JP2008505478A - 発光素子及びその製造方法並びにこれを用いた発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光素子及びこの製造方法並びにこれを用いた発光装置を提供する
【解決手段】本発明は、複数のセルがアレイされた発光素子及びその製造方法並びにこれを用いた発光装置に関し、複数の発光セルが単一枚の基板内に直列又は並列に接続される発光セルブロックを備える発光素子及びその製造方法を提供し、複数の発光セルの各々は、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層を備え、隣接する発光セルのＮ型半導体層とＰ型半導体層が電気的に接続される。また、複数の発光セルが直列に接続された発光素子を備える発光装置も提供する。これにより、家庭用の交流電源に使用可能な照明用の発光装置の製作工程を単純化させ、照明用の発光装置の製作時に生じうる不良率を低減することができる照明用の発光装置を量産することができる。さらに、発光素子の外部に所定の整流回路を設けることにより、交流動作時における直流駆動効率を高めることができるという利点がある。
【選択図】 図３

Description

本発明は複数のセルが結合された発光素子及びその製造方法並びにこれを用いた発光装置に関し、さらに詳しくは、単一枚の基板の上に複数の発光用のセルが配設されている単一の発光素子とこの製造方法及びこれを用いた発光装置に関する。
発光ダイオードとは、半導体のｐ−ｎ接合構造を用いて注入された少数キャリア（電子または正孔）を作り出し、これらを再結合することにより所定の光を発する素子を言う。この種の発光ダイオードは、表示装置及びバックライトとして用いられており、近年、一般の照明用途にこれを適用するための研究が盛んに行われつつある。
これは、発光ダイオードが既存の電球または蛍光灯などに比べて消費電力が少なく、且つ、寿命が長いためである。すなわち、発光ダイオードの消費電力が既存の照明装置に比べて数ないし数十分の１に過ぎず、且つ、寿命が数ないし数十倍に至ることから、消費電力の削減の側面と耐久性の側面からみて遥かに優れているためである。
一般に、発光ダイオードを照明として用いるためには、別途のパッケージング工程により発光素子を形成し、複数の個別の発光素子をワイヤーボンディングにより直列に接続し、外部において保護回路及び交流／直流（ＡＣ／ＤＣ）変換器などを設けてランプ形状に製作していた。
図１は、従来の発光装置を説明するための概念図である。
図１を参照すると、発光チップが実装された複数の発光素子１０ａ〜１０ｃを直列に接続して一般の照明用の発光装置を製作している。このために、複数の発光素子１０ａ〜１０ｃを直列に配設した後、金属配線を施してそれぞれ異なる発光素子１０ａ〜１０ｃの内部の発光チップを電気的に直列に接続していた。かかる製造工程については、例えば、特許文献１に開示されている。
しかしながら、従来の技術により上述の構造を有する照明用の発光装置を製作した場合、多数の素子に一々金属配線工程を行うことが余儀なくされるが故に、工数が増え、且つ、工程が複雑化するという問題が生じる。また、工数が増えるほど、これによる不良の発生率も高くなり、これは、量産に対して障害となっていた。さらに、ある一定の衝撃により金属配線が短絡してしまい、発光素子の動作が止まってしまうこともしばしば起こる。さらにまた、個々の発光素子を直列に配設する必要があるため、発光素子が占める空間が広くなり、その結果、ランプがかなり肥大化してしまうという不具合があった。
なお、上述の素子レベルの発光チップアレイではなく、ウェーハレベルでのマイクロチップをアレイすることに関しては、例えば、特許文献２に開示されている。
これは、表示装置に関するものであり、それぞれの画素に発光を誘発する発光ダイオードが配されるように発光セルをマトリックス状に配設する。しかしながら、上述のマトリックス状に配設された構造の素子を発光させるためには、縦方向と横方向にそれぞれ異なる電気的な信号を加える必要があるだけではなく、電気的な信号をアドレス方式により加える必要があるため、これを制御することが極めて困難である。また、マトリックス状の配設により配線間の断線が懸念され、且つ、配線間の重なり合い領域に多くの干渉が生じてしまう。さらに、上述のマトリックス状の構造では、高電圧が加えられる照明用の発光装置に適用しづらいという問題があった。
米国特許第５４６３２８０号明細書 韓国特許出願公開第２００４−９８１８号明細書
そこで、本発明は、上記の問題を解消するためになされたものであり、本発明の目的は、複数の発光セルが直列に接続されている単一チップの発光素子を用いて発光ダイオードランプを製作することができ、ウェーハレベルにおいて複数の発光セルを電気的に接続することからランプの製作工程を単純化させることができ、不良率を低減させることができて量産に好適な複数のセルがアレイされた発光素子及びこの製造方法、並びにこれを用いた発光装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明による発光素子は、発光素子であって、複数の発光セルが単一枚の基板内において直列または並列に接続されている発光セルブロックを備えることを特徴とする。
ここで、前記発光セルブロックは、Ｎ型半導体層と、該Ｎ型半導体層の上部の所定の領域に形成される活性層と、該活性層の上に形成されるＰ型半導体層とを有する複数の発光セルと、一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを接続する配線とを備えることが好ましい。
また、前記発光セルブロックは、Ｎ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層が順次に積層された複数の発光セルと、前記複数の発光セルが付着された基板と、一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを接続する配線とを備えることが好ましい。
前記Ｎ型半導体層の上にＮ型パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上にＰ型パッドが形成されることが好ましい。
このとき、前記発光セルに所定の整流電源を加えるための整流ブリッジ部をさらに備えることが好ましい。
そして、外部の交流電源と前記整流ブリッジ部とを接続するための電極をさらに備えることが好ましい。
前記発光セル及び前記整流ブリッジ部を外部の電源または外部素子と接続するための電極をさらに備えることが好ましい。
直列に接続された前記発光セルブロックが前記基板の上において逆並列に接続されていることが好ましい。
前記基板は、熱伝導性材質から形成されていることが好ましい。
前記熱伝導性材質からなる基板が電気伝導性を有する場合、基板上面に形成される絶縁膜と、前記絶縁膜と前記発光セルとの間に介装される電極パターンとをさらに備えることが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明による発光素子の製造方法は、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とが形成された複数の発光セルを設けるステップと、一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを金属配線により接続するステップとを有することを特徴とする。
ここで、前記複数の発光セルを設けるステップは、母基板（ｐａｒｅｎｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の上に前記Ｎ型半導体層、活性層、及び前記Ｐ型半導体層を順次に形成するステップと、前記Ｎ型半導体層の一部を露出させるステップと、前記個々の発光セルを電気的に絶縁するステップとを含むことが好ましい。
前記複数の発光セルを設けるステップは、母基板の上に前記Ｎ型半導体層、活性層、及び前記Ｐ型半導体層を順次に形成するステップと、前記Ｐ型半導体層、活性層及びＮ型半導体層の一部を除去して個々の発光セルを電気的に絶縁するステップと、電気的に絶縁された前記Ｐ型半導体層の上にホスト基板（ｈｏｓｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を貼り付けるステップと、前記母基板を除去するステップと、前記ホスト基板を切断して個々の発光セルを形成するステップとを含むことが好ましい。
前記発光素子を基板の上に付着させるステップをさらに含むことが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明による発光装置は、複数の発光セルが単一枚の基板内において直列または並列に接続されている発光素子と、前記発光素子に所定の電力を供給する電源部と、前記発光素子に加えられる電圧及び電流の波形を制御するための制御部とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、複数の発光セルが直列に接続されている単一の発光素子を用いることにより、照明に使用可能な発光装置を製作することができるという効果がある。
また、ウェーハレベルにおいて複数の発光セルを電気的に接続することから、高電圧及び家庭用の交流電源において発光可能な発光素子を製作することができるという効果がある。
さらに、複数の発光セルが基板の上において電気的に接続された発光素子を用いることから、照明用の発光装置の製作工程を単純化させることができ、照明用の発光装置の製作時に生じうる不良率を低減することができ、しかも、照明用の発光装置を量産することができるという効果がある。
さらにまた、発光素子チップの電極と所定の整流回路を接続して交流動作時におけるリップル要素を極力抑えて発光効率を極大化させ、且つ、抵抗体を取り付けることによりＬＥＤアレイにかかる負荷を調節して発光素子チップを保護することができるという効果がある。
次に、本発明に係る発光素子及びその製造方法並びにこれを用いた発光装置を実施するための最良の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
但し、本発明は後述する実施の形態に限定されるものではなく、相異なる形で実現可能であり、これらの実施の形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、且つ、この技術分野における通常の知識を持った者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。
図２は、本発明の一実施形態よる単位発光セルの断面図である。
図２を参照すると、発光セル１００は、基板２０と、基板２０の上に順次に積層されたバッファ層３０、Ｎ型半導体層４０、活性層５０及びＰ型半導体層６０と、Ｎ型半導体層４０の上に形成されたＮ型ボンディングパッド（図３（ａ）における９５）と、Ｐ型半導体層６０の上に形成されたＰ型ボンディングパッド（図３（ａ）における９０）とを備える。
このとき、Ｎ型ボンディングパッドの下部とＰ型ボンディングパッドの下部のそれぞれにＮ型抵抗接続膜（図示せず）及びＰ型抵抗接続膜（図示せず）をさらに備えることができる。また、Ｐ型半導体層６０とＰ型ボンディングパッドとの間に透明電極層７０をさらに備えることができる。さらに、それぞれの半導体層（４０、６０）の上に隣り合うセル間を接続するための金属性の電極がさらに形成することもできる。
以上において、基板２０としては、発光ダイオードを製作するための通常のウェーハが用いられ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ、及びＧａＮの内の少なくともいずれか１種の基板を用いることが好ましい。この実施形態においては、サファイア製の結晶成長の基板２０を用いる。
次に、バッファ層３０は、結晶の成長時に基板２０と後続層との格子不整合を低減するための層であって、半導体材料としてＧａＮを含んでなる。Ｎ型半導体層４０は、電子が生じる層であって、Ｎ型化合物半導体層とＮ型クラッド層とにより形成される。このとき、Ｎ型化合物半導体層としては、Ｎ型不純物がドープされているＧａＮを用いる。Ｐ型半導体層６０は、正孔が生じる層であって、Ｐ型クラッド層とＰ型化合物半導体層とにより形成される。このとき、Ｐ型化合物半導体層としては、Ｐ型不純物がドープされているＡｌＧａＮを用いる。
活性層５０は、所定のバンドギャップと量子井戸が作られて電子及び正孔が再結合される領域であって、ＩｎＧａＮを含んでなる。また、活性層５０を構成する物質の種類に応じて、電子及び正孔が結合して得られる発光波長が変わる。このため、目標とする波長に応じて活性層５０に含まれる半導体材料を調節することが好ましい。
Ｎ型ボンディングパッドとＰ型ボンディングパッドは、発光セル１００を外部の金属配線と電気的に接続するためのパッドであって、Ｔｉ／Ａｕの積層構造に形成することができる。また、上述の透明電極層７０は、Ｐ型ボンディングパッドを介して加えられる電圧をＰ型半導体層６０に均一に伝える役割を果たす。
上述のように、本発明による発光セル１００は、サファイアの基板２０の上に形成された水平タイプの発光チップを言うものであり、本発明においては、単一の発光チップを用いて単一の発光素子を製作するのではなく、複数の発光チップを用いて単一の発光素子を形成していることから、従来の発光チップを発光セルとして標記している。
以下、上述の発光セルの製造方法を簡略に説明する。
サファイアの基板２０の上にバッファ層３０、Ｎ型半導体層４０、活性層５０及びＰ型半導体層６０を順次に結晶成長させる。Ｐ型半導体層６０の上に透明電極層７０をさらに形成することもできる。それぞれの層は、上述のごとき物質を蒸着するための有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）などをはじめとする種々の蒸着・成長方法により形成される。
この後、マスクを用いたフォトエッチング工程を行うことで、Ｎ型半導体層４０の一部を開放する。すなわち、マスクをエッチングマスクとするエッチング工程を行うことによりＰ型半導体層６０、活性層５０及びＮ型半導体層４０の一部を除去して、Ｎ型半導体層４０を露出させる。このとき、マスクは感光膜を用いて形成するが、Ｎ型パッドが形成されるべき領域を開放し、且つ、個々のセルを電気的に孤立（絶縁）可能な形状に形成する。エッチング工程としては、湿式エッチング及び乾式エッチング工程の両方とも採用でき、この例においては、プラズマを用いた乾式エッチングを行うことが好適である。
エッチング工程を行い続けることで個々の発光セル１００を電気的に分離する。すなわち、サファイアの基板２０が露呈するまでＮ型半導体層４０とバッファ層３０をエッチングしてそれぞれのセルを絶縁（孤立）させる。
上述のように単一枚のマスクを用いてエッチングを行うこともできるが、それぞれ異なるマスクを用いてエッチングを行うこともできる。すなわち、Ｎ型パッドが形成されるべき領域を開放する第１のマスクを用いて第１のエッチングを行った後、発光セル１００を電気的に分離するために所定の領域を開放する第２のマスクを用いて第２のエッチングを行うことができる。
マスクを除去した後、開放されたＮ型半導体層４０の上にＮ型パッドを形成し、Ｐ型半導体層６０の上にＰ型パッドを形成する。
上述のように、本発明は、単位発光セルを直列または並列に配設させて発光素子を製作している。以下、これについて図面を参照して説明する。
図３は、本発明の一実施形態による発光セルが配設されている発光素子の断面図である。
図３を参照すると、本発明の発光素子は、複数の発光セル１００−１〜１００−ｎが直列に接続されている。すなわち、発光素子は、隣り合う発光セル１００−１〜１００−ｎのＮ型半導体層４０とＰ型半導体層６０が電気的に接続され、一方の端部の発光セル１００−ｎのＮ型半導体層４０の上にＮ型パッド９５が形成され、他方の端部の発光セル１００−１のＰ型半導体層６０の上にＰ型パッド９０が形成された複数の発光セル１００を備える。
隣り合う発光セル１００−１〜１００−ｎのＮ型半導体層４０とＰ型半導体層６０は、所定の金属配線８０−１〜８０−ｎ−１を用いて電気的に接続させる。また、本発明においては、発光セル１００−１〜１００−ｎを直列に接続して交流電圧電源によって駆動可能な数だけ形成するのが効果的である。本発明においては、単一の発光セル１００を駆動するための電圧／電流と、照明用の発光素子に加えられる交流駆動電圧に応じて、直列または並列に接続される発光セル１００の数が異なってくる。
好ましくは、１０〜１０００個の発光セルを直列に接続し、より好ましくは、３０〜７０個の発光セルを直列に接続する。例えば、２２０Ｖの交流電圧下においては、一定の駆動電流において３．３Ｖで駆動する単位発光ダイオードセルの６６〜６７個を直列に接続して発光素子を製作する。また、１１０Ｖの交流電圧下においては、一定の駆動電流において３．３Ｖで駆動する単位発光ダイオードセルの３３〜３４個を直列に接続して発光素子を製作する。
図３（ａ）に示すように、第１〜第ｎ個の発光セル１００−１〜１００−ｎが直列に接続されている発光素子において、第１の発光セル１００−１のＰ型半導体層６０の上にＰ型パッド９０が形成され、第１の発光セル１００−１のＮ型半導体層４０と第２の発光セル１００−２のＰ型半導体層６０が第１の金属配線８０−１により接続される。また、第２の発光セル１００−２のＮ型半導体層４０と第３の発光セル（図示せず）のＰ型半導体層（図示せず）が第２の金属配線８０−２により接続される。そして、第ｎ−２の発光セル（図示せず）のＮ型半導体層（図示せず）と第ｎ−１の発光セル１００−ｎ−１のＰ型半導体層６０が第ｎ−１の金属配線８０−ｎ−２により接続され、第ｎ−１の発光セル１００−ｎ−１のＮ型半導体層４０と第ｎの発光セル１００−ｎのＰ型半導体層６０が第ｎの配線８０−ｎ−１により接続される。また、第ｎの発光セル１００−ｎのＮ型半導体層４０にＮ型パッド９５が形成される。このとき、それぞれの半導体層の上には金属電極となるパッドが形成されて、これらのパッド間を配線により接続する。
本発明の基板２０は、多数の発光素子が製作可能な基板であってもよい。そこで、図３（ａ）及び図３（ｂ）における「Ａ」領域をこれらの多数の素子を個別的に切断するための切断領域と称する。
また、上述の発光素子においては、外部交流電圧を整流するための整流用の第１〜第４のダイオード（図示せず）が同基板内に形成してもよい。第１〜第４のダイオードは整流ブリッジ状に配設される。第１〜第４のダイオード間の整流ノードがそれぞれ発光セルのＮ型パッドとＰ型パッドに接続されてもよい。第１〜第４のダイオードとして発光セルを用いることができる。
以下、上述の複数の発光セルが直列に接続されている発光素子の製造方法を簡略に説明する。
サファイアの基板２０の上にバッファ層３０、Ｎ型半導体層４０、活性層５０及びＰ型半導体層６０を順次に結晶成長させる。Ｐ型半導体層６０の上に透明電極層７０をさらに形成することもできる。
所定のパターニング工程を通じてＮ型半導体層４０の一部を開放し、それぞれの発光セル１００を電気的に絶縁する。パターニング工程は、全体の構造の上に感光膜を塗布した後、所定のリソグラフィ工程を行うことにより、所定の領域が開放された感光膜マスク（図示せず）を形成する。所定の領域とは、発光セル１００の間の領域及び開放されるべきＮ型半導体層４０の領域を言う。感光膜マスクをエッチングマスクとしてＰ型半導体層６０と活性層５０をエッチングすることによりＮ型半導体層４０を開放し、その後、エッチング工程を行い続けることでＮ型半導体層４０の一部をエッチングして個別の発光セル１００形成し、これらを電気的に絶縁する。
続けて、多数回に亘ってのパターニング工程を行うことでＮ型半導体層４０の一部を開放し、それぞれの発光素子を電気的に絶縁することもできる。すなわち、図３（ａ）に示すように、Ｐ型半導体層６０、活性層５０及びＮ型半導体層４０の一部をエッチングしてＮ型半導体層４０の一部を露出させ、別途の工程を通じてＰ型半導体層６０、活性層５０、Ｎ型半導体層４０及びバッファ層３０をエッチングして発光セル１００を電気的に絶縁する。
また、図３（ｂ）に示すように、Ｎ型半導体層４０までのみエッチングして発光セル１００を電気的に絶縁することもできる。パターニング工程に用いられるエッチング工程は、湿式エッチング工程であっても、乾式エッチング工程であってもよいが、ここでは、プラズマを用いた乾式エッチングを行うことが好適である。
上述の製造工程と同様にして整流ブリッジ用のダイオードを一体に形成することもできる。もちろん、通常の半導体の製造工程を適用して整流ブリッジ用のダイオードを別途に形成することもできる。
この後、所定のブリッジ工程またはステップカバーリッジなどの工程を行うことにより、それぞれ隣り合う発光セル１００−１〜１００−ｎのＮ型半導体層４０とＰ型半導体層６０を電気的に接続する導電性（金属）配線８０−１〜８０−ｎ−１を形成する。導電性（金属）配線８０−１〜８０−ｎ−１は、導電性の物質を用いて形成するが、金属または不純物がドープされたシリコン化合物を用いて形成する。
上述のブリッジ工程はエアブリッジ工程とも呼ばれ、互いに接続するチップ間の隙間にフォト工程を用いて感光液を塗布し、現像して感光膜パターンを形成し、まず、その上に金属などの物質を真空蒸着などの方法で薄膜として形成し、その上に、金（Ａｕ）含有導電性物質をメッキまたは金属蒸着などの方法により一定の厚さにさらに形成する。この後、ソルベントなどの溶液により感光膜パターンを除去すると、導電性物質の下部は全て除去され、ブリッジ状の導電性物質のみが空間に形成される。
また、ステップカバーリッジ工程は、互いに接続するべきチップ間の繋ぎ部にフォト工程を用いて感光液を塗布し且つ現像して互いに接続する個所のみを残し、残りの部分は感光膜パターンにより覆う。さらに、その上に金含有導電性物質をメッキまたは金属蒸着などの方法により一定の厚さに形成する。次いで、ソルベントなどの溶液により感光膜パターンを除去すると、導電性物質が覆われている部分を除く他の部分は全て除去される。また、この覆われている部分だけが残されて、接続するべきチップ間を電気的に接続する役割を果たす。
一方、両端部に位置する発光セル１００−１及び１００−ｎに、それぞれ外部との電気的な接続のためのＰ型パッド９０とＮ型パッド９５を形成する。整流ブリッジ用のダイオードをＰ型パッド９０とＮ型パッド９５にそれぞれ接続することもでき、別途の導電性配線をＰ型パッド９０とＮ型パッド９５に接続させることもできる。
上述のごとき本発明の発光素子の製造は一実施の形態に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の工程と製造方法が素子の特性及び工程の便宜性に応じて変更または追加可能であるだけではなく、上述の水平型の発光セルのみならず、垂直型の発光セルを直列に接続しても、発光素子を製作することができる。
本発明は、基板の上にそれぞれ個別化された複数の垂直型の発光セルを付着させ、複数の垂直型の発光セルと隣り合うセルの相異なる電極パッドとを電気的に接続する。すなわち、発光セル間を直列又は並列に接続して発光素子を製作することができる。
以下、図面を参照して、垂直型の発光セルとこの垂直型の発光セルが直列又は並列に接続されている発光素子について説明する。以下の説明において、上述の水平型の発光セルとこの水平型の発光セルが直列又は並列に接続されている発光素子との重複説明は省く。
図４は、本発明の他の実施形態による単位発光セルの断面図である。
図４を参照すると、この実施形態による単位発光セルは、垂直型の発光セル２００であって、その構造をみると、Ｎ型パッド２１０、Ｎ型半導体層２２０、活性層２３０、Ｐ型半導体層２４０及びＰ型パッド２５０が順次に積層されている。もちろん、発光セル２００の特性に応じて種々の物質層がさらに付加可能である。
上述の構造を有する垂直型の発光セルの製造方法を簡略に説明すると、母基板（図示せず）の上にバッファ層（図示せず）、Ｎ型半導体層２２０、活性層２３０、Ｐ型半導体層２４０及びＰ型パッド２５０を順次に形成する。このとき、Ｐ型半導体層２４０及びＰ型パッド２５０の間にＩＴＯ膜（図示せず）が形成されてもよい。
Ｐ型パッド２５０、Ｐ型半導体層２４０、活性層２３０、Ｎ型半導体層２２０及びバッファ層の一部をエッチングして個々の発光セルとして電気的に分離する。この後、Ｐ型パッド２５０の上に導電性のホスト基板（図示せず）を貼り付けた後、Ｎ型半導体層２２０の下部のバッファ層と母基板をレーザーリフトオフ（ｌｉｆｔ ｏｆｆ）工程により除去する。Ｎ型半導体層２２０の下部にＮ型パッド２１０を形成した後、ホスト基板を個々の発光セル別に切断して垂直型の発光セル２００を製造する。
この実施形態においては、上述の構造を有する発光セルを基板の上に貼り付けてこれらをそれぞれ直列に接続してなる発光素子の種々の製造方法が提供可能である。
図５は、本発明の他の実施形態による発光セルが配設されている第１の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照すると、基板２０１の上に、Ｎ型半導体層２２０とＰ型半導体層２４０との間に活性層２３０が形成され、且つ、Ｎ型半導体層２２０とＰ型半導体層２４０上にそれぞれ電極パッド（２１０、２５０）が形成されている複数の垂直型の発光セル２００を貼り付ける。
基板２０１としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬｉＡｌ２Ｏ３、ＢＮ、ＡｌＮ及びＧａＮの内の少なくともいずれか１種の基板を用いることができ、樹脂、プラスチックなどの絶縁性の基板を用いることができ、また、熱伝導性に優れた基板を用いることもできる。もし、導電性の基板を用いる場合には、絶縁のために、その上部の表面に絶縁層が形成された基板を用いる。
この後、発光セル２００を基板２０１の上に所定のペースト（図示せず）を用いて貼り付ける。このとき、発光セル２００のＰ型パッド２５０が基板２０１の上に貼り付けられる。もちろん、これ以外のさまざまな方法を用いてこれらの両者を貼り合わせることができる。すなわち、この変形例においては、Ｐ型パッド２５０が基板２０１に貼り付けられているが、Ｎ型パッド２１０が基板２０１に貼り付けられていてもよい。
次に、Ｎ型パッド２１０、Ｎ型半導体層２２０、活性層２３０及びＰ型半導体層２４０の一部に対して所定のエッチング工程を行うことで、下部のＰ型パッド２５０の一部を露出させる。これにより、図５に示すように、発光セル２００の下部の一部にＰ型パッド２５０が露出される。所定の配線形成工程により、隣り合う発光セル２００間の電極を接続する。すなわち、一方の発光セル２００の露出されたＰ型パッド２５０と、これと隣り合う他方の発光セル２００のＮ型パッド２１０とを配線２６０により接続する。このとき、ブリッジ工程またはステップカバーリッジなどの工程を通じてそれぞれ隣り合う発光セル２００のＮ型パッド２１０とＰ型パッド２５０とを電気的に接続する導電性の配線２６０を形成する。
配線２６０としては、金属に加えて、伝導性を有する物質であればいずれも用いることができる。上述の配線形成工程はこれに限定されるものではなく、種々の実施の形態が採用可能である。これについては後述する。
本発明の発光素子において、一方の端部に位置する発光セル２００のＰ型パッド２５０と他方の端部に位置する発光セル２００のＮ型パッド２１０のそれぞれに外部端子電極（図示せず）を別途に形成して、外部から所定の電源が供給されるようにする。
図６は、本発明の他の実施形態の発光セルが配設されている第２の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
図６を参照すると、上述の変形例において述べたように、垂直型の発光セル２００を基板２０１の上に貼り付けた後、所定のエッチング工程を通じてＰ型パッド２５０の一部を露出させる。
次に、露出されたＰ型パッド２５０と隣り合う発光セル２００との間の基板２０１の上に、後続する配線とのショートを防ぐための所定の絶縁膜２５５を形成する。この後、所定の金属配線工程を用いて隣り合う発光セル２００間の電極を配線２６０により接続する。これらの絶縁膜２５５及び配線２６０は印刷工程を通じて形成することができるが、所定の蒸着、パターニング及びエッチング工程を通じて形成することもできる。
発光素子の製造は上述の工程により形成されるものに限定されず、発光セルのエッチングを行うことなく、発光セルよりも広幅の電極パターンを基板の上に形成した後、その上部に発光セルを貼り付けることができる。上述の変形例においては、Ｐ型パッドが基板に貼り付けられているが、Ｎ型パッドが基板に貼り付けられていてもよい。
図７は、本発明の他の実施形態の発光セルが配設されている第３の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）を参照すると、所定の電極パターン２０２が形成された基板２０１の電極パターン２０２の上に垂直型の発光セル２００のＰ型パッド２５０を貼り付ける。
基板２０１の上に形成された電極パターン２０２は、発光セル２００を直列に接続するために種々のアレイが採用可能である。もちろん、電極パターン２０２は、要求される発光セル２００の数に見合う分だけ形成し、発光セル２００のサイズよりも一側方向に長く形成する。また、それぞれの電極パターン２０２間は電気的・物理的に分離されている。
このとき、この変形例においては、基板２０１の上に電極パターン２０２が形成されているため、発光セル２００のＰ型パッド２５０を形成せずとも、基板２０１の上の電極パターン２０２をＰ型パッド２５０として用いることができる。また、この変形例においては、Ｐ型パッド２５０が基板２０１に貼り付けられているが、Ｎ型パッド２１０が基板２０１に貼り付けられていてもよい。このとき、Ｎ型パッド２１０を形成しないこともできる。
ここで、発光セル２００のＰ型パッド２５０と基板２０１の電極パターン２０２を貼り合わせるために導電性ペーストを用いる。もちろん、これ以外の種々の方法を用いてこれらの両者を貼り合わせることができる。このとき、図７（ｂ）に示すように、下部電極パターン２０２の一方の側に発光セル２００を並べ、他方の側に下部電極パターン２０２を露出させる。
この後、一方の発光セル２００と接続された電極パターン２０２と隣り合う一方の発光セル２００のＮ型パッド２１０を導電性の配線２６０を用いて電気的に接続する。これにより、一方の発光セル２００のＮ型パッド２１０は電極パターン２０２と配線２６０を介して隣り合う他方の発光セル２００のＰ型パッド２５０と接続されて複数の発光セル２００が直列に接続される。
上述の変形例はそれぞれの変形例に限定されるものではなく、それぞれの変形例間の変換が可能である。すなわち、半導体層の形成に際しても、多数の半導体膜がさらに追加されることができ、隣り合う発光セルを接続するために別途の絶縁膜を形成して隣り合うセル間を電気的に孤立させた後、それぞれの電極を露出させて、これらを所定の配線により接続することもできる。
図８は、本発明の第１の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図８を参照すると、この実施形態の発光素子３００は、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００が外部と電気的に接続される。
この実施形態による発光素子３００において、ワイヤー工程を通じてＮ型パッド９５、２１０及びＰ型パッド９０、２５０にそれぞれ第１及び第２の電極３１０、３２０を形成する。ここで、第１及び第２の電極３１０、３２０のそれぞれは、アノード電極及びカソード電極を言う。これにより、複数の発光セル１００、２００が直列に接続されている単一の発光素子３００を製造する。
加えて、交流駆動時にも動作可能に別途の制御部が追加されている発光素子を提供することができる。
複数の発光セルが直列に接続されている上記の場合に限定されることなく、複数の発光セルが直列に接続されている複数の発光セルブロックを並列に接続させて発光素子を製作することができる。これについては後述する。
図９は、本発明の第２の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図９を参照すると、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００を備える少なくとも２以上の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂが電極の間において逆並列に接続される。
図９中、第１の発光セルブロック１０００ａと第２の発光セルブロック１０００ｂが第１及び第２の電極３１０、３２０の間に並列に接続されている。このとき、第１の発光セルブロック１０００ａのカソードは第１の電極３１０に接続され、アノードは第２の電極３２０に接続され、第２の発光セルブロック１０００ｂのカソードは第２の電極３２０に接続され、アノードは第１の電極３１０に接続される。これは一実施形態に過ぎず、２以上の発光セルブロック１０００が並列に接続されることもできる。また、並列に接続されている２個の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂのそれぞれは、上述の発光セル１００、２００の略半数の発光セル１００、２００を備えることもできる。
例えば、発光素子３００に設けられた発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂ内の発光セル１００、２００が４０個であるとしたとき、第１の発光セルブロック１０００ａ内に２０個、第２の発光セルブロック１０００ｂ内に２０個が配置可能である。もちろん、第１及び第２の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂ内の発光セル１００、２００の数はこれに限定されない。しかしながら、発光素子の明るさの変化を極力抑えるために、第１及び第２の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂ内の発光セル１００、２００の数が同数であることが好ましい。
上述の構成を有する本発明の第２の実施形態による発光素子の動作を説明すると、もし、第１の電極３１０に「＋」電圧が加えられ、第２の電極３２０に「−」電圧が加えられる場合、第２の発光セルブロック１０００ｂが発光する。一方、第１の電極３１０に「−」電圧が、第２の電極３２０に「＋」電圧が加えられる場合、第１の発光セルブロック１０００ａが発光する。すなわち、外部の交流電源が発光素子に加えられるとしても、第１及び第２の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂが交互に発光するため、交流電源においても十分に使用可能である。また、家庭で用いられる電源は６０Ｈｚであるため、２個の発光セルブロック１０００ａ、１０００ｂが交互に発光しても何ら問題ない。
加えて、所定の整流動作を行う別途のブリッジ部を備える発光素子を製作することができる。
図１０は、本発明の第３の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図１０を参照すると、この実施形態による発光素子３００は、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００と、発光セル１００、２００に所定の電流を加えるための整流ブリッジ部３０１と、整流ブリッジ部３０１と接続されている第１及び第２の電極３１０、３２０と、を備える。
この実施形態においては、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００が外部の電源とは直接的に接続されることなく、第１及び第２の電極３１０及び３２０に接続されている整流ブリッジ部３０１を介して外部の電源に電気的に接続される。整流ブリッジ部３０１は、第１の電極３１０と発光セル１００、２００のアノード端子に接続された第１のダイオードＤ１と、発光セル１００、２００のアノード端子と第２の電極３２０に接続された第２のダイオードＤ２と、第２の電極３２０と発光セル１００、２００のカソード端子に接続された第３のダイオードＤ３と、発光セル１００、２００のカソード端子と第１の電極３１０に接続された第４のダイオードＤ４とを備えてなる。
このため、整流ブリッジ部３０１は順方向の電圧印加時に順方向に並べられたブリッジダイオードＤ１及びＤ３により電流が直列に接続された発光セル１００、２００に加えられ、逆方向の電圧印加時に逆方向に並べられた整流ブリッジダイオードＤ２及びＤ４により電流が直列に接続された発光セル１００、２００に加えられる。これにより、交流電源とは無関係に、発光素子３００が発光し続ける。
また、外部の電源が整流ブリッジと直列に接続されている発光セルに同時に加えることもできる。
図１１は、本発明の第４の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図１１を参照すると、この実施形態による発光素子３００は、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００と、発光セル１００、２００に所定の電流を加えるための整流ブリッジ部３０１と、発光セル１００、２００と整流ブリッジ部３０１にそれぞれ接続されている第１及び第４の電極３１０、３４０とを備える。
この実施形態においては、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００が第２及び第４の電極３２０、３４０により外部の電源と電気的に接続され、第１及び第３の電極３１０、３３０に接続されている整流ブリッジ部３０１により外部電源と電気的に接続されている。発光セル１００、２００と接続される電源と整流ブリッジ部３０１と接続される電源は同じ電源であってもよく、それぞれ異なる電源であってもよい。
整流ブリッジ部３０１は、第１の電極３１０と第２の電極３２０との間に接続された第１のダイオードＤ１と、第２の電極３２０と第３の電極３３０との間に接続された第２のダイオードＤ２と、第３の電極３３０と第４の電極３４０との間に接続された第３のダイオードＤ３と、第４の電極３４０と第１の電極３１０との間に接続された第４のダイオードＤ４とを備えてなるが、第２の電極３２０及び第４の電極３４０はそれぞれ発光チップ１００、２００のアノード及びカソードに接続される。
この実施形態においては、交流電源は整流ブリッジ部３０１を介して加えられ、第２の電極３２０及び第４の電極３４０は外部からＲＣフィルタを接続して用いるために別設されたものである。直流電源は発光セル１００、２００に直接的に加えられる。これにより、本発明の発光素子３００の全体の入出力電極端子の数は４個となる。このとき、２個は交流駆動用であり、残りの２個はＲＣフィルタを並列に接続するために設けられている。ＲＣフィルタの役割は、電流成分のうちリップル要素を極力抑えることである。
図１２は、本発明の第５の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図１２を参照すると、この実施形態による発光素子３００は、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００と、発光セル１００、２００に所定の電流を加えるための整流ブリッジ部３０１と、整流ブリッジ部３０１に接続されている第１及び第２の電極３１０及び３２０と、整流ブリッジ部３０１に接続されてＬＥＤアレイの抵抗を調節するための外部接続用の負電極３５０と、発光セル１００、２００に接続されている直流用の正電極３６０とを備える。
この実施形態においては、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００の正電極３６０と外部接続用の負電極３５０との間に抵抗体を任意に直列に接続して過負荷を防ぐことができる。
整流ブリッジ部３０１は、第１の電極３１０と外部接続用の負電極３５０との間に接続された第１のダイオードＤ１と、外部接続用の負電極３５０と第２の電極３２０との間に接続された第２のダイオードＤ２と、第２の電極３２０と発光セル１００、２００のカソードとの間に接続された第３のダイオードＤ３と、発光セル１００、２００のカソードと第１の電極３１０との間に接続された第４のダイオードＤ４とを備えてなる。
図１３は、本発明の第６の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。
図１３を参照すると、この実施形態による発光素子３００は、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００と、発光セル１００、２００に所定の電流を加えるための整流ブリッジ部３０１と、整流ブリッジ部３０１と発光セル１００、２００にそれぞれ接続されている第１〜第４の電極３１０〜３４０と、整流ブリッジ部３０１に接続されている外部接続用の負電極３５０とを備える。
この実施形態においては、整流ブリッジ部３０１の両端子（３１０、３３０）が交流電源に接続され、直列に接続されている複数の発光セル１００、２００が接続された第２及び第４の電極３２０及び３４０にはＲＣ回路が接続されて交流成分のリップル要素を極力抑え、また、過負荷を防ぐ。
整流ブリッジ部３０１は、第１の電極３１０と外部接続用の負電極３５０との間に接続された第１のダイオードＤ１と、外部接続用の負電極３５０と第３の電極３３０との間に接続された第２のダイオードＤ２と、第３の電極３３０と第４の電極３４０との間に接続された第３のダイオードＤ３と、第４の電極３４０と第１の電極３１０との間に接続された第４のダイオードＤ４とを備えてなるが、第４の電極３４０は発光チップ１００、２００のカソードに接続される。
この実施形態においては、全体の入出力電極端子の数は５個となり、交流電源は整流ブリッジ部３０１を介して加えられ、残りの電極はそれぞれ外部接続用の負電極５５０、ＲＣ回路が並列に接続される二つの電極（３２０、３４０）により構成される。
図１４は、本発明による発光装置を説明するための概念図である。
図１４を参照すると、電源部４１０と、複数の発光セル１００、２００が直列に接続されている発光素子３００と、発光素子３００に加えられる電圧及び電流の波形を制御するための制御部４２０とを備える。
図１４に示すものは、電源部４１０に交流電源が加えられ、制御部４２０に組み付けられた並列ＲＣ回路と直列抵抗体を発光素子３００部に接続するようになっている。
制御部４２０は、発光素子３００の内部の発光セル１００、２００とそれぞれ並列に接続されているキャパシタＣ１及び第１の抵抗Ｒ１を備える。なお、発光セル１００、２００と直列に接続されている第２の抵抗Ｒ２をさらに備えることもできる。
以下、図１４を参照して照明用の発光装置の構造及び動作について具体的に説明する。
発光素子３００の整流ブリッジ部３０１は、第１及び第２の端子を介して交流電源と接続される。第１及び第２の端子が接続されていない整流ブリッジ部３０１の両ノードの間に第２の抵抗Ｒ２と発光セル１００、２００部が直列に接続される。また、直列に接続されている第２の抵抗Ｒ２と発光セル１００、２００部が第１のキャパシタＣ１と第１の抵抗Ｒ１にそれぞれ並列に接続される。
これにより、この発光装置に交流電源を加えると、発光素子３００内の整流ブリッジ部３０１を介して正と負に区分された電流が発光セル１００、２００部の両方向に加えられ、これにより、順次に発光をすることになる。また、それぞれ並列に接続されているキャパシタＣ１と、抵抗Ｒ１及びＲ２により電流の波形が制御される。
従来の発光装置を説明するための概念図である。 本発明の一実施形態よる単位発光セルの断面図である。 本発明の一実施形態による発光セルが配設されている発光素子の断面図である。 本発明の他の実施形態による単位発光セルの断面図である。 本発明の他の実施形態の発光セルが配設されている第１の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態の発光セルが配設されている第２の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の他の実施形態の発光セルが配設されている第３の変形例による発光素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明の第２の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明の第３の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明の第４の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明の第５の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明の第６の実施形態による発光素子を説明するための概念図である。 本発明による発光装置を説明するための概念図である。
符号の説明
１０、３００ 発光素子
２０、２０１ 基板
３０ バッファ層
４０、２２０ Ｎ型半導体層
５０、２３０ 活性層
６０、２４０ Ｐ型半導体層
７０ 透明電極
８０、２６０ （金属）配線
９０、９５、２１０、２５０ （Ｐ型、Ｎ型）パッド
１００、２００ 発光セル
３０１ 整流ブリッジ部
３１０、３２０、３３０、３４０ （第１〜第４の）電極
３５０ 外部接続用の負電極
３６０ 直流用の正電極
４１０ 電源部
４２０ 制御部

Claims (15)

  1. 発光素子であって、
    複数の発光セルが単一枚の基板内において直列または並列に接続されている発光セルブロックを備えることを特徴とする発光素子。
  2. 前記発光セルブロックは、Ｎ型半導体層と、該Ｎ型半導体層の上部の所定の領域に形成される活性層と、該活性層の上に形成されるＰ型半導体層とを有する複数の発光セルと、
    一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを接続する配線とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記発光セルブロックは、Ｎ型半導体層、活性層及びＰ型半導体層が順次に積層された複数の発光セルと、
    前記複数の発光セルが付着された基板と、
    一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを接続する配線とを備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記Ｎ型半導体層の上にＮ型パッドが形成され、前記Ｐ型半導体層の上にＰ型パッドが形成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の発光素子。
  5. 前記発光セルに所定の整流電源を加えるための整流ブリッジ部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  6. 外部の交流電源と前記整流ブリッジ部とを接続するための電極をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  7. 前記発光セル及び前記整流ブリッジ部を外部の電源または外部素子と接続するための電極をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
  8. 直列に接続された前記発光セルブロックが前記基板の上において逆並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  9. 前記基板は、熱伝導性材質から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
  10. 前記熱伝導性材質からなる基板が電気伝導性を有する場合、基板上面に形成される絶縁膜と、
    前記絶縁膜と前記発光セルとの間に介装される電極パターンとをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の発光素子。
  11. Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とが形成された複数の発光セルを設けるステップと、
    一方の発光セルのＮ型半導体層とこれと隣り合う他方の発光セルのＰ型半導体層とを金属配線により接続するステップとを有することを特徴とする発光素子の製造方法。
  12. 前記複数の発光セルを設けるステップは、母基板（ｐａｒｅｎｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の上に前記Ｎ型半導体層、活性層、及び前記Ｐ型半導体層を順次に形成するステップと、
    前記Ｎ型半導体層の一部を露出させるステップと、
    前記個々の発光セルを電気的に絶縁するステップとを含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
  13. 前記複数の発光セルを設けるステップは、母基板の上に前記Ｎ型半導体層、活性層、及び前記Ｐ型半導体層を順次に形成するステップと、
    前記Ｐ型半導体層、活性層及びＮ型半導体層の一部を除去して個々の発光セルを電気的に絶縁するステップと、
    電気的に絶縁された前記Ｐ型半導体層の上にホスト基板（ｈｏｓｔ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を貼り付けるステップと、
    前記母基板を除去するステップと、
    前記ホスト基板を切断して個々の発光セルを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子の製造方法。
  14. 前記発光素子を基板の上に付着させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子の製造方法。
  15. 複数の発光セルが単一枚の基板内において直列または並列に接続されている発光素子と、
    前記発光素子に所定の電力を供給する電源部と、
    前記発光素子に加えられる電圧及び電流の波形を制御するための制御部とを備えることを特徴とする発光装置。
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