JP2005129877A

JP2005129877A - 発光ダイオードの配列、結線方法

Info

Publication number: JP2005129877A
Application number: JP2003394718A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nagayoshi; 浩永吉; Kazutaka Terajima; 一高寺嶋; Suzuka Nishimura; 鈴香西村; Yasuaki Suzuki; 康昭鈴木
Original assignee: SC TECHNOLOGY KK
Current assignee: SC TECHNOLOGY KK
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】Ｓｉ上に形成される３原色以上を用いた白色ＬＥＤなどはＬＥＤの構造や材料により動作電圧、輝度が異なる等の問題があり各色ＬＥＤに電流制限抵抗を挿入し共通の電源電圧でＬＥＤの発光強度をそろえる必要がある。個々のＬＥＤが電流制限抵抗を有する接続では、各ＬＥＤに接続された電流制限抵抗によるエネルギーロスが大きくなり、発熱の増大を招く。
さらに３原色以上の組み合わせによる白色ＬＥＤでは経時変化等により各色ＬＥＤの出力バランスが変化する問題がある。
【解決手段】３原色以上のＬＥＤを用いて白色光源を構成するためには各色のバランスを一定に保つ必要がある。このため一種類のＬＥＤを並べる方法に際してＬＥＤの直列数を加減することによりＬＥＤ駆動電圧をあわせ込み、さらにこれら直列に接続された各色のＬＥＤを１つ以上並列に接続してシリコン上に形成されたトランジスタで駆動することにより、多色のＬＥＤとして使用しやすくすることが可能である。
さらにカラーセンサを同一Ｓｉ基板上に形成し、フィードバック制御することによって色バランスの変化を防止する。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は化合物半導体の一種であるＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＩｎＰ等をＳｉ基板上に形成することによって構築される電子デバイスに関する。

ＧａＮ系高速デバイスの特徴

ワイドバンドギャップ半導体の一種であるＧａＮは、従来から使われているＳｉ、ＧａＡｓ系半導体より絶縁破壊電界が高く、さらに１／３の比誘電率、３倍の電子飽和速度、小さい熱柢抗、等の特徴を有している．このため従来のＳｉ系デバイスにに比べて高速動作に向いているほか、高耐圧かつ高温動作可能な高出力デバイスを実現できる．ＦＥＴを構成した場合のＯＮ柢抗は従来のＳｉ系デバイスよりも大幅に小さくなるために、パワースイッチング回路へ応用した際のスイッチングロスを従来に比べて大幅に減らすことが可能である．ＧａＮ系パワーデバイスを用いることによってパワースイッチング回路を有する電子機器の放熱対策が不要になり、従来素子を用いた方式に比べて機器の低コスト化、省エネルギー化が期待できる。

ＧａＮ系発光デバイスの特徴

ＧａＮ系半導体はバンドギャップが広く直接半導体であるために可視域から紫外域に至る波長の光を発する発光デバイス材料として使われる．ＧａＮはバンドギャップが３．２ｅＶであり、青色ＬＥＤ、ＬＤ用半導体材料として使用されている．さらにＡｌ、Ｉｎを含ませることによって発光波長を連続的に制御することが可能である。

Ｓｉ上へ形成するＧａＮ系デバイスの特徴

ＧａＮ系デバイスの基板材料としてはサファイア、ＳｉＣがあるが、どちらも高価で大面積ウェハーを得ることが困難である．一方、Ｓｉは安価で大面積のウェハーを得る技術が完成しており、Ｓｉを基板として利用することが量産性、低コスト化にとって有利となる．バッファー層としてＢＰ、ＧａＮ／ＡｌＮ多層膜等を基板とＧａＮの間に挿入することによってＳｉ上のＧａＮ系デバイスの形成が可能となる。

従来技術の問題点

３原色以上を用いた白色ＬＥＤなどはＬＥＤの構造や材料により動作電圧、輝度が異なる等の問題があり各色ＬＥＤに電流制限抵抗を挿入し共通の電源電圧でＬＥＤの発光強度をそろえる必要がある。個々のＬＥＤが電流制限抵抗を有する接続では、各ＬＥＤに接続された電流制限抵抗によるエネルギーロスが大きくなり、発熱の増大を招く。

さらに複数のＬＥＤをシリコン上に形成して輝度を調節できる構成にした場合、その使用方法からして一つのＬＥＤに対して一つの制御装置、例えばＦＥＴ等を用いていてはパラメータが多すぎ実用的では無い欠点がある。さらには蛍光灯や表示装置では複数個のＬＥＤを使用することもあり制御装置が多くなるにつれて歩留まりの低下、故障率の増大が見られる。

従来の問題点の解決策

各ＬＥＤに接続された電流制限抵抗によるエネルギーロスの低減には各ＬＥＤを直列に接続し、電流制限抵抗を共通化することによって電流制限抵抗によるエネルギーロスを抑えることができる。一方、３原色以上のＬＥＤを用いて白色光源を構成するためには各色のバランスを一定に保つ必要がある。このため一種類のＬＥＤを並べる方法に際してＬＥＤの直列数を加減することによりＬＥＤ駆動電圧をあわせ込み、さらにこれら直列に接続された各色のＬＥＤを１つ以上並列に接続してシリコン上に形成されたトランジスタで駆動することにより、多色のＬＥＤとして使用しやすくすることが可能である。

解決策の実施例

図−１に実際のレイアウト図を示す。Ｓｉ（１００）基板１上に色調制御回路２、カラーセンサー３、ＬＥＤ制御用のＦＥＴ７，８，９を作製しＬＥＤを配置する場所を決め各種原色にあわせた並列直列の配線を施す。さらに所定の位置に青、赤、緑のＬＥＤ４，５，６を配し白色ＬＥＤとする。このとき発熱などが考えられる場合にはシリコン基板に放熱性の良いＣｕ板などをＳｉ基板の裏などに設けることが可能である。ＬＥＤはシリコン基板上に出来ており放熱はサファイアに比べ良好である。

これらの素子を形成することにより高輝度白色光源、多色光源の実現が簡単に成り自動車搭載用等に使用可能である。色調制御回路により温度変化、経年変化に対する色バランスのずれを補正することができる。さらにはＳｉ基板上でデバイスが構成されるため安価で大面積の光源、ディスプレイ素子を作製することができ生産性は著しく向上する。図２に従来のＬＥＤの制御図を示す。制御装置が多く信号数が増加しすぎる傾向がある。

その他の応用例

これらのＬＥＤのいくつかに他の電子機器への情報信号を重畳させることが可能である。例えば室内灯を構成するＬＥＤの一部に音楽情報やメッセージ、各種制御情報をのせて機器に送ることができる。さらに各色のＬＥＤで別々の情報を同時に送信することができるために情報の多重化が可能であり、通信速度の向上等が期待できる。通信システム内臓照明装置の応用例を図−３に示す。

ＬＥＤを結晶シリコン太陽電池上へ直接形成した例を図４に示す。ＬＥＤは太陽電池の光入射側、裏面または両面に形成される。太陽電池と発光素子を組み合わせた表示装置、照明装置において、本構造を用いることによりこれまでにない薄型、小型化が可能となる。さらにＲＦ通信回路またはＬＥＤの発光を変調して通信機能を持たせることが可能である。ＬＥＤチップの大きさは太陽電池面積に比べて非常に小さいためにＬＥＤを太陽電池上へ形成したことによるシャドウイングにょるエネルギーロスは非常に小さい。必要に応じて各種センサ、蓄電池等と組み合わせて用いることが可能である。

図５にプロジェクター装置の例を示す。結晶シリコン上に形成したＬＤまたはＬＥＤから出た光はＭＥＭＳミラーによって反射されてスクリーン、センサ等へ投射される。同一結晶シリコン上へ光源とＭＥＭＳミラー、制御装置を形成することにより、プロジェクター装置、光マルチプレクサ装置の小型・薄型化が可能である。

図６に光インターコネクションの例を示す。ＬＳＩの高集積化・高速化が進み、ＬＳＩ内部、ＬＳＩ間の配線量の増大が問題になってきている。また、システムが同一のパッケージに組み込まれるシステムインパッケージでは複数のＬＳＩチップを積層して用いている。積層するチップの規模と枚数が増えるほどチップ間の配線は膨大となる。また、配線はチップの縁部分で行われるために内部配線による信号の遅延、ノイズ等が問題となる。本方法ではＬＥＤ、ＬＤをシリコン基板上に形成し、光センサと組み合わせることによって対抗して置かれたＬＳＩチップ間の通信を行う。このような構成とすることによってＬＳＩ素子の配線パターン、外部配線を減らすことが可能になり、ノイズに対しても有利となる。

本発明のＬＥＤ結線方法の１実施例を示す配置図従来の結線方式を示す配置図ＬＥＤが結晶シリコン太陽電池上に配置された本発明の１実施例を示す図結晶シリコン上に形成されたＬＤとＭＥＭＳミラーからなる本発明のプロジェクター装置の１実施例を示す図結晶シリコン上に形成されたＬＤと受光デバイスからなる本発明の光インターコネクションの１実施例を示す図

符号の説明

１シリコン基板
２制御回路
３カラーセンサ
４ＬＥＤ（赤）
５ＬＥＤ（青）
６ＬＥＤ（緑）
７トランジスタ
８トランジスタ
９トランジス
１０光受光素子
１１ＬＥＤ
１２太陽電池
１３ＲＦ通信回路
１４ＭＥＭＳミラー

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光色として赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を含む３色以上を用いて白色を含む混合色の発光を実現する方法において各種発光ダイオードを直列及び並列配列を用いて配線し少なくとも複数個の同色の発光ダイオードを各色含め少なくとも２個以上のトランジスターで電流値を制御し混合色を制御する方法。
白色を含む混合色の発光においてカラーセンサーを用いて発光の色調を検出し要求する発光色になるよう色制御回路に帰還し発光色を制御する方法を具備した請求項１の方法。
ＬＥＤ、ＬＤがシリコン基板上に作られていることを特徴とする請求項１，２の方法。
ＬＥＤを含めカラーセンサー及び色調制御回路はシリコン基板上に作られている事を特徴とする請求項１，２，３の方法。
上記各素子はシリコン基板上に作られ、ＬＥＤ、ＬＤはＧａＮ、ＡＩＮ、ＩｎＮの混晶を用いていることを特徴とする請求項１，２，３の方法。
Ｒ、Ｇ、Ｂを含む３色以上の発光が可能になり請求項１の素子を少なくとも複数個集めて画像表示を行うことを特徴とする請求項２の方法。
各種ＬＥＤの発光を変調し他の電子機器や通信機器への情報送信機能を持たせたことを特徴とする多チャンネル光情報送信方法。
各ＬＥＤに関してシリコン基板上に信号処理装置を付加したことを特徴とした請求項７の方法。
各種波長の光センサをシリコン基板上に形成し請求項７の多重送信機能と併せて光受信機能を持たせたことを特徴とする多チャンネル光通信方法。
シリコン基板上に太陽電池と各種ＬＥＤ、信号処理装置を形成したことを特徴とする請求項９の方法。
シリコン基板上に太陽電池と信号処理装置、高周波通信装置を形成し通信機能を持たせた通信手段。
シリコン基板上に各種ＬＥＤをマトリクス状に配列し各マトリクスラインをトランジスターでドライブすることを特徴とする表示装置。
信号制御回路、トランジスターがシリコン上に形成されていることを特徴とする請求項１２の方法。
シリコン基板上に太陽電池が形成された請求項１２，１３の方法。
シリコン基板上に各種ＬＥＤを形成した請求項１１の方法。
シリコン基板上に太陽電池を形成した請求項１５の方法。
シリコン基板上に形成した各種ＬＥＤまたはＬＤとＭＥＭＳミラーを組み合わせた光プロジェクタ装置。
シリコン基板上に形成した光センサーマトリクスあるいは光ファイバーマトリクスとこれと対向して置かれた請求項１７に示される光プロジェクタを組み合わせた光マルチプレクサ。
シリコン基板上に形成した受光素子と対向して置かれたシリコン基板上に形成されたＬＤまたはＬＥＤにより構成される光インターコネクション装置。
シリコン基板上に形成したＬＥＤを直並列に接続し同一基板上に形成された１つ以上のトランジスタでＬＥＤを駆動する方法。
光センサ、輝度制御回路を加えた請求項１９の方法。
ＬＥＤ駆動用昇圧回路を同一シリコン基板上に形成した請求項１の方法。