JP2007043046A - 保護素子を備えた発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】保護素子を備えた発光素子及びその製造方法、特にモノリシック保護回路を有する発光素子を提供する。
【解決手段】カソード及びアノードを有する発光部と、カソード及びアノードを介して発光部に並列接続される抵抗性保護素子１２０と、を備え、抵抗性保護素子１２０の抵抗値Ｒｓは、発光部が有する電流フローに対して順方向の抵抗値Ｒｆと逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一体型の保護素子を備えた発光素子に係り、詳細には、静電気から素子を保護するための保護素子を備えた発光素子に関する。

レーザダイオード（ＬＤ）及び発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子は、高効率の光源として非常に多様な分野に応用されている。しかし、かかる発光素子は、静電気のような電気的衝撃に非常に脆弱であるという欠点を有する。発光素子に対して逆バイアス状態に発生する静電気の放電は、素子内部の物理的構造を損傷させてしまう。

かかる静電気放電（ＥＳＤ：ＥｌｅｃｔｒｏＳｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）から素子を保護するために、別途の保護素子が使われる。該保護素子は、一般的にツェナーダイオードであり、該素子は、発光素子に逆極性で並列接続され、発光素子に逆方向に印加される静電気的電流が保護素子を介してバイパスされる。

初期形態の保護素子は、別途のチップで製造された後、発光素子チップと同じリードフレーム上に搭載された。かような別途のチップで製造された保護素子は、電気的連結のためのワイヤボンディングを要求し、製造コストの上昇を招いていた。

時折使われるフリップチップのボンディング方式の発光素子の場合、発光素子がボンディングされる基板に保護素子を形成し、ボンディングに使用する導電性バンプに発光素子と保護素子とが連結される。かかる一般的な方式も、やはり発光素子がボンディングされる基板に半導体薄膜工程を介して保護要素を製造せねばならないために、製造コストの上昇が不回避である。

特許文献１は、１枚の透明性基板に発光素子と保護素子とが一体に集積されている構造を開示している。それは、発光素子と保護素子とが１枚の基板に一体型（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に集積されるために、前述の形態の発光素子に比べて多くの利点を有している。しかし、それが有する１つの欠点は、保護素子が発光素子の有効領域を一部利用せねばならず、制限領域内で発光素子の占有面積が減少するのである。
米国特許第６５９３５９７号明細書

本発明の目的は、製造工程が簡単であり、発光素子の占有面積が最小化されたモノリシック保護素子を備えた発光素子を提供することである。

本発明による発光素子は、カソード及びアノードを有する発光部と、前記カソード及びアノードを介して前記発光部に並列接続される抵抗性保護素子を備え、前記抵抗性保護素子の抵抗値Ｒｓは、前記発光部の順方向の抵抗値Ｒｆと逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有する。

本発明による発光素子の具体的な類型は、下部半導体物質層、上部半導体物質層、及びそれらの間に設けられた活性層を有する発光部と、前記上部半導体物質層に電気的に接触される第１電極と、前記下部半導体物質層に電気的に接触される第２電極と、前記第１電極及び第２電極に接続される抵抗性保護素子と、を備え、前記抵抗性保護素子の抵抗値Ｒｓは、前記発光部が有する電流フローに対して順方向の抵抗値Ｒｆと逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有する（Ｒｒ＞＞Ｒｓ＞＞Ｒｆ）。

本発明の望ましい実施例によれば、前記上部半導体物質層の一側上面に第１電極が形成されており、下部半導体物質層の表面一部が外部に露出されており、露出されている下部半導体物質層の表面に前記第２電極が形成される。前記抵抗性保護素子は、前記上部半導体物質層の一側表面から前記下部半導体物質層の一側表面にまで延びる抵抗性物質層により形成される。

本発明の発光素子は、ＬＥＤの保護素子であり、抵抗性保護素子を利用する点に特徴がある。かかる本発明は、発光部に小さな電流の内部迂回経路として前記抵抗性保護素子を発光部に並列に設置することにより、ＥＳＤから発光部を保護することができる。かかる保護素子を備えた本発明の発光素子は、発光素子の製作工程中のほとんど最後の段階においてウェーハレベルで保護素子が製作されるため、大量生産に容易であるだけではなく、それによるコストも非常に低廉である。

かような本発明によれば、発光素子の製作時に、保護素子の追加によるコスト上昇を最小化することにより、コンパクトであって低廉な価格で保護回路が一体に集積されている発光素子を製作することができる。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の望ましい実施の形態による発光素子を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による発光素子を示し、モノリシック抵抗性保護素子を備えた発光素子の概略的な平面図であり、図２は、本発明による発光素子の積層構造を示す図１のＡ−Ａ線断面図である。

まず、図１及び図２を参照すれば、本実施の形態の発光素子では、基板１００（望ましくは、サファイアのような絶縁性基板）上に、下部半導体物質層１１１、活性層１１２、及び上部半導体物質層１１３が形成されている。

前記のような積層構造は、アノードとカソードとを有する一般的なＬＥＤの構造を有し、便宜上、図面には主要部分のみが図示されている。本発明によるＬＥＤは、ＧａＮ系ＬＥＤであり、下部半導体物質層１１１は、ｎ−ＧａＮであり、上部半導体物質層１１３は、ｐ−ＧａＮである。上部半導体物質層１１３であるｐ−ＧａＮの表面には、透明性金属よりなる第１電極１１４が形成され、上部半導体物質層１１３と下部半導体物質層１１１との間には、例えば、ＩｎＧａＮ−多重量子ウェル層（ＭＱＷ）を含む活性層１１２が設けられる。

一方、積層構造物には、電気的コンタクトのために、下部半導体物質層１１１の一側（図面で右側）が露出されており、そこに、導電性第２電極１１５が位置する。

本発明の特徴により、第１電極１１４と第２電極１１５は、抵抗性保護素子１２０を介して相互連結されている。抵抗性保護素子１２０は、活性層１１２、上部半導体物質層１１３、及び第１電極１１４が含まれた積層構造物の一側上面から積層構造物の側面を通じて第２電極１１５の一側上面にまで延びる。かかる抵抗性保護素子１２０は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、多結晶シリコン（ポリＳｉ）、導電性無機物質、または導電性有機物質から形成され、望ましくは、電子ビーム蒸着法及びスパッタリング法などの薄膜蒸着方法により形成される。

前記のような構造を有する本発明の発光素子は、図３のような等価回路で表現される。

活性層１１２及びその上下の半導体物質層１１１，１１３を備えた発光部１１０に抵抗性保護素子１２０が並列に接続されている。従って、発光部１１０に所定の電圧Ｖ＋，Ｖ−が印加され、発光素子及びこれに並列接続されている保護素子１２０に電流Ｉ_ｍ，Ｉ_ｓが流れる。このとき、保護素子１２０を流れる電流Ｉ_ｓは、発光素子１１０を流れる電流Ｉ_ｍに比べてかなり小さい。抵抗性保護素子１２０の抵抗値Ｒｓは、Ｐ−Ｎ接合構造の発光部１１０の順方向電流フローに対する順方向の抵抗値Ｒｆとその反対の逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有する。言い換えれば、本実施の形態において、抵抗性保護素子１２０の抵抗値Ｒｓは、発光部１１０の順方向の抵抗値Ｒｆより大きく、逆方向の抵抗値Ｒｒより小さい（Ｒｒ＞＞Ｒｓ＞＞Ｒｆ）。

従って、図３に示されているように、発光部１１０に順方向の電圧が印加され、発光部１１０を流れる電流Ｉ_ｍが保護素子１２０を流れる電流Ｉ_ｓに比べて大きい。このとき、発光部１１０を流れる電流Ｉ_ｍの大きさは、発光部１１０からの所望の発光強度に対応する値に調節されねばならない。望ましくは、保護素子１２０を流れる電流Ｉ_ｓは、発光部１１０の順方向電流の１％以下とする。すなわち、保護素子１２０の抵抗値Ｒｓは、順方向抵抗値Ｒｆの１００倍以上になるように設計する。

一方、図４に示されているように、外部のその他要因により発光部１１０に対して逆方向の電圧が印加され、逆電圧に対して発光部１１０に比べて低い抵抗を保持する抵抗性保護素子１２０を介して相対的に大きい電流が流れるようになる。従って、発光部１１０は、外部からの逆電圧に対して保護される。

保護素子１２０は、例えば、ＺｎＯにより形成され、図１に示されているように、１つの薄膜で形成可能であるが、図５Ａから図５Ｅに示されているように、多様なパターンでも形成可能である。すなわち、保護素子１２０は、複数の単位素子１２０ａに分割可能である。保護素子１２０を構成する複数の単位素子１２０ａは、発光部１１０に共に並列接続される。かかる図５Ａから図５Ｅに図示されている多様な形態の保護素子１２０は、実施可能な具体的な実施の形態であり、本発明の技術的範囲を制限するものではない。

図６は、本発明による発光素子の具体的な一例を示す断面図であり、各積層の構成物質を示している。

図６を参照すれば、絶縁物質であるサファイア基板１００上に、下部半導体物質層１１１であるカソード側のｎ−ＧａＮ層が形成され、その上に、活性層１１２である多重量子ウェル層が形成される。多重量子ウェル層の一側に、その下部のｎ−ＧａＮ下部半導体物質層１１１の一部が露出され、その部分に第２電極１１５であるＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造のｎ−電極が形成される。一方、多重量子ウェル層の上には、アノード側のｐ−ＧａＮ上部半導体物質層１１３が形成され、その上に、複層構造の第１電極１１４であるｐ−電極が形成される。ｐ−電極は、約３ｎｍ厚さのＮｉＺｎからなる第１層１１４ａと１００ｎｍ厚さのＡｇからなる第２層１１４ｂとを備える。

図７は、一般的な発光素子及び本発明による発光素子の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を比較して示す図である。図７で、サンプル（＃１〜＃５）は、図５Ａから図５Ｅに図示されているサンプルを意味し、「従来の技術」は、抵抗素子のない一般的な発光素子のサンプルを意味する。

図７を参照すれば、一般的な発光素子で、順方向の＋３Ｖ近辺で電流が急増し、＋４Ｖで５０ｍＡ以上の大電流が流れる。しかし、逆電圧下では、−５Ｖほどでも非常に微小な電流が流れ、グラフ上で数値的な変化がない。一方、本発明による抵抗性保護素子を有するサンプル＃１〜＃５は、一般的な発光素子に比べて順方向では、同じ電流特性を示す。すなわち、本発明による発光素子は、順方向の電圧は、一般的な発光素子に比べて差がないことを確認することができる。しかし、逆電圧が印加された場合、サンプル＃５の場合、−５Ｖでの逆電圧下で、実に−０．０７ｍＡほどの相対的にかなり大きい電流が流れ、抵抗が最も低い抵抗素子を有するサンプル＃４の場合は、−０．００５ｍＡに近接するほどの電流が流れる。−５Ｖの逆電圧で、約−０．００５ｍＡほどの電流が流れるということは、ほとんど電流が流れない一般的な発光素子に比べ、非常に大きい電流比に該当する。その上、サンプル＃５の場合は、他のいかなるサンプルに比べても、比較できないほど非常に大きい電流比を示す。

以上のような事実に照らし、例えば、一般的な発光素子が約−０．００４ｍＡの電流で破壊すると仮定すれば、サンプル＃４は、同程度の電流を抵抗素子によりバイパスさせて分流するので、破壊されることはない。かかる利点があっても駆動電圧が一般的な発光素子に比べて変わらず、３Ｖ以下の順方向の電流で流れる電流の量が若干増加したが、それほどの電流損失は、現在開発されて適用されているＬＥＤに照らしてみるとき、無視してもかまわないほどである。順方向の電流は、一般的な発光素子の特性及び＃１のサンプルだけを図示しているが、その他のサンプルの順方向の特性は、＃１のサンプルと似ている。

図８は、抵抗性素子の材料として使われるＺｎＯ薄膜の面抵抗特性を示すグラフである。本発明に使用したＺｎＯ薄膜の抵抗体は、電圧に対して線形的に電流が流れる基本特性を示していることを確認することができる。図面の数字は、電流を流すパッド間の距離であり、距離が遠くなるほど少ない電流が流れるということが分かる。本実施の形態でのＺｎＯ抵抗体の特性として、比抵抗は、１．６５×１０^−２Ω−ｃｍ、面抵抗は、２，２００Ω／ｓｑ（７６ｎｍ）であり、ＺｎＯ抵抗体の厚さを調節して比抵抗値を調節することも可能である。

以上のような結果を得る過程で得られた総合的データを整理した結果、望ましい抵抗性保護素子の面抵抗は、１００Ω／ｓｑないし２０，０００Ω／ｓｑ間の値を有する。

かかる本願発明の理解を助けるために、いくつかのの模範的な実施の形態が説明されて添付された図面に図示されているが、かかる実施の形態は、単に広い発明を例示するものであり、それを制限するものではないということを理解せねばならず、そして、本発明は、図示されて説明された構造と配列とに限定されるものではないという点も理解されねばならず、それは、多様な他の修正が当分野で当業者に可能であるためである。

本発明の保護素子を備えた発光素子及びその製造方法は、例えば発光装置関連の技術分野で効果的に適用可能である。

本発明の第１の実施の形態による発光素子の概略的平面図である。 図１のＡ−Ａ線の断面図である。 本発明による発光素子の等価回路であり、順方向の電圧印加時の電流のフローを示す。 本発明による発光素子の等価回路であり、逆方向の電圧印加時の電流のフローを示す。 本発明による保護素子の一実施の形態を示す図面である。 本発明による保護素子の他の実施の形態を示す図面である。 本発明による保護素子のさらに他の実施の形態を示す図面である。 本発明による保護素子のさらに他の実施の形態を示す図面である。 本発明による保護素子のさらに他の実施の形態を示す図面である。 本発明による発光素子の構成物質を具体的に示す断面図である。 一般的な発光素子及び本発明による発光素子等の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を比較して示すグラフである。 抵抗性素子の材料として使われるＺｎＯ薄膜の面抵抗特性を示すグラフである。

符号の説明

１００ 基板、
１１０ 発光部、
１１１ 下部半導体物質層、
１１２ 活性層、
１１３ 上部半導体物質層、
１１４ 第１電極、
１１５ 第２電極、
１２０ 抵抗性保護素子。

Claims (8)

1. カソード及びアノードを有する発光部と、
   前記カソード及びアノードを介して前記発光部に並列接続される抵抗性保護素子と、を備え、
   前記抵抗性保護素子の抵抗値Ｒｓは、前記発光部が有する電流フローに対する順方向の抵抗値Ｒｆと逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有することを特徴とする抵抗性保護素子を備えた発光素子。
2. 前記抵抗性保護素子は、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ、多結晶シリコン、導電性無機物、及び導電性有機物よりなる群から選択されるいずれか１つの物質から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。
3. 前記抵抗性保護素子は、前記発光部上に薄膜状で一体に集積されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。
4. 前記抵抗性保護素子は、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。
5. 下部半導体物質層、上部半導体物質層、及び当該下部半導体物質と上部半導体物質との間に設けられる活性層を有する発光部と、
   前記上部半導体物質層に電気的に接触される第１電極と、
   前記下部半導体物質層に電気的に接触される第２電極と、
   前記第１電極及び第２電極に接続される抵抗性保護素子と、を備え、
   前記抵抗性保護素子の抵抗値Ｒｓは、前記発光部が有する電流フローに対する順方向の抵抗値Ｒｆと逆方向の抵抗値Ｒｒとの間の値を有することを特徴とする抵抗性保護素子を備えた発光素子。
6. 前記抵抗性保護素子は、酸化亜鉛、酸化インジウムスズ、多結晶シリコン、導電性無機物、及び導電性有機物よりなる群から選択されるいずれか１つの物質から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。
7. 前記抵抗性保護素子は、前記発光部上に薄膜状で集積されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。
8. 前記抵抗性保護素子は、電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法により形成されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の抵抗性保護素子を備えた発光素子。