch können zwei LED-Arrays entweder in Serie oder parallel verbunden werden. Das durch die US 6,547,249 offenbarte LED-Array kann jedoch nicht auf eine quaternäre Al-In-Ga-P Leuchtdiode angewendet werden, die ein leitendes Substrat statt eines isolierenden Substrats umfasst, wobei p-Kontakte auf der einen Seite des leitenden Substrats gebildet werden und n-Kontakte auf der anderen Seite gebildet werden müssen. Daher können zwei quaternäre Al-In-Ga-P Leuchtdiodenarrays nicht sowohl in Serie als auch parallel verbunden werden. Außerdem wird, wenn die Größe des LED-Arrays größer wird, die Arbeitsspannung des LED-Arrays entsprechend höher und Wärmeableitung wird für das LED-Array wichtig.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein LED-Array mit einer Haftschicht zu schaffen, um die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst das Leuchtdiodenarray ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete reflektierende Schicht, eine auf der reflektierenden Schicht gebildete isolierende transparente Haftschicht, eine auf der isolierenden transparenten Haftschicht gebildete transparente leitende Schicht, eine auf der transparenten leitenden Schicht gebildete erste leitende Halbleiterstapelschicht, eine auf der ersten leitenden Halbleiterstapelschicht gebildete lichtemittierende Schicht und eine auf der lichtemittierenden Schicht gebildete zweite leitende Halbleiterstapelschicht.
Ein Graben wird durch das aufeinander folgende Wegätzen eines Abschnitts der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht, der lichtemittierenden Schicht, der ersten leitenden Halbleiterstapelschicht, der transparenten leitenden Schicht und der isolierenden transparenten Haftschicht gebildet. Daher ist das LED-Array geteilt in eine erste LED und eine zweite LED, die beide das Substrat gemeinsam haben. Darüber hinaus wird ein freiliegender Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht durch Ätzen sowohl der ersten LED als auch der zweiten LED tief bis zur transparenten leitenden Schicht gebildet. Das LED-Array umfasst ferner eine isolierende Schicht, die die erste LED und die zweite LED umgebend gebildet wird, um die erste LED von der zweiten LED elektrisch zu isolieren. Erste Kontakte werden auf der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht der ersten LED beziehungsweise der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht der zweiten LED gebildet. Zweite Kontakte werden auf dem freiliegenden Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht der ersten LED beziehungsweise dem freiliegenden Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht der zweiten LED gebildet, und zum elektrischen Verbinden eines zweiten Kontakts der ersten LED mit einem ersten Kontakt der zweiten LED wird eine leitende Leitung gebildet.
Das Substrat umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus GaP, GaAs, Si, SiC, Al₂O₃. Glas, Quarz, GaAsP, AlN, Metall und AlGaAs besteht. Die isolierende transparente Haftschicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Polyimid (PI), Benzocyclobuten (BCB) und Perfluorocyclobuten (PFCB) besteht. Die reflektierende Schicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus In, Sn, Al, Au, Pt, Zn, Ge, Ag, Ti, Pb, Pd, Cu, AuBe, AuGe, Ni, PbSn, AuZn und Indium-Zinnoxid (ITO) besteht. Die lichtemittierende Schicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus AlGaInP, GaN, InGaN, AlInGaN und ZnSe besteht. Die transparente leitende Schicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Indium-Zinnoxid (ITO), Cadmium-Zinnoxid (CTO), Antimonium-Zinnoxid (ATO), Zinkoxid und Zink-Zinnoxid besteht. Die isolierende Schicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus SiO₂ und SiN_x besteht. Die erste Halbleiterstapelschicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus AlInP. AlN, GaN, InGaN, AlGaN und AlInGaN besteht. Die zweite Halbleiterstapelschicht umfasst zumindest ein Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus AlInP, AlN, GaN, InGaN, AlGaN und AlInGaN besteht.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Leuchtdiodenarrays mit einer Haftschicht entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Draufsicht auf ein in Serie geschaltetes LED-Array nach 1,
3 ein Ersatzschaltbild des in 2 gezeigten LED-Arrays,
4 eine schematische Draufsicht auf ein in Serie und parallel geschaltetes LED-Array nach 1, und
5 ein Ersatzschaltbild des in 4 gezeigten LED-Arrays.

Es wird Bezug genommen auf 1, die einen Querschnitt eines Leuchtdiodenarrays 100 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt. Das LED-Array 100 umfasst ein Substrat 10, eine reflektierende Schicht 11 gebildet auf dem Substrat 10, eine isolierende transparente Haftschicht 12 gebildet auf der reflektierenden Schicht 11, eine transparente leitende Schicht 13 gebildet auf der isolierenden transparenten Haftschicht 12, eine erste leitende Halbleiterstapelschicht 14 gebildet auf der transparenten leitenden Schicht 13, eine lichtemittierende Schicht 15 gebildet auf der ersten leitenden Halbleiterstapelschicht 14 und eine zweite leitende Halbleiterstapelschicht 16 gebildet auf der lichtemittierenden Schicht 15.
Ein Graben wird gebildet durch das aufeinander folgende Wegätzen eines Abschnitts der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht 16, der lichtemittierenden Schicht 15, der ersten leitenden Halbleiterstapelschicht 14, der transparenten leitenden Schicht 13 und der isolierenden transparenten Haftschicht 12, und daher ist das LED-Array 100 in eine erste LED 110 und eine zweite LED 120 geteilt, welche beide das Substrat 10 gemeinsam haben. Darüber hinaus wird ein freiliegender Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht durch selektives Ätzen sowohl der ersten LED 110 als auch der zweiten LED 120 bis zu der transparenten leitenden Schicht 13 gebildet. Wie insbesondere in 1 und 2 zu erkennen ist, werden dabei die Schichten 16, 15, 14 nur in einem relativ kleinen Flächenbereich, z. B. an einer Ecke, entfernt, um die transparente leitende Schicht 13 freizulegen.
Das LED-Array 100 umfasst ferner eine isolierende Schicht 17, die zum elektrischen Isolieren der ersten LED 110 von der zweiten LED 120 so gebildet wird, dass sie die erste LED 110 und die zweite LED 120 umgibt. Erste Kontakte 18 werden auf der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht 16 der ersten LED 110 beziehungsweise der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht 16 der zweiten LED 120 gebildet. Zweite Kontakte 19 werden auf dem freiliegenden Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht der ersten LED beziehungsweise dem freiliegenden Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht der zweiten LED gebildet, und dann wird eine leitende Leitung zum elektrischen Verbinden des zweiten Kontakts der ersten LED 110 mit dem ersten Kontakt der zweiten LED 120 gebildet.
Die reflektierende Schicht 11 kann auch zwischen der transparenten leitenden Schicht 13 und der Haftschicht 12 gebildet werden. Die reflektierende Schicht 11 ist vorgesehen, um die Leuchtdichte des LED-Arrays 100 durch Reflektieren des auf das Substrat 10 geworfenen Lichtes zu erhöhen. Das LED-Array 100 kann jedoch auch ohne die reflektierende Schicht 11 arbeiten.
Die isolierende transparente Haftschicht 12 wird eingebaut, um die erste LED 110 und die zweite LED 120 von dem Substrat 10 elektrisch zu isolieren. Die isolierende transparente Haftschicht 12 kann durch eine leitende Haftschicht aus Metall oder Lot ersetzt werden. Es muß jedoch eine isolierende Schicht, die eine elektrische Isolation schafft, zusätzlich zwischen dem Substrat 10 und der leitenden Haftschicht 12 oder zwischen der leitenden Haftschicht 12 und der transparenten leitenden Schicht 13 eingerichtet werden, um die erste LED 110 und die zweite LED 120 von dem Substrat 10 zu isolieren.
Der Graben isoliert elektrisch zusammen mit der isolierenden Schicht 17 die erste LED 110 von der zweiten LED 120. Das LED-Array 100 kann jedoch ferner einen zwischen der ersten LED 110 und der zweiten LED 120 gebildeten ionenimplantierten Bereich zum elektrischen Isolieren der ersten LED 110 von der zweiten LED 120 umfassen.
Das Substrat 10 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus GaP. GaAs, Si, SiC, Al₂O₃, Glas, Quarz, GaAsP, AlN. Metall und AlGaAs besteht. Die isolierende transparente Haftschicht 12 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Polyimid (PI), Benzocyclobuten (BCB) und Perfluorocyclobuten (PFCB) besteht. Die reflektierende Schicht 11 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist. die aus In, Sn, Al, Au, Pt, Zn, Ge, Ag, Ti, Pb, Pd, Cu, AuBe, AuGe, Ni, PbSn. AuZn und Indium-Zinnoxid (ITO) besteht. Die lichtemittierende Schicht 15 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus AlGaInP, GaN, InGaN, AlInGaN und ZnSe besteht. Die transparente leitende Schicht 13 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Indium-Zinnoxid (ITO), Cadmium-Zinnoxid (CTO), Antimonium-Zinnoxid (ATO), Zinkoxid und Zink-Zinnoxid besteht. Die isolierende Schicht 17 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus SiO₂ und SiN_x besteht. Die erste leitende Halbleiterstapelschicht 14 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus AlInP, AlN, GaN, InGaN, AlGaN und AlInGaN besteht. Die zweite leitende Halbleiterstapelschicht 16 besteht zumindest aus einem Material, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist. die aus AlInP, AlN, GaN, InGaN, AlGaN und AlInGaN besteht.
Da die isolierende transparente Haftschicht 12 einen hohen Widerstand aufweist und in der Lage ist, das Substrat 10 von der ersten LED 110 und der zweiten LED 120 elektrisch zu isolieren, wenn sie zwischen diesen eingebracht wird, kann die erste LED 110 und die zweite LED 120 nicht nur ein III-V-Nitridmaterial, sondern auch ein quaternäres Material umfassen. Darüber hinaus kann, da das Substrat 10 von den LEDs 110 und 120 elektrisch isoliert ist, das Substrat 10 ein isolierendes Substrat, ein Substrat mit einem hohen Widerstand, ein leitendes Substrat oder ein Substrat mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit sein, welches die Fähigkeit aufweist, die Wärmeableitung des LED-Arrays 100 zu verbessern.
Ein Leuchtdiodenarray gemäß der vorliegenden Erfindung weist also zumindest zwei, im dargestellten Ausführungsbeispiel 4 LEDs auf, die jeweils als Stapelschicht auf einer auf einem Substrat vorgesehenen Haftschicht ausgebildet sind. Je nach den Anforderungen an das Leuchtdiodenarray kann dieses auch jede andere beliebige Vielzahl von LEDs umfassen.
Jede dieser lichtemittierenden Stapelschichten umfasst in dieser Reihenfolge eine transparente leitende Schicht 13, eine erste Halbleiterstapelschicht 14 eines ersten Halbleitertyps, eine lichtemittierende Schicht 15 und eine zweite Halbleiterstapelschicht 16 eines zweiten Leitertyps. Ein erster Kontakt 18 ist auf der zweiten Halbleiterstapelschicht 16 vorgesehen, während die erste Halbleiterstapelschicht 14 mit einem zweiten Kontakt 19 elektrisch verbunden ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die elektrische Verbindung des zweiten Kontakts 19 mit der ersten Halbleiterstapelschicht 14 über die transparente leitende Schicht 13.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die erste oder untere Halbleiterstapelschicht 14 eine n-leitende Halbleiterstapelschicht während die zweite oder obere Halbleiterstapelschicht 16 p-leitend ist.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen des erfindungsgemäßen Leuchtdiodenarrays sowie der einzelnen LEDs sind möglich. Beispielsweise ist es denkbar, die elektrische Verbindung zwischen der ersten, unteren Halbleiterstapelschicht 14 und dem zweiten Kontakt 19 nicht über die transparente leitende Schicht 13 zu realisieren, sondern den Kontakt 19 in einem oberen Flächenbereich der ersten Halbleiterstapelschicht 14 vorzusehen, der in ähnlicher Weise freigelegt ist, wie der Oberflächenbereich der transparenten leitenden Schicht 13 beim Ausführungsbeispiel nach 1 und 2.
Ein erfindungsgemäßes Leuchtdiodenarray umfasst, also ein Substrat, eine Haftschicht gebildet auf dem Substrat und eine Vielzahl von elektrisch verbundenen epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten, die auf der Haftschicht angeordnet sind. Jede der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten weist einen p-Kontakt und n-Kontakt auf, der auf der gleichen Seite der Stapelschicht wie der p-Kontakt liegt. Das Leuchtdiodenarray weist verbesserte Wärmebelüftungseigenschaften auf.

Claims

Leuchtdiodenarray (100) mit: - einem Substrat (10); - einer auf dem Substrat (10) gebildeten isolierenden Haftschicht (12), wobei die isolierende Haftschicht (12) zumindest ein Material ausgewählt aus der Gruppe Polyimid, Benzocyclobuten und Perfluorocyclobuten umfasst, mit einem ersten Haftbereich und einem von diesem räumlich getrennten, zweiten Haftbereich; - einer ersten epitaktischen lichtemittierenden Stapelschicht, die auf dem ersten Haftbereich der isolierenden Haftschicht (12) angeordnet ist, - einer zweiten epitaktischen lichtemittierenden Stapelschicht, die auf dem zweiten Haftbereich der isolierenden Haftschicht (12) angeordnet ist, - wobei die erste und zweite Stapelschicht durch einen geätzten Graben, der sich bis auf das Substrat (10) erstreckt, voneinander getrennt sind, - wobei die epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten jeweils eine untere transparente leitende Schicht (13), darauf eine erste leitende Schicht (14), darauf eine lichtemittierende Schicht (15) und darauf eine zweite leitende Halbleiterstapelschicht (16) aufweisen, - wobei die zweite leitende Halbleiterstapelschicht (16), die lichtemittierende Schicht (15) und die erste leitende Schicht (14) der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten nur in einem kleinem Eckbereich durch selektives Ätzen entfernt sind und die transparente leitende Schicht (13) nur in diesem kleinen Eckbereich freigelegt ist, - wobei jede der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten einen p-Kontakt und einen n-Kontakt umfasst, wobei der eine Kontakt auf der zweiten leitenden Halbleiterstapelschicht (16) und der andere Kontakt auf der transparenten leitenden Schicht (13) im kleinen Eckbereich angeordnet sind und die Kontakte an jeweils gegenüberliegenden Eckbereichen der epitaktischen lichtemittierenden Stapelschichten angeordnet sind.
Leuchtdiodenarray (100) nach Anspruch 1, wobei die Haftschicht (12) für Licht von der ersten lichtemittierenden Stapelschicht und der zweiten lichtemittierenden Stapelschicht im Wesentlichen transparent ist.
Leuchtdiodenarray (100) nach Anspruch 2, weiter aufweisend eine auf der transparenten Haftschicht (12) gebildete reflektierende Schicht (11).
Leuchtdiodenarray (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) zumindest ein Material umfasst, das aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die aus Al₂O₃, Glas, und AlN besteht.
Leuchtdiodenarray (100) nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine elektrische Leitung, die den p-Kontakt der ersten lichtemittierenden Stapelschicht mit dem n-Kontakt der zweiten lichtemittierenden Stapelschicht verbindet.