Светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты)
Использование: в источниках света, в устройствах отображения информации и других устройствах. Технический результат изобретения: создание светоизлучающего устройства, работающего при высоком напряжении возбуждения и малом токе возбуждения. Сущность: светоизлучающее устройство выполнено так, что на изолирующей подложке сформировано множество светодиодных элементов на основе GaN. Множество светодиодных элементов расположено на изолирующей подложке в виде двумерной структуры. Светодиодные элементы сгруппированы в первую группу и вторую группу с одинаковым количеством элементов, при этом первая и вторая группы включены между двумя электродами встречно-параллельно для подачи питания переменного тока. Электрод одного из светодиодных элементов первой группы электрически соединен и является общим с электродом одного из светодиодных элементов второй группы, соседним с указанным одним из светодиодных элементов первой группы. Каждая из групп может быть также размещена в виде зигзагообразной структуры. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 31 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, в котором на подложке сформировано множество светоизлучающих элементов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Когда светоизлучающее средство, например светоизлучающий элемент (светодиод), используется для отображения информации и т.п., типичное напряжение возбуждения обычно составляет приблизительно от 1 В до 4 В, а ток - приблизительно 20 мА. Последние достижения в области коротковолновых светодиодов, в которых используются полупроводники на основе GaN, и выход на коммерческий рынок многоцветных твердотельных источников света, источников белого цвета и т.д., привели к рассмотрению возможности использования светодиодов в качестве источников освещения. Когда светодиод используется для освещения, могут возникать ситуации, при которых светодиод используется при условиях, отличающихся от вышеописанных 1 В - 4 В для напряжения возбуждения и 20 мА для тока возбуждения. В результате были предприняты меры, чтобы повысить ток через светодиод и повысить интенсивность светового излучения. Для обеспечения пропускания большего тока область р-n перехода в светодиоде необходимо увеличивать, чтобы плотность тока уменьшилась.
Когда светодиод используется в качестве источника света, удобно использовать источник питания переменного тока и напряжения возбуждения 100 В или выше. Кроме того, если необходимо получить такую же интенсивность излучения при подаче той же мощности, можно снизить потери мощности путем подачи высокого напряжения при сохранении малой величины тока. Однако в известных светодиодах не всегда можно увеличить напряжение возбуждения в достаточной степени.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание светоизлучающего устройства, которое может работать при высоком напряжении возбуждения.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения, предлагается светоизлучающее устройство, в котором множество светоизлучающих элементов на основе GaN сформировано на изолирующей подложке, и эти светоизлучающие элементы сформированы монолитно и соединены последовательно.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве, множество светоизлучающих элементов было расположено на подложке в виде двумерной структуры.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов было сгруппировано в две группы, и эти две группы были включены между двумя электродами параллельно, с противоположной полярностью.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов было соединено воздушными перемычками.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов было электрически разделено сапфиром, который используется в качестве подложки.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов было сгруппировано в две группы, содержащие равное количество светоизлучающих элементов, причем светоизлучающие элементы в каждой группе расположены зигзагом, и эти две группы светоизлучающих элементов включены между двумя электродами параллельно, с противоположной полярностью. Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве две группы светоизлучающих элементов были расположены с чередованием.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве светоизлучающие элементы и электроды были плоскими и имели приблизительно квадратную или треугольную форму.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве множество светоизлучающих элементов и электроды в целом имело приблизительно квадратную форму.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве электрод являлся электродом для подачи питания переменного тока.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы в светоизлучающем устройстве две группы светоизлучающих элементов имели общий n-электрод.
В настоящем изобретении множество светоизлучающих элементов сформировано монолитно, то есть на одной подложке, и соединены последовательно. При такой структуре настоящее изобретение позволяет подать высокое напряжение возбуждения. Соединяя множество светоизлучающих элементов в одном направлении, можно обеспечить возбуждение постоянным током. Группируя множество светоизлучающих элементов в две группы и включая эти две группы между электродами так, чтобы в этих двух группах (матрицах светоизлучающих элементов) светоизлучающие элементы имели противоположные полярности друг относительно друга, можно обеспечить также возбуждение переменным током. Количество элементов в группах может быть одинаковым или разным.
Существуют различные способы двумерного размещения или упорядочения множества светоизлучающих элементов, и желателен способ, при котором площадь, занимаемая на подложке, была бы минимальной. Например, при размещении двух групп светоизлучающих элементов зигзагообразно, то есть при размещении множества светоизлучающих элементов вдоль изогнутой линии и при поочередном размещении светоизлучающих элементов матриц, можно эффективно использовать площадь подложки и соединить большее количество светоизлучающих элементов. Когда две матрицы светоизлучающих элемента расположены с чередованием, возможно возникновение участков пересечений линий. Можно эффективно предотвратить короткое замыкание на участках пересечений путем соединения светоизлучающих элементов воздушными (проходящими в воздухе) перемычками. Форма светоизлучающих элементов и электродов ничем не ограничена. Если светоизлучающие элементы и электроды являются планарными, например приблизительно квадратными, то и форма всей конструкции становится приблизительно квадратной, что позволяет использовать стандартную конструкцию держателя. Кроме того, для светоизлучающих элементов и электродов можно использовать и другую геометрическую форму, кроме квадратной, например треугольную, но так, чтобы в результате комбинации треугольников вся конструкция в целом имела приблизительно квадратную форму и, как следствие, можно было использовать стандартную конструкцию держателя аналогичным образом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 схематично показана базовая структура светоизлучающего элемента (светодиода),
на фиг.2 показана эквивалентная схема светоизлучающего устройства,
на фиг.3 показан вид сверху двух светодиодов,
на фиг.4 показано сечение по линии IV-IV, изображенной на фиг.3,
на фиг.5 показана другая эквивалентная схема светоизлучающего устройства,
на фиг.6 показана схема структуры, в которой 40 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.7 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.6,
на фиг.8 показана схема структуры, в которой 6 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.9 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.8,
на фиг.10 показана схема структуры, в которой 14 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.11 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.10,
на фиг.12 показана схема структуры, в которой 6 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.13 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.12,
на фиг.14 показана схема структуры, в которой 16 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.15 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.14,
на фиг.16 показана схема структуры, включающей 2 светодиода,
на фиг.17 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.16,
на фиг.18 показана схема структуры, в которой 4 светодиода расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.19 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.18,
на фиг.20 показана схема структуры, в которой 3 светодиода расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.21 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.20,
на фиг.22 показана схема структуры, в которой 6 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.23 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.22,
на фиг.24 показана схема структуры, в которой 5 светодиодов расположены в двумерной конфигурации,
на фиг.25 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.24,
на фиг.26 показана схема другой двумерной конфигурации,
на фиг-27 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.26,
на фиг.28 показана схема еще одной двумерной конфигурации,
на фиг.29 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.28,
на фиг.30 показана схема еще одной двумерной конфигурации,
на фиг.31 показана электрическая схема структуры, изображенной на фиг.30.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже со ссылками на чертежи описан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения.
На фиг.1 показана базовая структура светодиода 1, который представляет собой светоизлучающий элемент из полупроводника на основе GaN. Светодиод 1 имеет следующую структуру: на подложку 10 последовательно нанесены слой 12 из GaN, слой 14 n-типа из GaN, легированного Si, светоизлучающий слой 16 из InGaN, слой 18 из AIGaN и слой 20 р-типа из GaN, при этом электрод 22 р-типа сформирован на слое 20 р-типа из GaN, а электрод 24 n-типа сформирован на слое 14 n-типа из GaN,
Светодиод, изображенный на фиг.1, изготовлен следующим способом. Сначала подложку из сапфира, вырезанную в кристаллической плоскости, подвергают нагреву в течение 10 минут в атмосфере водорода при температуре 1100°С в установке химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Затем температуру уменьшают до 500°С и подают в течение 100 секунд газообразный силан и газообразный аммиак для формирования на подложке 10 разрывной пленки SiN. Такая технология используется для уменьшения плотности дислокации в устройстве, и на фиг.1 пленка SiN не показана. Затем при той же температуре подают триметил галлия и газообразный аммиак и выращивают пленку GaN толщиной 20 нм. Температуру повышают до 1050°С, и вновь подают триметил галлия и газообразный аммиак для выращивания нелегированного слоя 12 из GaN (u-GaN) и легированного кремнием слоя 14 n-типа из GaN толщиной 2 мкм каждый. Затем температуру уменьшают приблизительно до 700°С и выращивают светоизлучающую пленку 16 из InGaN толщиной 2 нм. Целевым составом является х=0,15, то есть In0.15Ga0.85N. После выращивания светоизлучающей пленки 16 температуру доводят до 1000°С и выращивают слой 18 из AlGaN для инжекции дырок и слой 20 р-типа из GaN.
После выращивания слоя 20 р-типа из GaN, пластину вынимают из MOCVD-устройства, и на поверхности выращенного слоя последовательным напылением в вакууме выращивают слой Ni толщиной 10 нм и слой Au толщиной 10 нм. Затем проводят термообработку при температуре 520°С в атмосфере азота, содержащей 5% кислорода, чтобы в результате металлическая пленка превратилась в прозрачный электрод 22 р-типа. После формирования прозрачного электрода на всю поверхность наносят фоторезист и производят травление для формирования электрода n-типа с использованием фоторезиста в качестве фотошаблона. Глубина травления составляет, например, приблизительно 600 нм. На слой 14 n-типа из GaN, обнажившийся в результате травления, наносят слой из Ti толщиной 5 нм и слой Al толщиной 5 нм, и производят термообработку в атмосфере азота при температуре 450°С в течение 30 минут для формирования электрода 24 n-типа. Наконец, с тыльной стороны подложку 10 доводят до толщины 100 мкм и полученные чипы разрезают и устанавливают с формированием светодиода 1.
На фиг.1 на подложке 1 сформирован один светодиод 1 на основе GaN, но в данном варианте выполнения изобретения множество светодиодов 1 монолитно сформировано на подложке 10 в виде двумерной матрицы, и эти светодиоды соединены с формированием светоизлучающего устройства (чипа). В данном контексте термин "монолитный" указывает на то, что все элементы сформированы на одной единой подложке.
На фиг.2 показана эквивалентная схема светоизлучающего устройства. На фиг.2 светоизлучающие элементы, сформированные в виде двумерной матрицы, сгруппированы в две группы с одинаковым количеством светоизлучающих элементов (на фиг.2 показано по 4 светоизлучающих элемента в группе). Светодиоды 1 в каждой группе соединены последовательно, а две группы светодиодных матриц включены параллельно между питающими электродами (электродами возбуждения) так, что эти две группы включены с противоположной полярностью. При этом, соединяя светодиоды в матрицы последовательно, можно возбуждать светодиоды 1 высоким напряжением, равным сумме напряжений возбуждения для каждого светодиода. Поскольку матрицы светодиодов включены между электродами параллельно с противоположной полярностью, то даже при использовании источника питания переменного тока в каждый период напряжения источника питания одна из матриц светодиодов всегда будет испускать свет, что позволяет обеспечить эффективное световое излучение.
На фиг.3 на виде сверху частично показано множество светодиодов, монолитно сформированных на подложке 10. На фиг.4 показано сечение по линии IV-IV на фиг.3. На фиг.3 р-электрод 22 и n-электрод 24 сформированы на верхней поверхности светодиода 1, как показано на фиг.1. Электроды 22 и 24 соседних светодиодов 1 соединены навесной перемычкой 28, а множество светодиодов 1 соединены последовательно.
На фиг.4 с пояснительной целью светодиоды 1 показаны упрощенно. А именно, показаны только слой 14 n-GaN, слой 20 p-GaN, электрод 22 и электрод 24. В реальных приложениях имеется также светоизлучающий слой 16 из InGaN, как показано на фиг.1. Навесная воздушная перемычка 28 проходит от электрода 22 к электроду 24 в воздухе. При этом, в отличие от способа, в котором используется нанесение изолирующей пленки на поверхность элемента, формирование электродов на изолирующей пленке и электрическое соединение р-электрода 22 и n-электрода 24, удается избежать проблемы деградации светодиодов 1 в результате тепловой диффузии элементов, формирующих изолирующий материал, в слой n-типа и слой р-типа от линии разделения или изолирующей пленки, поскольку отпадает необходимость в размещении электродов вдоль протравленных канавок. В дополнение к соединению светодиодов 1 воздушная перемычка 28 используется также для соединения светодиода 1 и электрода, который на фиг.4 не показан.
Кроме того, как показано на фиг.4, светодиоды 1 должны быть независимыми и электрически изолированными друг от друга. С этой целью светодиоды 1 отделены друг от друга на сапфировой подложке 10. Поскольку сапфир является изолирующим материалом, оказывается возможным электрически разделить светодиоды 1. При использовании сапфировой подложки 10 в качестве изолирующего тела для обеспечения электрического разделения между светодиодами это разделение можно осуществить легко и надежно.
В качестве светоизлучающего элемента вместо светодиода, имеющего р-n переход, можно также использовать МДП-структуру (структуру металл-диэлектрик-полупроводник).
На фиг.5 показана другая эквивалентная схема светоизлучающего устройства. На фиг.5 двадцать светодиодов 1 соединены последовательно с формированием одной матрицы светодиодов, а две такие матрицы светодиодов (в общей сложности 40 светодиодов) подключены к источнику питания параллельно. Напряжение возбуждения светодиода 1 равно 5 В, и, таким образом, напряжение возбуждения каждой матрицы светодиодов составляет 100 В. Две матрицы светодиодов включены параллельно источнику питания в противоположной полярности, аналогично тому, как показано на фиг.2. Независимо от полярности источника питания один из матриц светодиодов всегда излучает свет.
На фиг.6 показана конкретная конструкция двумерной матрицы, соответствующая эквивалентной схеме на фиг.2. На фиг.6 в общей сложности 40 светодиодов 1 сформированы на сапфировой подложке 10 и сгруппированы в две группы по 20 светодиодов 1. Группы светодиодов 1 соединены последовательно воздушными перемычками 28 с формированием двух матриц светодиодов. Более конкретно, все светодиоды 1 являются квадратными и имеют одинаковые размеры и форму. Первая матрица светодиодов содержит, сверху вниз, горизонтальный ряд из 6 светодиодов, расположенных по прямой линии, ряд из 7 светодиодов, расположенных по прямой линии, и ряд из 7 светодиодов, расположенных по прямой линии. Первый ряд (6 светодиодов) и второй ряд (7 светодиодов) обращены в противоположные стороны, а второй ряд и третий ряд также обращены в противоположные стороны. Первый ряд и второй ряд отделены друг от друга, и второй ряд и третий ряд отделены друг от друга, поскольку между ними через один расположены ряды другой матрицы светодиодов, как описано ниже. Крайний правый светодиод 1 из первого ряда и крайний правый светодиод 1 из второго ряда соединены воздушной перемычкой 28, а крайний левый светодиод 1 из второго ряда и крайний левый светодиод 1 из третьего ряда соединены воздушной перемычкой 28 с формированием зигзагообразной конфигурации. Крайний левый светодиод 1 из первого ряда соединен с электродом (контактной площадкой) 32, сформированным в левой верхней секции подложки 10, воздушной перемычкой 28, а крайний правый светодиод 1 из третьего ряда соединен с электродом (контактной площадкой) 32, сформированным в нижней правой секции подложки 10, воздушной перемычкой 28. Эти два электрода (контактные площадки) 32 имеют такую же квадратную форму, как и светодиоды 1. Вторая матрица светодиодов сформирована в промежутках первой матрицы светодиодов. Более конкретно, во второй матрице светодиодов, сверху вниз, 7 светодиодов, 7 светодиодов и 6 светодиодов расположены по прямым горизонтальным линиям, причем первый ряд сформирован между первым рядом и вторым рядом первой матрицы светодиодов, второй ряд сформирован между вторым рядом и третьим рядом первой матрицы светодиодов, а третий ряд сформирован ниже третьего ряда первой матрицы светодиодов. Первый ряд и второй ряд второй матрицы светодиодов обращены в противоположные стороны, и второй ряд и третий ряд второй матрицы светодиодов обращены в противоположные стороны. Крайний правый светодиод 1 первого ряда соединен с крайним правым светодиодом 1 второго ряда воздушной перемычкой 28, а крайний левый светодиод 1 второго ряда соединен с крайним левым светодиодом 1 третьего ряда воздушной перемычкой 28 с формированием зигзагообразной конфигурации. Крайний левый светодиод первого ряда второй матрицы светодиодов соединен с электродом 32, сформированным в левой верхней секции подложки 10, воздушной перемычкой 28, а крайний правый светодиод 1 третьего ряда соединен с электродом 32, сформированным в правой нижней секции подложки 10, воздушной перемычкой 28. Полярности матриц светодиодов относительно электродов 32 противоположны друг другу. Форма светоизлучающего устройства (чипа) в целом является прямоугольной. Следует отметить, что два электрода 32, к которым подключен источник питания, расположены на противоположных концах диагонали прямоугольника и пространственно разнесены.
На фиг.7 показана электрическая схема конструкции, изображенной на фиг.6. Видно, что каждая матрица состоит из последовательно соединенных светодиодов и изогнута в виде зигзагообразной структуры, а две матрицы светодиодов содержат зигзагообразные ряды, расположенные между рядами другой матрицы светодиодов. При такой конфигурации удается разместить на одной подложке 10 множество светодиодов 1. Кроме того, поскольку для 40 светодиодов 1 требуются только два электрода 32, эффективность использования подложки 10 можно повысить. Кроме того, когда светодиоды 1 сформированы индивидуально, для разделения светодиодов 1 плату необходимо разрезать, но в данном варианте выполнения изобретения разделение между светодиодами 1 может быть достигнуто путем травления, что позволяет сузить зазор между светодиодами 1. При такой конфигурации можно еще больше уменьшить размер сапфировой подложки 10. Разделение светодиодов 1 достигается удалением областей вне светодиодов 1 до достижения подложки 10 путем травления с использованием фоторезиста, травления химически активными ионами и влажного травления. Поскольку матрицы светодиодов испускают свет поочередно, эффективность свечения может быть повышена при одновременном улучшении теплового рассеяния. Кроме того, изменяя количество светодиодов 1, соединенных последовательно, можно менять полное напряжение возбуждения. Кроме того, при уменьшении площади светодиода 1 можно повысить напряжение возбуждения светодиода. Когда 20 светодиодов 1 соединены последовательно и возбуждаются от электросети (100 В, 60 Гц), можно достичь мощности свечения приблизительно 150 мВт. Ток возбуждения в этом случае составляет приблизительно 20 мА.
Из фиг.7 очевидно, что когда две матрицы светодиодов расположены зигзагообразно с чередованием, неизбежно возникает пересечение 34 воздушных перемычек 28. Например, когда первый ряд и второй ряд второй матрицы светодиодов соединяются, эта часть пересекает часть линии соединения первого ряда и второго ряда первой матрицы светодиодов. Однако воздушная перемычка 28 в данном варианте выполнения изобретения не прикреплена к подложке 10, как описано выше, а идет по воздуху на расстоянии от подложки 10. Вследствие такой конструкции удается легко избежать контакта воздушных перемычек 28 в пересекающихся частях. Это является одним из преимуществ использования воздушных перемычек 28. Воздушная перемычка 28 сформирована, например, по следующей технологии. Фоторезист наносят по всей поверхности на толщину 2 мкм, а после того, как будет открыто окно в форме воздушной перемычки, сушат. На эту структуру посредством вакуумного испарения напыляют пленку Ti толщиной 10 нм и пленку Au толщиной 10 нм. Вновь по всей поверхности наносят фоторезист толщиной 2 мкм, и открывают окна в частях, в которых должны быть сформированы воздушные перемычки. Затем, используя Ti и Au как электроды, осаждают Au по всей поверхности электродов на толщину 3-5 мкм посредством ионного осаждения (металлизации) в электролите. Затем образец погружают в ацетон, фоторезист растворяют и удаляют с помощью ультразвуковой очистки, и на этом изготовление воздушной перемычки 28 заканчивается.
При этом путем размещения множества светодиодов 1 в виде двумерной матрицы можно эффективно использовать площадь подложки и обеспечить подачу высокого напряжения возбуждения, в частности, возбуждение от сетей электроснабжения. В качестве структуры двумерной матрицы можно использовать и другие конфигурации. В общем случае, конфигурация двумерной матрицы предпочтительно должна удовлетворять следующим условиям:
(1) форма светодиодов и положения электродов предпочтительно должны быть одинаковыми, что обеспечивает протекание через светодиоды одинакового тока и, следовательно, однородное свечение;
(2) стороны светодиодов предпочтительно являются прямыми линиями, что облегчает резку платы на чипы;
(3) светодиод предпочтительно имеет плоскую форму, близкую к квадратной, что позволяет использовать стандартный держатель и использовать отражение от краев для повышения эффективности выхода света;
(4) размер двух электродов (контактных площадок) предпочтительно составляет приблизительно 100 квадратных микрометров, и эти два электрода предпочтительно отделены друг от друга; и
(5) с целью эффективного использования площади платы доля площади соединительных линий и контактной площадки предпочтительно должна быть минимальной.
Эти условия не являются обязательными, и можно, например, выполнить светодиод в виде плоского треугольника. Даже при треугольных светодиодах общая приблизительно квадратная форма может быть обеспечена за счет объединения треугольников. Ниже описаны некоторые примеры конфигураций двумерных матриц.
На фиг.8 показана двумерная конфигурация в общей сложности из 6 светодиодов 1, а на фиг.9 показана электрическая схема для этой конфигурации. Расположение на фиг.8 в основном идентично расположению на фиг.6. Шесть светодиодов сгруппированы в две группы с одинаковым количеством элементов и образуют матрицы светодиодов, в которых три светодиода соединены последовательно. Первая матрица светодиодов размещена зигзагообразно, при этом в первом ряду имеется один светодиод, а во втором ряду имеется два светодиода. Светодиод из первого ряда и крайний правый светодиод 1 из второго ряда соединены последовательно воздушной перемычкой 28, а два светодиода 1 из второго ряда соединены последовательно воздушной перемычкой 28. Электроды (контактные площадки) 32 сформированы в верхней секции с левой стороны и в нижней секции с левой стороны подложки 10. Светодиод 1 из первого ряда соединен с электродом 32 в верхней секции с левой стороны воздушной перемычкой, а крайний левый светодиод 1 из второго ряда соединен с электродом 32 в нижней секции с левой стороны. Вторая матрица светодиодов также идет зигзагообразно и содержит два светодиода 1 в первом ряду и один светодиод 1 во втором ряду. Первый ряд второй матрицы светодиодов сформирован между первым рядом и вторым рядом первой матрицы светодиодов, а второй ряд второй матрицы светодиодов сформирован ниже второго ряда первой матрицы светодиодов. Крайний правый светодиод 1 из первого ряда соединен последовательно со светодиодом 1 из второго ряда воздушной перемычкой 28, а эти два светодиода 1 в первом ряду соединены последовательно воздушной перемычкой 28. Крайний левый светодиод из первого ряда соединен с электродом 32 в верхней секции с левой стороны воздушной перемычкой 28, а светодиод 1 из второго ряда соединен с электродом 32 в нижней секции с левой стороны воздушной перемычкой 28. Как видно на фиг.9, в этой конфигурации две матрицы светодиодов также включены между электродами 32 параллельно, в противоположной полярности. Поэтому при подключении источника питания переменного тока две матрицы светодиодов испускают свет поочередно.
На фиг.10 показана двумерная конфигурация в общей сложности из 14 светодиодов, а на фиг.11 показана электрическая схема для этой конфигурации. 14 светодиодов сгруппированы в две группы с одинаковым количеством элементов и образуют матрицы светодиодов, в которых 7 светодиодов соединены последовательно. Первая матрица светодиодов размещена зигзагообразно, причем в первом ряду имеется 3 светодиода 1, во втором ряду имеется 4 светодиода 1. Крайний левый светодиод из первого ряда и крайний левый светодиод 1 из второго ряда соединены последовательно воздушной перемычкой 28, 3 светодиода из первого ряда соединены последовательно воздушными перемычками 28, и 4 светодиода 1 из второго ряда соединены последовательно воздушными перемычками 28. Электроды (контактные площадки) 32 сформированы в верхней правой секции и в нижней правой секции подложки 10, крайний правый светодиод 1 из первого ряда соединен с электродом 32 в верхней правой секции воздушной перемычкой, а крайний правый светодиод 1 из второго ряда соединен с электродом 32 в нижней правой секции. Вторая матрица светодиодов также идет зигзагообразно, причем первый ряд содержит 4 светодиода 1, а второй ряд содержит 3 светодиода 1. Первый ряд второй матрицы светодиодов сформирован между первым рядом и вторым рядом первой матрицы светодиодов, а второй ряд второй матрицы светодиодов сформирован ниже второго ряда первой матрицы светодиодов. Крайний левый светодиод 1 из первого ряда соединен последовательно с крайним левым светодиодом 1 из второго ряда воздушной перемычкой 28. 4 светодиода 1 в первом ряду соединены последовательно, и 3 светодиода 1 во втором ряду соединены последовательно. Крайний правый светодиод 1 в первом ряду соединен с электродом 32 в верхней правой секции воздушной перемычкой 28, а крайний правый светодиод 1 во втором ряду соединен с электродом 32 в нижней правой секции воздушной перемычкой 28. Как видно на фиг.11, в этой конфигурации две матрицы светодиодов также включены между электродами 32 параллельно, в противоположной полярности. Поэтому при подключении источника питания переменного тока две матрицы светодиодов испускают свет поочередно.
Общими характеристиками двумерных конфигураций, изображенных на фиг.6, 8 и 10, является то, что светодиоды 1 имеют приблизительно одинаковую квадратную форму и одинаковые размеры, два электрода (контактные площадки) также имеют приблизительно квадратную форму и не расположены рядом друг с другом (сформированы отдельно друг от друга), причем вся конфигурация является комбинацией двух матриц светодиодов, которые изогнуты, пересекают друг друга на чипе и включены между электродами в противоположной полярности и т.д.
На фиг.12 показана двумерная конфигурация, в которой светодиоды имеют треугольную форму, а на фиг.13 показана принципиальная электрическая схема этой конфигурации. На фиг.12 в общей сложности 6 светодиодов: светодиоды 1а, 1b, 1c, 1d, 1e и 1f сформированы так, что они имеют планарную треугольную конфигурацию. Светодиоды 1а и 1e лежат друг напротив друга одной стороной треугольника так, что эти два светодиода образуют приблизительно квадрат, и светодиоды 1b и 1f также расположены друг напротив друга так, что образуют приблизительно квадрат. Светодиод 1d и электрод 32 расположены друг напротив друга и соединены друг с другом, и светодиод 1e и электрод 32 расположены друг напротив друга и соединены друг с другом. Аналогично светодиодам, эти два электрода 32 также имеют форму плоского треугольника и размещены так, что совместно с соседними светодиодами образуют приблизительно квадрат. Противолежащие стороны светодиодов образуют n-электрод 24, то есть два противолежащих светодиода совместно используют n-электрод 24. Точно так же светодиод и электрод 32 соединены через n-электрод. В данной конфигурации эти 6 светодиодов также сгруппированы в две группы аналогично вышеописанным конфигурациям. Первая матрица светодиодов включает светодиоды 1а, 1b и 1c. Р-электрод 22 светодиода 1а соединен с электродом 32 воздушной перемычкой 28, и n-электрод 24 светодиода 1а соединен с р-электродом 22 светодиода 1b воздушной перемычкой 28. N-электрод 24 светодиода 1b соединен с р-электродом 22 светодиода 1c воздушной перемычкой 28. М-электрод 24 светодиода 1c соединен с электродом 32. Вторая матрица светодиодов включает светодиоды 1d, 1e и 1f. Электрод 32 соединен с р-электродом 22 светодиода 1f воздушной перемычкой 28, n-электрод 24 светодиода 1f соединен с р-электродом 22 светодиода 1e воздушной перемычкой 28, n-электрод 24 светодиода 1e соединен с р-электродом 22 светодиода 1d воздушной перемычкой 28, а n-электрод 24 светодиода 1d соединен с электродом 32.
В связи с фиг.13 следует отметить, что n-электрод светодиода 1а, который является частью первой матрицы светодиодов, соединен с n-электродом светодиода 1е, который является частью второй матрицы светодиодов, а n-электрод светодиода 1b, который является частью первой матрицы светодиодов, соединен с n-электродом светодиода 1f, который является частью второй матрицы светодиодов. Путем совместного использования некоторых n-электродов в двух матрицах светодиодов можно уменьшить количество схемных соединений. Кроме того, в этой конфигурации две матрицы светодиодов также включены между электродами 32 параллельно, в противоположной полярности. Светодиоды имеют одинаковую форму и размеры, и размещая светодиоды так, чтобы они прилегали друг к другу одной стороной, и формируя электрод 32 треугольной формы, можно образовать плотную упаковку светодиодов и электродов, уменьшив необходимую площадь подложки.
На фиг.14 показана еще одна конфигурацию, в которой светодиоды, имеющие форму плоского треугольника, образуют двумерную конфигурацию, а на фиг.15 показана электрическая схема для этой конфигурации. В данном случае в общей сложности 16 светодиодов 1а-1r сформированы в двумерной структуре. Светодиоды 1а и 1j, светодиоды 1b и 1k, светодиоды 1с и 1m, светодиоды 1d и 1n, светодиоды 1е и 1р, светодиоды 1f и 1q и светодиоды 1g и 1r лежат друг напротив друга одной стороной треугольника. N-электрод 24 является общим для светодиодов, лежащих друг напротив друга. Светодиод 1i и электрод 32 лежат друг напротив друга, а светодиод 1n и электрод 32 лежат друг напротив друга. Первая матрица светодиодов включает светодиоды 1а, 1b, 1с, 1d, 1е, 1f, 1g и 1n, а вторая матрица светодиодов включает светодиоды 1r, 1q, 1р, 1n, 1m, 1k, 1j, и 1i. N-электрод 24 светодиода 1b соединен с р-электродом 22 светодиода 1с воздушной перемычкой 28, а n-электрод 24 светодиода 1e соединен с р-электродом 22 светодиода 1f воздушной перемычкой 28. N-электрод 24 светодиода 1q соединен с р-электродом 22 светодиода 1р воздушной перемычкой 28, а n-электрод светодиода 1m соединен с р-электродом 22 светодиода 1k воздушной перемычкой 28. На фиг.14, как и на фиг.12, имеют место пересечения проводников, но короткого замыкания можно избежать с помощью воздушных перемычек 28. В этой конфигурации с целью уменьшения количества необходимых соединений некоторые из n-электродов 24 в двух матрицах светодиодов также сформированы в виде общих структур. Кроме того, в этой конфигурации две матрицы светодиодов также включены между электродами 32 параллельно, в противоположной полярности, и устройство может питаться от сети переменного тока. На фиг.12 показана конструкция из 6 светодиодов, а на фиг.14 - из 16 светодиодов. Аналогичное двумерное размещение может быть также достигнуто при другом количестве светодиодов. Авторы настоящего изобретения создали светоизлучающее устройство, в котором в двумерной структуре размещены 38 светодиодов.
Были описаны варианты питания от переменного тока, но структура может питаться и постоянным током. В этом случае матрицы светодиодов включают между электродами не так, чтобы пропускать ток в противоположных направлениях, а вместо этого матрицы светодиодов соединяют в прямом направлении относительно полярности источника питания постоянного тока. Путем соединения множества светодиодов последовательно можно достигнуть высокого напряжения возбуждения. Ниже описаны конфигурации для возбуждения постоянным током.
На фиг.16 показана конфигурация, в которой два светодиода соединены последовательно, а на фиг.17 показана электрическая схема для этой конфигурации. Каждый светодиод 1 имеет форму плоского прямоугольника, а два светодиода соединены воздушной перемычкой 28. Около каждого светодиода 1 сформирован электрод 32, причем электрод 32 и светодиод 1 совместно образуют прямоугольную область. Другими словами, электрод 32 занимает часть прямоугольной области, а светодиод 1 сформирован в другой части этой прямоугольной области.
На фиг.18 показана двумерная конфигурация, включающая 4 светодиода, а на фиг.19 показана электрическая схема для этой конфигурации. В этой конфигурации каждый из светодиодов 1, изображенных на фиг.16, разделен на два светодиода, и эти два светодиода соединены параллельно. Такая конфигурация также может быть описана как две матрицы светодиодов, каждая из которых состоит из двух светодиодов, соединенных параллельно в прямом направлении. Светодиоды 1а и 1b образуют одну матрицу светодиодов, а светодиоды 1с и 1d образуют другую матрицу светодиодов. Светодиоды 1а и 1с совместно используют р-электрод 22 и n-электрод 24, а светодиоды 1b и 1d также совместно используют р-электрод 22 и n-электрод 24. У такой конфигурации имеется преимущество, которое заключается в том, что электрический ток является более однородным по сравнению с конфигурацией, изображенной на фиг.16.
На фиг.20 показана двумерная конфигурация, включающая три светодиода, а на фиг.21 показана электрическая схема для этой конфигурации. Светодиоды 1а, 1b и 1с имеют разную форму, а электрод 32 сформирован в части светодиода 1а. N-электрод 24 светодиода 1а соединен с р-электродом светодиода 1b воздушной перемычкой 28, проходящей над светодиодом 1b. Путем подбора формы и расположения светодиодов, даже при использовании трех светодиодов, можно добиться, чтобы форма светоизлучающего устройства в целом была близка к квадратной.
На фиг.22 показана двумерная конфигурация, включающая в общей сложности 6 светодиодов, а на фиг.23 показана электрическая схема для этой конфигурации. Светодиоды 1a-1f имеют одинаковую форму и размеры и соединены последовательно. Светодиоды 1а-1с размещены по прямой линии, а светодиоды 1d-1f размещены на другой прямой линии. Светодиоды 1с и 1d соединены воздушной перемычкой 28. При такой конфигурации также можно добиться, чтобы форма всего чипа была близка к квадратной.
На фиг.24 показана двумерная конфигурация, включающая в общей сложности 5 светодиодов, а на фиг.25 показана электрическая схема для этой конфигурации. Светодиоды 1а-1е имеют одинаковую (прямоугольную) форму и одинаковые размеры. При такой конфигурации также можно добиться, чтобы форма всего чипа была близка к квадратной.
Был описан предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение не ограничено этим предпочтительным вариантом его выполнения, и может включать различные изменения. В частности, конфигурации расположения множества светоизлучающих элементов (светодиодов и т.п.), составляющих двумерную структуру, могут отличаться от вышеописанных. В этом случае с целью уменьшения количества соединений все же предпочтительно обеспечивать общее использование электродов соседними светоизлучающими элементами, формировать устройство в целом в форме квадрата или прямоугольника, включать множество групп светоизлучающих элементов между электродами параллельно, при питании от переменного тока включать множества светоизлучающих элементов в противоположной полярности, объединять множество групп светоизлучающих элементов путем изгиба матриц светоизлучающих элементов зигзагообразно и т.д.
На фиг.26-31 иллюстрируются некоторые из этих альтернативных конфигураций. На фиг.26 показан пример двумерного устройства, в котором используется переменный ток возбуждения и которое состоит в общей сложности из 40 светодиодов. На фиг.27 показана электрическая схема для этой конфигурации. Конфигурация, изображенная на фиг.26, отличается от конфигурации на фиг.6 тем, что некоторые из двух групп матриц светодиодов совместно используют n-электрод 24 (см. фиг.5). Например, n-электрод 24 второго светодиода справа в первом ряду первой матрицы светодиодов (обозначена на чертеже позицией α) используется как n-электрод 24 для правого светодиода из первого ряда второй матрицы светодиодов (обозначена на чертеже позицией β). Воздушные перемычки 28 на концах матриц светодиодов (обозначены на чертеже позицией γ) выполнены общими и без пересечений.
На фиг.28 показано двумерное устройство с конфигурацией, в которой возбуждение осуществляется переменным током и имеется в общей сложности 14 светодиодов. На фиг.29 показана электрическая схема для такой конфигурации. Конфигурация, изображенная на фиг.28, отличается от конфигурации на фиг.10 тем, что некоторые светодиоды из двух групп матриц светодиодов используют общий n-электрод 24. Например, n-электрод 24 крайнего левого светодиода в первом ряду первой матрицы светодиодов (обозначена на чертеже позицией α) используется как n-электрод 24 для второго справа светодиода из первого ряда второй матрицы светодиодов (обозначена на чертеже позицией β). Воздушные перемычки 28 на концах матриц светодиодов выполнены общими (обозначены на чертеже позицией γ).
На фиг.30 показано двумерное устройство с конфигурацией, в которой возбуждение осуществляется переменным током и имеется в общей сложности 6 светодиодов. На фиг.31 показана электрическая схема для такой конфигурации. В этой конфигурации воздушные перемычки 28 также сформированы на концах общими (части γ). В этой конфигурации также предполагается, что n-электрод 24 в первой матрице светодиодов и n-электрод 24 во второй матрице светодиодов используются совместно.
1. Светоизлучающее устройство, в котором на изолирующей подложке сформировано множество светодиодных элементов на основе GaN, при этом множество светодиодных элементов расположены на изолирующей подложке в виде двумерной структуры, множество светодиодных элементов сгруппированы в первую группу и вторую группу с одинаковым количеством элементов, при этом первая и вторая группы включены между двумя электродами для подачи питания переменного тока параллельно и в противоположной полярности, и
n-электрод одного из светодиодных элементов первой группы электрически соединен и является общим с n-электродом одного из светодиодных элементов второй группы, соседним с указанным одним из светодиодных элементов первой группы.
2. Светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что множество светодиодных элементов имеют приблизительно одинаковую форму и размер.
3. Светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из множества светодиодных элементов имеет плоскую, приблизительно квадратную, форму и множество светодиодных элементов расположены в виде матрицы.
4. Светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из множества светодиодных элементов имеет форму плоского треугольника.
5. Светоизлучающее устройство по п.4, отличающееся тем, что один из светодиодных элементов первой группы и один из светодиодных элементов второй группы, соседний с указанным одним из светодиодных элементов первой группы, размещены так, что одна из сторон одного из треугольников лежит напротив одной из сторон другого, так что два светодиодных элемента в целом имеют приблизительно квадратную форму и имеют общий n-электрод на противолежащих сторонах.
6. Светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что светодиодные элементы в каждой группе расположены в виде зигзагообразной структуры.
7. Светоизлучающее устройство по п.6, отличающееся тем, что две группы светодиодных элементов размещены с чередованием так, что каждая группа имеет зигзагообразные ряды, сформированные между рядами другой группы.
8. Светоизлучающее устройство по п.6, отличающееся тем, что светодиодные элементы и электроды имеют плоскую, приблизительно квадратную форму.
9. Светоизлучающее устройство по п.6, отличающееся тем, что светодиодные элементы и электроды имеют форму плоского треугольника.
10. Светоизлучающее устройство по п.2, отличающееся тем, что общая форма множества светодиодных элементов и электродов является приблизительно квадратной.
11. Светоизлучающее устройство по п.10, отличающееся тем, что множество светодиодных элементов размещены в виде зигзагообразной структуры.
12. Светоизлучающее устройство, в котором на изолирующей подложке сформировано множество светодиодных элементов на основе GaN, при этом множество светодиодных элементов расположены на изолирующей подложке в виде двумерной структуры, множество светодиодных элементов сгруппированы в первую группу и вторую группу с одинаковым количеством элементов, при этом первая и вторая группы включены между двумя электродами для подачи питания переменного тока параллельно и в противоположной полярности и каждая из групп размещена в виде зигзагообразной структуры, n-электрод одного из светодиодных элементов первой группы, не являющегося крайним, электрически соединен и является общим с n-электродом одного из светодиодных элементов второй группы, соседним с указанным одним из светодиодных элементов первой группы.
