JP3559435B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光素子チップに逆方向電圧が印加される場合にも発光素子チップがその逆方向電圧により破壊しないように保護素子が設けられている半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体発光素子は、p形層とn形層とが直接接合してpn接合を形成するか、その間に活性層を挟持してダブルヘテロ接合を形成して構成され、p形層とn形層との間に順方向の電圧が印加されることにより、pn接合部または活性層で発光する。このような発光素子は、たとえば図10に示されるように、半導体の積層体からなる発光素子チップ(以下、LEDチップという)3が第1のリード1の先端の湾曲状凹部にボンディングされ、一方の電極が第1のリード1と電気的に接続され、他方の電極が第2のリード2と金線4などにより電気的に接続されてその周囲がLEDチップ3の光に対して透明な樹脂製のパッケージ5により覆われることにより形成されている。
【0003】
このような発光素子は、ダイオード構造になっているため、逆方向の電圧が印加されても電流が流れない整流作用を利用して、直流電圧を両電極間に印加しないで交流電圧を印加することにより、交流で順方向電圧になる場合にのみ電流が流れて発光する光を利用する使用方法も採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
通常の半導体発光素子は、電極間に1〜4V程度の電圧が印加されて発光する。しかし、発光素子として用いられるGaAs系やGaP系やチッ化ガリウム系などの化合物半導体では、逆方向に印加される電圧に対して弱く、半導体層が破壊することがある。とくに、チッ化ガリウム系化合物半導体においては、その逆方向の耐圧が50V程度と低く、またバンドギャップエネルギーが大きいため、GaAs系などを用いた発光素子より動作電圧も高くなること、逆方向の印加電圧に対してとくに破壊しやすいこと、などのため交流電圧の印加で半導体発光素子が破損したり、その特性が劣化するという問題がある。
【0005】
また、交流電圧を印加する駆動でなくても、外部からサージ電圧などの大きな電圧が印加される場合、順方向電圧でも化合物半導体の接合部は破壊されやすいという問題がある。
【0006】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、交流駆動などのため、半導体発光素子のp側電極とn側電極に対して逆電圧が印加される場合にも、破壊し難い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の他の目的は、外部からのサージなどの大きな入力が順方向で加わる場合でも、破壊し難い半導体発光素子を提供することにある。
【0008】
本発明のさらに他の目的は、半導体発光素子内に保護素子を内蔵する具体的な構造の半導体発光素子を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体発光素子は、(a)基板上に発光層を形成すべく第1導電形層および第2導電形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光素子チップと、(b)前記第1導電形層および第2導電形層の間に電気的に接続されて前記発光部に印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光部を保護する保護素子とを有し、前記発光素子チップが、第1のリードの先端部に形成された湾曲面を有する凹部の底面にマウントされると共に、第1導電形層に接続される電極が該第1のリードの凹部上面にワイヤボンディングにより接続され、前記保護素子が、前記第1のリードの凹部上面の一部に形成される鍔部の表面に第2導電形層に接続される電極が該鍔部と電気的に接続されるようにマウントされ、該保護素子の第1導電形層と接続される電極が第2のリードとワイヤボンディングにより接続されると共に、前記発光素子チップの第2導電形層に接続される電極がワイヤボンディングにより前記保護素子の第1導電形層に接続される電極または前記第2のリードと接続され、前記第1のリードに設けられる凹部と、前記鍔部と、前記第2リードとがほぼ直線状をなすように前記鍔部が形成されることにより構成されている。
【0010】
ここに第1導電形および第2導電形とは、半導体の極性のn形およびp形のいずれか一方を第1導電形としたとき、他方のp形またはn形が第2導電形であることを意味する。また、保護素子とは、発光素子チップに印加され得る逆方向電圧を短絡したり、発光素子チップの動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧をショートさせ得る素子を意味し、ツェナーダイオードやトランジスタのダイオード接続、MOSFETのゲートとソースまたはドレインとを短絡した素子またはこれらの複合素子、ICなどを含む。
【0011】
この構造にすることにより、発光部の両導電形の半導体層に逆方向の電圧が印加されても保護素子部を介して容易に電流が流れて発光部には高い逆電圧は印加されない。この保護素子部に、たとえばシリコン半導体を用いた通常のダイオードを使用することにより、シリコンダイオードの順方向電圧(順方向の電圧の印加に対して電流が流れ始める電圧)は0.6V程度にできるため、発光部には殆ど逆方向電圧が印加されないで、逆電圧は直ちに解消される。しかし、発光部と同じ半導体材料を使用し、発光部とダイオード部とを1チップ化することもできる。
【0013】
また、本発明による半導体発光素子の他の形態は、(a)基板上に発光層を形成すべく第1導電形層および第2導電形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光素子チップと、(b)前記第1導電形層および第2導電形層の間に電気的に接続されて前記発光部に印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光部を保護する保護素子とを有し、前記発光素子チップが、第1のリードの先端部に形成された湾曲面を有する凹部の底面にマウントされると共に、第1導電形層に接続される電極が該第1のリードの凹部上面にワイヤボンディングにより接続され、前記保護素子が、先端部が分離溝により2つの領域に分離された第2のリードの一方の領域に、第1導電形層に接続される電極が該第2のリードと電気的に接続されるようにマウントされ、該保護素子の第2導電形層に接続される電極が前記第1のリードとワイヤボンディングにより接続されると共に、前記発光素子チップの第2導電形層に接続される電極がワイヤボンディングにより前記第2のリードの先端部の分離された他方の領域と接続される構造とされてもよい。
【0015】
前記保護素子がツェナーダイオードであれば、発光素子チップに順方向にサージなどの高電圧が印加されてもツェナーダイオードのツェナー特性により、発光素子チップにダメージを与えることなく保護する。
【0016】
前記発光素子チップがチッ化ガリウム系化合物半導体であれば、とくに逆電圧に弱く、また順方向でも高電圧の印加に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体が用いられる半導体発光素子において、逆電圧やサージなどに対して保護されるため好ましい。ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のGaとV族元素のNとの化合物またはIII 族元素のGaの一部がAl、Inなどの他のIII 族元素と置換したものおよび/またはV族元素のNの一部がP、Asなどの他のV族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【0017】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。
【0018】
本発明の半導体発光素子は、その一実施形態の断面説明図および平面説明図が図1に示されるように、第1のリード1の先端部の周囲に湾曲面を有する凹部11内にLEDチップ3がボンディングされ、一方の電極、たとえばn側電極39は第1のリード1と電気的に接続され、他方の電極、たとえばp側電極38が第2のリード2と金線4により電気的に接続されている。さらに、第1のリード1の先端部の鍔部12に保護素子としてのダイオードチップ(以下、保護ダイオードチップという)5がその正電極(p形層に接続される電極を意味する)が第1のリード1と電気的に接続されるようにボンディングされ、その負電極(n形層に接続される電極を意味する)は第2のリード2と金線4により電気的に接続されている。そして、その周囲が樹脂製のパッケージ6により覆われている。
【0019】
このLEDチップ3と保護ダイオードチップ5の接続の関係を電源7と共に図2に等価回路で示す。図2に示されるように、本発明の半導体発光素子は、LEDチップ3のp側電極38が保護ダイオードチップ5の負電極59と電気的に接続され、LEDチップ3のn側電極39が保護ダイオードチップ5の正電極58と抵抗Rを介して電気的に接続されている。そして、それぞれの両電極が電源7の両電極端子71、72に接続されている。なお、抵抗Rは図1では省略されているが、順電圧または逆電圧の過電圧が印加された場合に、その電圧降下を負担する役割をし、設けられることが好ましい。この抵抗Rは、保護ダイオードチップ5の負電極59側に設けられてもよい。
【0020】
LEDチップ3は、たとえば青色系(紫外線から黄色)の発光色を有するチップの一例の断面図が図3に示されるように形成される。すなわち、たとえばサファイア(Al2 O3 単結晶)などからなる基板31の表面に、GaNからなる低温バッファ層32が0.01〜0.2μm程度、クラッド層となるn形層33が1〜5μm程度、InGaN系(InとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体からなる活性層34が0.05〜0.3μm程度、p形のAlGaN系(AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体層35aおよびGaN層35bからなるp形層(クラッド層)35が0.2〜1μm程度、それぞれ順次積層されて、その表面に電流拡散層37を介してp側電極38が形成されている。また、積層された半導体層33〜35の一部が除去されて露出するn形層33にn側電極39が設けられることにより形成されている。
【0021】
保護ダイオードチップ5は、通常のシリコン半導体などからなり、pn接合が形成されたダイオードが用いられる。このpn接合は、一方の導電形の半導体層上に他方の導電形の半導体層をエピタキシャル成長して形成したものでもよく、また、一方の導電形の半導体層に他の導電形の不純物が拡散などにより導入されることにより形成されたものでもよい。さらに、半導体材料はシリコンでなくても化合物半導体で形成されたものでもよい。この場合、ヘテロ接合のpn接合構造や、ダブルヘテロ接合構造でダイオードを形成したものでもよく、ダブルヘテロ接合にすれば順方向電圧を下げることができる。さらにチップ形状も円柱状や角形状など種々の形状のものを使用することができる。正電極および負電極が同一面に形成されればLEDチップと向い合わせてバンプなどにより接続することができるし、両電極が上下両面に分離して設けられることにより、導電性のダイボンディング材によりダイパッドにLEDチップと共にダイボンディングをするのに都合がよい。
【0022】
このLEDチップ3および保護ダイオードチップ5が図1に示されるように、第1のリード1の湾曲面を有する凹部11および鍔部12にそれぞれ銀ペーストなどの接着剤によりボンディングされ、前述のように、LEDチップ3のn側電極39とp側電極38が第1のリード1および第2のリード2と、保護ダイオードチップ5の負電極が第2のリードとそれぞれ金線4により連結されて電気的に接続されている。なお、保護ダイオードチップ5の正電極は導電性接着剤により直接第1のリードと電気的に接続されている。そして、これらの周囲がLEDチップ3により発光する光を透過する透明または乳白色のエポキシ樹脂などによりモールドされることにより、パッケージ6で被覆された本発明の半導体発光素子が得られる。パッケージ6は、図1に示されるように、発光面側が凸レンズになるようにドーム形状に形成されることにより、ランプタイプの発光素子が得られる。
【0023】
本発明の半導体発光素子によれば、図2にその等価回路が示されているように、LEDチップ3と並列に保護ダイオードチップ5が抵抗Rを介してその極性がLEDチップ3と逆になるように接続されている。そのため、LEDチップ3を駆動する電源7が交流電源であっても、LEDチップ3に順方向の電圧になる位相のときは、保護ダイオードチップ5には逆方向電圧で電流は流れず、LEDチップ3に電流が流れて発光する。また、交流電源がLEDチップ3に逆方向の電圧になる位相のときは、保護ダイオードチップ5を介して電流が流れる。そのため、交流電圧がLEDチップ3に対して逆方向の電圧の位相となるときでも、LEDチップ3には保護ダイオードチップ5の順方向電圧より高い逆方向の電圧は印加されない。その結果、逆方向の電圧に対して弱いLEDチップ3であってもLEDチップ3に高い逆方向電圧が印加されず、LEDチップ3を破損したり、劣化させたりすることがない。この現象は、LEDチップ3の駆動が直流電源である場合に、外部から逆方向電圧のサージなどが入った場合でも、同様に保護ダイオードチップ5を介して放電し、LEDチップ3は逆方向の電圧に耐える必要がない。
【0024】
本発明は、以上のように、LEDチップ3と保護ダイオードチップ5が逆方向で並列に接続されていることに特徴があるもので、その接続方法は種々変更し得る。たとえば図4(a)に示されるように、LEDチップ3のp側電極38と保護ダイオードチップ5の負電極との間を金線4により接続し、さらに保護ダイオードチップ5の負電極と第2のリード2の先端との間を金線4により接続すれば、トータルの金線の長さを短くすることができる。また、図4(b)に示されるように、保護ダイオードチップ5を第2のリード2の先端にボンディングをして、それぞれの電極を金線4により電気的に接続することもできる。この構造にすれば、第1のリード1の先端部を必要以上に大きくする必要がない。なお、図4で図1と同じ部分には同じ符号を付してある。
【0025】
図5〜6は、図4のさらなる変形例で、図1に示されるように、保護ダイオードチップ5が設けられる鍔部12が第2のリード2との対向部ではなく、第1および第2のリードを結ぶ線とずれた位置に鍔部12が設けられ、その鍔部12の表面に保護ダイオードチップ5が設けられている。このように第2のリード2と対向する側とずれた位置に設けられることにより、金線が重なり合うことがなく、金線同士の接触を防ぐことができる。すなわち、ダイオードチップ5を設ける鍔部12は第1のリード1の先端部の凹部11の上面のいずれかの場所に設けられればよい。
【0026】
また、図6に示される例は、図4(b)の変形例で、第2のリード2に保護ダイオードチップ5をマウントする場合で、狭い場所に保護ダイオードチップ5をマウントすると共にLEDチップ3とのワイヤボンディングをしなければならない場合に、保護ダイオードチップ5をマウントする際のボンディング材がリード2上に流れるとワイヤボンディングの信頼性が低下するため、第2のリード2の上面に溝23を形成し、第2のリード2の上面を2つの領域2a、2bに分割して、その一方の領域2aに保護ダイオードチップ5をマウントし、他方の領域2bに金線4によりLEDチップ3とのワイヤボンディングをするものである。このような構造にすることにより、狭い場所に保護ダイオードチップ5をマウントしながら、ワイヤボンディングの信頼性が向上する。
【0027】
図7は本発明の半導体発光素子の別の実施形態を示す図である。この例は、LEDチップ8がサファイア基板上にチッ化ガリウム系化合物半導体が積層された青色系のLEDではなく、GaAsやGaPなどの基板上にAlGaAs系(AlとGaの比率が種々変わり得ることを意味する、以下同じ)などの化合物半導体が積層される赤色系のLEDなどのように、基板が導電性材料からなるものの例で、他は図1の例と同じで図1と同じ部分には同じ符号を付してある。この場合は、前述のように、n側電極を第1のリード1と金線などによりワイヤボンディングをしなくても、第1のリード1の湾曲面を有する凹部11に銀ペーストなどによりLEDチップ8をボンディングするだけで、n側電極と第1のリード1とが電気的にも接続される。その結果、図1の例と同様にLEDチップ8に逆方向の極性の保護ダイオードチップ5が並列に接続された発光素子ランプが得られる。
【0028】
図8〜9は、ランプタイプではなく、チップタイプの発光素子に本発明を適用した例を示す図である。図8(a)〜(b)は、GaAsなどの導電性材料からなる基板上に半導体層が積層されたLEDチップ8が保護ダイオードチップ5と共に設けられたチップ型発光素子の例の断面説明図およびその平面説明図である。図8(a)〜(b)において、91はセラミックスなどの絶縁性基板で、その表面に分離して設けられる第1の端子電極92と接続される金属上にLEDチップ8および保護ダイオードチップ5が並んでボンディングされ、それぞれの他方の電極である、たとえばp側電極88および負電極59が第2の端子電極93に金線4などによりワイヤボンディングされて電気的に接続されている。そしてその周囲がLEDチップ8で発光する光を透過させる材料からなるエポキシ樹脂などにより覆われてパッケージ95が設けられることにより形成される。なお、図8(a)に示されるように、第1および第2の端子電極92、93が絶縁性基板91の裏面に回り込むように形成されることにより、このチップ型発光素子を直接回路基板上などにハンダ付けすることができる。
【0029】
このようなチップタイプの発光素子においても、各チップのボンディング位置や、ワイヤボンディングの方法には限定されない。すなわち、図8(c)に示されるように、LEDチップ8のp側電極88と保護ダイオード5の負電極59とをまず金線4によりワイヤボンディングをし、ついで保護ダイオード5の負電極59と第2の端子電極93とを金線4によりワイヤボンディングすることにより、金線のトータルの長さを節約することができる。
【0030】
図9は、チッ化ガリウム系化合物半導体がサファイア基板などの絶縁性基板上に積層されたLEDチップ3が用いられている例で、図8(b)と同様の平面説明図が示されている。この例では、前述の図1の例と同様に、LEDチップ3をボンディングしただけでは一方の電極、たとえばn側電極39が第1の端子電極92と電気的に接続されないため、n側電極39と第1の端子電極92との間に金線4などによるワイヤボンディングがなされて電気的に接続されている。なお、この場合LEDチップ3を絶縁性基板91上に直接マウントしてもよい。その他は図8に示される例と同じで、図8と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。
【0031】
前述の各例では、保護素子部として通常のダイオードを使用したが、この保護素子部にツェナーダイオードを使用することにより、サージなどにより発光部に対して順方向に大きな静電気が入力された場合でも、その静電気は、ツェナーダイオードを介して放電され、LEDチップには過大電圧は印加されない。その結果、順方向に大きな電圧が印加されてもLEDチップ3が破損することがなく、外部からのサージに対しても充分に保護される。なお、この場合、ツェナー電圧は、保護すべき電圧(破壊する可能性のある電圧)より低い電圧で決定される。また、ダイオードに限らず、トランジスタをダイオード接続したものや、MOSFETのゲートとソースまたはドレインとを接続したもの、またはこれらを組み合わせてツェナーダイオードと同様に両方向に保護する複合素子またはICなど、ダイオードと同様にLEDチップを保護することができる素子を使用することができる。保護素子の順方向特性は、保護されるLEDチップの逆耐圧特性により決定され、その順方向電圧がLEDチップの保護しようとする逆方向電圧より低い電圧になるものが選択される。
【0032】
なお、前述に示される各例は、保護ダイオードチップとLEDチップとがそれぞれ別々のチップの例であるが、保護ダイオード部がLEDチップと同じ系統の半導体材料を用いて1チップで形成されていてもよい。また、前述の各例の電極間などの接続例は一例であって、他の接続方法でもよいことは言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、発光部に極性が逆方向の保護ダイオード部が並列に接続されているため、発光部に逆方向の電圧が入力されても逆方向電圧により破損したり、特性が劣化したりすることがない。その結果、とくに逆耐圧に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体を用いる半導体発光素子であっても、交流駆動に対して何等差し支えがなく使用勝手がよいと共に、半導体発光素子の信頼性が向上したランプ型およびチップ型の半導体発光素子が得られる。
【0034】
前述の保護ダイオードがツェナーダイオードであれば、発光部の順方向にサージなどによる過大電圧が入力されても発光部が保護され、半導体発光素子の信頼性が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態の断面および平面の説明図である。
【図2】図1の発光部とダイオード部の接続関係の等価回路図である。
【図3】図1のLEDチップの一例の断面説明図である。
【図4】図1の変形例を示す平面説明図である。
【図5】図1のさらなる変形例を示す斜視説明図である。
【図6】図1のさらなる変形例を示す斜視説明図である。
【図7】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の断面説明図である。
【図8】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の断面および平面の説明図である。
【図9】本発明の半導体発光素子のさらに他の実施形態の平面説明図である。
【図10】従来の半導体発光素子の一例の側面説明図である。
【符号の説明】
3 LEDチップ
5 保護ダイオードチップ
8 LEDチップ
38 p側電極
39 n側電極
58 正電極
59 負電極
Claims (3)
- (a)基板上に発光層を形成すべく第1導電形層および第2導電形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光素子チップと、(b)前記第1導電形層および第2導電形層の間に電気的に接続されて前記発光部に印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光部を保護する保護素子とを有し、前記発光素子チップが、第1のリードの先端部に形成された湾曲面を有する凹部の底面にマウントされると共に、第1導電形層に接続される電極が該第1のリードの凹部上面にワイヤボンディングにより接続され、前記保護素子が、前記第1のリードの凹部上面の一部に形成される鍔部の表面に第2導電形層に接続される電極が該鍔部と電気的に接続されるようにマウントされ、該保護素子の第1導電形層と接続される電極が第2のリードとワイヤボンディングにより接続されると共に、前記発光素子チップの第2導電形層に接続される電極がワイヤボンディングにより前記保護素子の第1導電形層に接続される電極または前記第2のリードと接続され、前記第1のリードに設けられる凹部と、前記鍔部と、前記第2リードとがほぼ直線状をなすように前記鍔部が形成されてなる半導体発光素子。
- (a)基板上に発光層を形成すべく第1導電形層および第2導電形層を含むチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層される発光素子チップと、(b)前記第1導電形層および第2導電形層の間に電気的に接続されて前記発光部に印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光部を保護する保護素子とを有し、前記発光素子チップが、第1のリードの先端部に形成された湾曲面を有する凹部の底面にマウントされると共に、第1導電形層に接続される電極が該第1のリードの凹部上面にワイヤボンディングにより接続され、前記保護素子が、先端部が分離溝により2つの領域に分離された第2のリードの一方の領域に、第1導電形層に接続される電極が該第2のリードと電気的に接続されるようにマウントされ、該保護素子の第2導電形層に接続される電極が前記第1のリードとワイヤボンディングにより接続されると共に、前記発光素子チップの第2導電形層に接続される電極がワイヤボンディングにより前記第2のリードの先端部の分離された他方の領域と接続されてなる半導体発光素子。
- 前記保護素子がツェナーダイオードである請求項1または2記載の半導体発光素子。
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