JP2008529297A - 直列接続された複数の発光セルを有する発光装置及びそれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

直列接続された複数の発光セルを有する発光装置及びそれを製造する方法が開示される。この発光装置は、基板上に形成されたバッファ層を含む。複数の棒状形状の発光セルがバッファ層上に互いに離隔して配置される。発光セルは、各々ｎ型層、活性層及びｐ型層を備える。一方、ワイヤが離隔された発光セル間を直列または並列に接続する。これにより、直列接続された発光セルのアレイを互いに反対方向に流れる電流により駆動するように接続することによって、交流電源を使用して直接駆動させることができる発光装置を提供することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、発光装置に関し、より詳細には、一つの基板上に直列アレイを形成する複数の発光セルを備えることによって、交流電源を使用して直接駆動させることができる複数の発光セルを有する発光装置に関する。

発光ダイオードは、多数のキャリアが電子であるｎ型半導体と、多数のキャリアが正孔であるｐ型半導体とが互いに接合された構造を有する光電変換半導体素子であって、これらの電子と正孔の再結合によって所定の光を発する。このような発光ダイオードは、表示装置及びバックライトとして用いられており、既存の白熱電球及び蛍光灯を代替して一般照明用途としてその使用領域を広げている。

発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて消費電力が小さく、寿命が長い。既存の照明装置に比べて、発光ダイオードの消費電力は、数分の１〜数十分の１に過ぎず、寿命は、数〜数十倍長くて、消費電力の低減や耐久性の側面において非常に優れている。

しかし、発光ダイオードは、電流の方向によってターンオン／オフを反復する。したがって、発光ダイオードを交流電源に直接接続して使用した場合、容易にダメージを受けるという問題点がある。したがって、このような発光装置を家庭用交流電源に直接接続して一般照明用として使用することが難しい。

本発明の目的は、発光ダイオードより構成され、且つ交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を製造する方法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の一態様は、直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を提供する。本発明の一態様に係る前記発光装置は、基板上に形成されたバッファ層を含む。複数の棒状形状の発光セルが前記バッファ層上に互いに離隔して配置される。前記複数の発光セルは、各々ｎ型層、活性層及びｐ型層を備える。一方、ワイヤが前記離隔された発光セルを直列または並列に接続する。これにより、直列接続された発光セルのアレイを互いに反対方向に流れる電流により駆動するように接続することによって、交流電源を使用して直接駆動させることができる発光装置を提供することができる。

本発明の発光装置は、一つの基板上に複数の発光ダイオードを有する。したがって、前記「発光セル」は、一つの基板上に形成された複数の発光ダイオードの各々を意味する。また、「直列発光セルアレイ」は、多数の発光セルが直列に接続された構造を意味する。
一方、前記ワイヤと前記ｐ型層との間に電極を介在させることもできる。前記電極は、Ｐ層とオーミックコンタクトを形成し、接合抵抗を減少させる。

上記他の目的を達成するためになされた本発明の他の態様は、直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を提供する。本発明の他の態様に係る製造方法は、基板上にバッファ層を形成するステップを含む。前記バッファ層上に各々ｎ型層、活性層及びｐ型層が順次に形成された複数の積層棒状形状の発光セルを形成する。その後、前記ｎ型層の一部が露出するまで前記ｐ型層及び前記活性層の一部を順にエッチングする。その結果、複数の発光セルが形成される。これに加えて、前記露出したｎ型層と隣接する発光セルのエッチングされたｐ型層とを接続するワイヤが形成され、前記複数の発光セルが直列または並列で接続される。

本発明の他の態様によれば、交流電源に直接接続して駆動することができる直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を提供することができる。また、発光セルをバッファ層上に互いに離隔された積層棒状形状に形成することができるので、発光セルを分離させるためのエッチング工程を省略することができる。
一方、絶縁膜を形成した後、ｐ型層上に電極を形成することもできる。前記電極は、ｐ型層とオーミックコンタクトを形成し、接合抵抗を減少させる。

本発明の実施形態によれば、発光ダイオードからなり、且つ交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を提供することができる。したがって、家庭用交流電源を使用して発光装置を一般照明用として使用することができる。また、交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を製造する方法を提供することができる。この方法によれば、発光セルを分離するためのエッチング工程を省略することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
以下に紹介される実施形態は、当業者に本発明の思想が十分に伝達され得るようにするために例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下説明される実施形態に限定されず、他の形態で具体化されることもできる。また、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張されて表現され得る。明細書全体にわたって同じ参照番号は、同じ構成要素を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る複数の発光セルを有する発光装置の動作原理を説明するための回路図である。
図１を参照すると、発光セル５１ａ、５１ｂ、５１ｃが直列接続されて第１の直列アレイ５１を形成し、他の発光セル５３ａ、５３ｂ、５３ｃが直列接続されて第２の直列アレイ５３を形成する。
第１及び第２の直列アレイ５１、５３の両端部は、各々交流電源５５及び接地に接続される。第１及び第２の直列アレイは、交流電源５５と接地との間に並列で接続される。すなわち、第１及び第２の直列アレイ５１、５３の両端部は、互いに電気的に接続される。

一方、第１及び第２の直列アレイ５１、５３は、互いに反対方向に流れる電流により発光セルが駆動するように配置される。すなわち、図に示すように、第１の直列アレイ５１に含まれた発光セルの正極（ａｎｏｄｅ）及び負極（ｃａｔｈｏｄｅ）と、第２の直列アレイ５３に含まれた発光セルの正極及び負極とは、互いに反対方向に配置される。
したがって、交流電源５５が正の位相である場合、第１の直列アレイ５１に含まれた発光セルがターンオンされ発光し、第２の直列アレイ５３に含まれた発光セルはターンオフされる。これとは反対に、交流電源５５が負の位相である場合、第１の直列アレイ５１に含まれた発光セルがターンオフされ、第２の直列アレイ５３に含まれた発光セルがターンオンする。

その結果として、第１及び第２の直列アレイ５１、５３が交流電源によりターンオン及びターンオフを交互に反復することによって、第１及び第２の直列アレイを含む発光装置は、連続的に光を発する。
一つの発光ダイオードで構成された発光チップを図１の回路のように接続し、交流電源を使用して駆動させることができるが、複数の発光チップが占有する空間が増加する。しかし、本発明の発光装置では、一つのチップに交流電源を接続して駆動させることができるので、発光装置が占有する空間が増加しない。

一方、図１の回路は、第１及び第２の直列アレイ５１、５３の両端部が交流電源５５及び接地に各々接続されるように構成したが、両端部が交流電源の両端子に接続されるように構成することもできる。また、第１及び第２の直列アレイ５１、５３は、各々３つの発光セルで構成されているが、これは、説明を助けるための例示であり、発光セルの数は、必要に応じてさらに増加することができる。そして、直列アレイの数もさらに増加することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を説明するためのフローチャートであり、図３〜図６は、図２のフローチャートに従い発光装置を製造する方法を説明するための断面図及び斜視図であり、図４は、図３の斜視図である。

図２及び図３を参照すると、発光セルを形成する基板２１を準備する（ステップ１）。
基板２１は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、酸化リチウム−アルミニウム（ＬｉＡｌ_２Ｏ_３）、窒化ホウ酸（ＢＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）から基板をなすことができる。基板２１は、その上に形成される半導体層の格子定数を考慮して選択される。例えば、基板２１上にＧａＮ系の半導体層が形成される場合、基板２１は、サファイア基板であることが好ましい。

基板２１上にバッファ層２３を形成する（ステップ３）。
バッファ層２３は、その上に形成される半導体層と基板２１との格子定数の相違により発生するストレスを緩和するために使われる。バッファ層としては、ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）系物質、すなわちＡｌＮ、ＧａＮまたはＩｎＮなどの半導体層を用いることができる。ここで、バッファ層２３を介して過度な電流が流れることを防止するために、不純物を別途にドープしない。バッファ層２３は、水素化物気相成長法（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ；ＨＶＰＥ）、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、または金属有機化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）を使用して形成することができる。したがって、バッファ層２３を薄く形成することが可能である。

バッファ層２３上にｎ型半導体棒２５、活性層２７及びｐ型半導体棒２９が順に積層された積層棒２６を形成する（ステップ５）。
積層棒２６は、ＨＶＰＥ、ＣＶＤ及びＭＯＣＶＤを使用して形成することができる。この時、図４に示すように、積層棒２６は、バッファ層２３上に互いに離隔して形成される。

ｎ型半導体棒は、不純物、例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮであることができ、ｐ型半導体棒は、不純物、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮであることができる。一方、活性層２７は、一般的に量子井戸層と障壁層が繰り返して形成された多層膜構造を有する。量子井戸層と障壁層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ≦１、 ０≦ｘ＋ｙ≦１）化合物を使用して形成することができ、ｎ型またはｐ型の不純物を注入することもできる。

積層棒２６を有する基板上に絶縁膜３１を形成し、隣接する積層棒２６間の空き空間を満たす（ステップ７）。絶縁膜３１は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）を使用してシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）で形成することができる。化学気相蒸着法を使用して充分の厚さのシリコン酸化膜を形成した後、積層棒２６の上部面が露出されるまで絶縁膜を平坦化させる。その結果、空き空間を満たす絶縁膜３１が形成され、絶縁膜３１の上部面に積層棒２６が露出される。

図２及び図５を参照すると、露出した積層棒２６上に電極３３を形成することができる。電極３３は、絶縁膜３１が形成された基板上に電極層を形成し、これをパターニングして形成することができる。電極３３は、ｐ型半導体棒２９上に形成され、ｐ型半導体棒２９とオーミックコンタクトを形成する。

図２及び図６を参照すると、ｐ型半導体棒２９及び活性層をエッチングし、ｎ型半導体棒２５を露出させる。その結果、ｎ型半導体棒２５、エッチングされた活性層２７ａ及びエッチングされたｐ型半導体棒２９ａを含む発光セル２６ａが形成される（ステップ１１）。
ｐ型半導体棒２９及び活性層２７をエッチングする間に、隣接する絶縁膜３１をエッチングすることができる。また、電極３３を当該エッチング工程の間に形成することもできる。すなわち電極層を形成した後、電極層と共にｐ型半導体棒２９及び活性層２７を順にエッチングすることによって、電極３を形成することができる。この場合、電極３３を形成するための別途のパターニング工程は省略することができる。

その後、ｎ型半導体棒２５とエッチングされたｐ型半導体棒とを電気的に接続する金属配線３５を形成する（ステップ１３）。
金属配線３５は、隣り合う発光セル２６ａを互いに直列接続し、これにより、直列発光セルアレイが形成される。金属配線３５は、ｎ型半導体棒２５と電極３３とを接続する。また、金属配線３５を形成する前に、露出したｎ型半導体棒２５上にオーミックコンタクトを形成するための電極を追加的に形成することもできる。
一方、金属配線３５がｐ型半導体棒２９ａとオーミックコンタクトを形成する場合、電極３３は省略することができる。

金属配線３５は、エアーブリッジ（ａｉｒ ｂｒｉｄｇｅ）手法またはステップカバレージ（ｓｔｅｐ−ｃｏｖｅｒａｇｅ）方式により形成することができる。一方、同じ発光セル２６ａ内のｎ型半導体棒２５とｐ型半導体棒２９ａ、そしてｎ型半導体棒２５と活性層２７ａが金属配線３５により互いに直接電気的に接続されることを防止するために、ｐ型半導体棒２９ａ及び活性層２７ａの側壁にスペーサ（図示せず）を形成することもできる。

金属配線３５により基板２１上に少なくとも２つの直列発光セルアレイを形成することができ、直列発光セルアレイは、互いに反対方向に流れる電流により駆動するように電源に接続される。これにより、交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を製造することができる。また、本発明の実施形態によれば、互いに離隔された積層棒２６を形成するので、発光セルを電気的に分離するためのエッチング工程を省略することができる。

以下、本発明の一態様に係る発光装置の構造を詳細に説明する。
再び図６を参照すると、発光装置は、基板２１を含む。基板２１は、サファイア基板であることができる。基板２１上にバッファ層２３が配置される。バッファ層２３は、ＭＯＣＶＤを使用して形成されたＧａＮであることができる。
バッファ層２３上に互いに離隔された複数の発光セル２６ａが位置する。各々の発光セル２６ａは、ｎ型半導体棒２５と、エッチングされたｐ型半導体棒２９ａ、及びｎ型半導体棒２５とｐ型半導体棒２９ａとの間に介在するエッチングされた活性層２７ａを含む。

ｎ型半導体棒２５は、ｎ型の不純物、例えばＳｉがドープされたＧａＮであることができ、ｐ型半導体棒２９ａは、ｐ型の不純物、例えばＭｇがドープされたＧａＮであることができる。また、エッチングされた活性層２７ａは、量子井戸層と障壁層が繰り返して形成された多層膜構造を有することができる。量子井戸層と障壁層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）化合物を使用して形成することができ、ｎ型またはｐ型の不純物を注入することもできる。
活性層２７ａ及びｐ型半導体棒２９ａは、ｎ型半導体棒２５に比べて小さい面積を有する。したがって、ｎ型半導体棒２５の一部が露出される。金属配線３５が露出したｎ型半導体棒２５とｐ型半導体棒２９ａとを各々接続し、直列接続された発光セルアレイを形成する。

図に示すように、発光セル２６ａは、一直線上で直列接続することができるが、これに限定されるものではなく、基板２１上でジグザグに接続することもできる。
一方、金属配線３５とｐ型半導体棒２９ａとの間に電極３３を介在させることができる。電極３３は、ｐ型半導体棒２９ａとオーミックコンタクトを形成し、接合抵抗を減少させる。

また、発光セル２６ａと金属配線３５との間に絶縁膜３１を介在させることができる。絶縁膜３１は、シリコン酸化膜であることができる。これに加えて、金属配線３５とエッチングされたｐ型半導体棒２９ａ及びエッチングされた活性層２７ａとの間にスペーサ（図示せず）を介在させることができる。スペーサは、金属配線３５とＰ型半導体棒２９ａ及び活性層２７ａを離隔させるために採択されうる。

本発明の実施形態によれば、発光ダイオードからなり、且つ交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を提供することができる。したがって、家庭用交流電源を使用して発光装置を一般照明用として使用することができる。また、交流電源に直接接続して駆動させることができる発光装置を製造する方法を提供することができる。この方法によれば、発光セルを分離するためのエッチング工程を省略することができる。

本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置の動作原理を説明するための回路図である。 本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を説明するための断面図である。 図３の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る直列接続された複数の発光セルを有する発光装置を製造する方法を説明するための断面図である。

符号の説明

２１ 基板
２３ バッファ層
２５ ｎ型半導体棒
２６ａ 発光セル
２７ａ エッチングされた活性層
２９ａ エッチングされたｐ型半導体棒
３１ 絶縁膜
３３ 電極
３５ 金属配線

Claims (5)

1. 基板上に形成されるバッファ層と、
   前記バッファ層上に棒状形状にて相互離隔するように形成され、各々がｎ型層、活性層及びｐ型層を備えた複数の発光セルと、
   前記離隔された発光セルを直列または並列に接続するワイヤとを有することを特徴とする直列接続された複数の発光セルを有する発光装置。
2. 前記バッファ層は、ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−Ｎ）系物質であることを特徴とする請求項１に記載の直列接続された複数の発光セルを有する発光装置。
3. 前記棒状形状の発光セルは、窒化ガリウム系化合物から形成されることを特徴とする請求項１に記載の直列接続された複数の発光セルを有する発光装置。
4. 前記発光セル間の空き空間を満たす絶縁膜をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の直列接続された複数の発光セルを有する発光装置。
5. 基板上にバッファ層を形成するステップと、
   前記バッファ層上に、各々ｎ型層、活性層及びｐ型層が順次に形成された複数の積層棒状形状の発光セルを形成するステップと、
   前記ｎ型層の一部が露出するまでｐ型層及び活性層をエッチングするステップと、
   前記露出したｎ型層と隣接する発光セルのｐ型層とを各々ワイヤで直列または並列に接続するステップとを有することを特徴とする直列接続された複数の発光セルを有する発光装置の製造方法。
   

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