JP4626258B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、紫外域から可視光まで発光可能な窒化物半導体発光素子を用いた発光ダイオードに係わり、特に人間がショックを感じる電圧以下に対し、発光素子を損傷することなく発光効率の優れた発光ダイオードを提供するものである。

発光ダイオードは小型で効率が良く色鮮やかな発光をする。また、半導体素子であるため球切れなどの心配がない。さらに、初期駆動特性が優れ、振動や点滅に強いという特徴を有する。特に、近紫外から赤色まで高輝度に発光可能な発光素子として窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を利用した発光ダイオードが実用化されたことから種々の分野に急速に利用され始めている。

しかし、窒化物半導体は結晶性の優れた半導体を形成させることが難しく、現在のところサファイア基板やＳｉＣ基板上にバッファ層を介して成膜させてある。このような窒化物半導体を用いた発光素子は結晶性が悪いが故に耐電圧が低い。特に、発光層の組成にＡｌ或いはＩｎを含み紫外域や可視光の長波長側に発光ピークを持った窒化物半導体を形成させるほど結晶性が低下する傾向にある。

また、発光効率をより向上させるため発光層が単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とされる極めて薄膜で形成させることが行われている。そのため、小型、高効率、小電流で高出力を有する優れた特性を持つ窒化物半導体を用いた発光素子は、少しの静電気電圧で破壊され易いという問題がある。例えば、通常の発光層がＡｌＧａＩｎＰなどからなる赤色、赤外光が発光可能な発光ダイオードが約２ＫＶの耐電圧があるのに対し、発光層がＩｎＧａＮからなる青色、緑色、黄色などが発光可能な発光ダイオードの耐電圧は約０．５Ｖ以下にしかすぎない。特に、Ａｌが含有された紫外発光可能な窒化物半導体発光素子に至っては約０．２ＫＶ以下である。（なお、発光素子までの抵抗が理想的な０オーム、スイッチングにより２００ｐＦのコンデンサから発光素子に電流を流して耐電圧試験をしてある。）
このような３族窒化物半導体からなる発光ダイオードは、発光素子の構造上、電気的なショックにより素子の破壊が起こりやすい。特に、乾燥した雰囲気、帯電し易い環境で発光ダイオード及び発光ダイオード実装部品を取り扱うと、静電気により発光ダイオードが破壊される場合がある。

また、近年様々な分野に発光ダイオードが利用され始めているが、発光ダイオードを自動車用部品に組み込んだ場合も大きな問題となる。具体的には、車載用の発光ダイオードには始動時にサージ電圧が加わる場合があり、発光ダイオードを破壊する危険性もある。

静電気に因る破壊を防ぐために、発光ダイオード輸送時は導電性スポンジ、帯電防止剤入りケースなどを使用している。また、発光ダイオードの実装作業場では湿度管理、人体アース、除電装置の設置などの対策を取ることができる。しかし、これらの静電気対策は帯電電圧を下げることは可能であるが、静電気による破壊を完全に無くすことは難しい。

また、ＬＥＤ装置側で取られている静電気及びサージ電圧対策としては、過電流防止用の抵抗を直列に接続しＬＥＤ装置単体で定電圧駆動を可能にした抵抗内蔵型ＬＥＤ装置がある。この抵抗によりサージのエネルギーを吸収、緩和することは可能である。ただし、ＬＥＤ装置に対して、内蔵した抵抗が消費する電力を投入する必要があるなどＬＥＤチップが持つ特性を大きく損なう問題がある。

特に大きな問題となるのは、３族窒化物半導体からなる発光ダイオードの耐電圧が他の発光ダイオードと比較して極めて低く、また、人体がショックを感ずる限界が約２ＫＶ程度であるため、これ以下の電気が流れた場合、窒化物半導体素子が破壊されるかどうかが、分かり難いためである。
特開平１０−２５６６１０号公報 特開平１１−０５４８０４号公報 特開平１０−２００１５９号公報 特開平１０−２５６６１０号公報 実開昭５１−１６１０７８号公報 実開平０１−０９６７３７号公報 国際公開第９８／０３４２８５号パンフレット 特開平１１−１０３０９６号公報 特開平１１−０５４７９９号公報 特開平１１−０５４８０３号公報

現在、静電気の発生を完全に無くすこと、及び電源や測定器のＯＮ／ＯＦＦによるサージ発生を完全に無くすことは困難である。よって、発光ダイオード単体での静電気及びサージ保護対策が必要であるが、従来の抵抗内蔵型ＬＥＤ装置では、ＬＥＤチップの持つ特性を大きく損なってしまう。従って、本願発明は、ＬＥＤ固有の特性を損なうこと無く、且つ静電気やサージ電圧に対し、発光素子を損傷することなく発光効率の優れた発光ダイオードを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る発光ダイオードは、発光素子と、前記発光素子に対して逆並列に電気接続されるツェナーダイオードチップとを備えた発光ダイオードであって、先端にカップを有するマウントリードと、インナーリードと、前記発光素子及び前記ツェナーダイオードチップを封止する樹脂と、を有し、前記発光素子は前記カップに接合されており、前記ツェナーダイオードチップは同一面側に正負の電極を有し、該正負の電極は、前記インナーリードと前記マウントリードに溶接によりそれぞれ直接接合されていることを特徴とする。

この発光ダイオードにおいては、前記発光素子がサファイア基板上に形成されたダブルへテロ構造であってもよい。
さらに、前記樹脂はエポキシ樹脂であってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、ツェナーダイオードをＬＥＤチップに対して逆並列に接続することにより、静電気やサージ電圧から保護され、且つＬＥＤチップ固有の特性を損なうことのない発光ダイオードを得ることができる。

本願発明者は種々の実験の結果、適切なツェナー電圧Ｖｚを持つツェナーダイオードを窒化物半導体発光素子に対して逆並列に接続することにより、実質的に損失や駆動パルスに影響させることなく、静電気やサージ電圧に対して保護される発光ダイオードを見出し本願発明を成すに到った。

即ち、本願発明は図１に示す回路を発光ダイオードに内蔵することにより、発光ダイオード単体で、ＬＥＤチップ固有の特性を損なうことなく、静電気やサージ電圧に対してもＬＥＤチップを保護する発光ダイオードを得た。

ツェナーダイオードは図２に示すような電圧電流特性を有する。図２に於いて、横軸に電圧、縦軸に電流を取ると、逆方向に電圧を印加していくとツェナー電圧Ｖｚを境にして低インピーダンスとなり電流が急に流れ出す特性がある。順方向についても逆方向ほどの急激な立ち上がりではないがある電圧Ｖｆで電流が急に流れる特性がある。

このツェナーダイオードをＬＥＤチップに対して逆並列に接続した発光ダイオードに於いて、ツェナーダイオードは、順方向では｜Ｖｚ｜以上の電圧に対する電圧制限器として、逆方向では−Ｖｆ以下の電圧に対する電圧制限器として作用する。ツェナー電圧｜Ｖｚ｜がＬＥＤチップ駆動電圧より高いツェナーダイオードを用い、これをＬＥＤチップに対して逆並列に接続すると、発光ダイオード置に対して順方向電圧｜Ｖｚ｜を越えるサージ電圧が印加された場合、ツェナーダイオードは電圧制限器として作用するから、バイパスとなる保護作用をし、逆方向電圧−Ｖｆを越えるサージ電圧に対してもバイパスとなる保護作用をする。また、ツェナーダイオードのツェナー電圧Ｖｚまでの漏れ電流は、ＬＥＤチップ特性から考えると充分無視できる程度であるから、ＬＥＤ装置定常駆動時においてＬＥＤチップ固有の特性を損なうことは無い。

以上のことから、ツェナーダイオードをＬＥＤチップに対して逆並列に接続するサージ保護回路を内蔵することにより、静電気やサージ電圧からも保護され、且つＬＥＤチップ固有の特性を損なうことの無い発光ダイオードを得ることができる。

以下に本発明の一実施の形態である実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。しかし本発明はこれに限定されない。

参考例１

まず、窒化物半導体からなるＬＥＤチップをＭＯＣＶＤ法を用いて予め洗浄したサファイア基板上に成膜させる。ＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にサファイア基板を配置させて水素ガスを流しながら８００℃でベーキングした。次に、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、基板温度５５０℃でサファイア基板上にバッファ層としてＧａＮを厚さ１５０Åで成膜させた。

バッファ層を成膜後、原料ガスの流入を止め成膜温度を１０５０℃に上げて、原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流しｎ型ＧａＮを厚さ１．５μｍで成膜させた。続いて、ｎ型ＧａＮ上にｎ型電極を形成させるｎ型ＧａＮ層を成膜させる。成膜温度を維持させたまま、原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガス、キャリアガスとして水素ガス及びシランガスを流しｎ＋型ＧａＮを厚さ２．３μｍで成膜させた。成膜温度を維持させたまま、ｎ^＋型ＧａＮ上に原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流しアンドープのＧａＮとＳｉドープのＧａＮを２０周期で成膜させてある。なお、ＧａＮ層の不純物濃度が異なる変調ドープとしてある。変調ドープしたＧａＮ層上には活性層として２５０ÅのＧａＮと厚さ３０ÅのＩｎＧａＮを６周期繰り返した多重量子井戸構造であり、両端がＧａＮである活性層を構成する。

具体的には、成膜温度を１０５０℃に維持したまま、変調ドープしたＧａＮ層上に原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流しアンドープのＧａＮを３０Åで成膜させる。続いて、キャリアガスだけを流しながら、成膜温度を８００℃にまで下げる。原料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジュウム）ガス、ＴＭＧガス、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、アンドープのＩｎＧａＮを２５０Åで成膜させる。これを、６周期繰り返した後、最後に成膜温度を１０５０℃にし、原料ガスとしてＴＭＧ、窒素ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流しアンドープのＧａＮを３０Åで成膜させ活性層を形成させる。

次に、活性層上には、ｐ型クラッド層として厚さ４０ÅでＭｇドープのＡｌＧａＮと厚さ２５ÅでＭｇドープのＩｎＧａＮを５回繰り返した超格子ｐ型クラッド層を形成させる。成膜温度を１０５０℃に維持したまま、原料ガスとしてＴＭＧガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス、窒素ガス、キャリアガスとして水素ガス及びｐ型ドーパントしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを導入してｐ型ＡｌＧａＮを４０Åで成膜させる。

最後に成膜温度を１０５０℃に維持したまま原料ガスをＴＭＧガス、窒素ガス、キャリアガスとして水素ガス及び不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇを流しｐ型コンタクト層としてＭｇドープのＧａＮを成膜させる。

窒化物半導体ウエハを成膜後、ＲＩＥによりｎ型コンタクト層までが一部露出できるように活性層などを除去する。その後、ｐ型及びｎ型の各コンタクト層にスパッタリングを用いて電極を形成させる。窒化物半導体ウエハをスクライブして各ＬＥＤチップを形成させる。こうしてサファイア基板上に多重量子井戸構造の活性層が形成されダブルへテロ構造となる窒化物半導体である発光素子が形成される。

図３は本発明の一参考例の形態であるキャンタイプパッケージの発光ダイオードを示す模式図である。以下にこの図を元に、窒化物半導体よりなる発光ダイオードを作成する。上記で得られたＬＥＤチップ３１を、金メッキを施したステム３３の収納部にＡｇペースト３６で接合する。次にステムの収納部周縁のフラット部にｎ基板ツェナーダイオードチップ３２をＡｇペースト３６で接合する。

インナーリード３３ａとＬＥＤチップ３１のｎ側取出電極（−極側）を、またマウントリード３３ｂとＬＥＤチップ３１のｐ側取出電極（＋極側）を金線３５でワイヤーボンディングにより接続する。ステムのインナーリード３３ａは、ステム３３の収納部及びマウントリード３３ｂとは電気的に絶縁されている。次にツェナーダイオードｐ側取出電極（＋極側）とインナーリード３３ａを金線３５でワイヤーボンディングにより接続する。

最後に、Ｎ_２雰囲気中でキャップ３４とステム３３のフランジ部を抵抗溶接により溶着封止することにより、マウントリード３３ｂを＋極、インナーリード３３ａを−極とし、ツェナーダイオードチップ３２をＬＥＤチップ３１に対して逆並列に接続した発光ダイオードを形成した。

こうして得られた発光ダイオードの静電耐圧を評価した。評価に用いた装置の試験回路を図６に示す。電源Ｖの仕様は最大電圧３ｋＶ、最大電流３ｍＡの直流電圧とし、試験条件はコンデンサＣ容量を２００ｐＦ、抵抗Ｒを０Ωとした。なお、コンデンサＣは試験電圧に充分耐えられるものとし、切替スイッチＳは絶縁抵抗が高く、接触が低く、かつチャタリングのないものとした。また、試験装置と供試品との配線は極力短くし、浮遊容量はコンデンサＣ容量の５％以下とした。試験方法は、装置の切替スイッチＳを電源Ｖ側にし、試験電圧をコンデンサＣに充電する。切替スイッチＳを供試品側にして放電させる。次に試験電圧の極性を変えて同じ操作を繰り返す。試験電圧は１００Ｖステップで、最大２．５ｋＶまで設定した。

本参考例で得られた発光ダイオードの静電耐圧評価結果は、順方向、逆方向共に２．５ｋＶに耐えることまで確認した。２．５ｋＶ以上の電圧については装置設定外であるため確認できていない。

参考例２

図４は面実装タイプの発光ダイオードである。図４の上図は正面図で、下図は断面図である。

まず、銀メッキした銅製リードフレーム４１を打ち抜きにより形成し、そのリードフレーム４１に射出成形法により発光ダイオードの外枠となるプラスチックパッケージ４２を形成する。次に、窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップ４３を、プラスチックパッケージ４２収納部のリードフレーム４１露出部にエポキシ樹脂４６で接合する。さらに、プラスチックパッケージ４２収納部のリードフレーム４１露出部にｎ基板ツェナーダイオードチップ４４をＡｇペースト４７で接合する。プラスチックパッケージ４２収納部のＬＥＤチップ４３を接合したリードフレーム４１とツェナーダイオードチップ４４を接合したリードフレーム４１はプラスチックにより電気的に絶縁されている。ＬＥＤチップ４３を接合したリードフレーム４１とＬＥＤチップ４３のｎ側取出電極（−極側）を、またツェナーダイオードチップ４４を接合したリードフレーム４１とＬＥＤチップ４３のｐ側取出電極（＋極側）を金線４５でワイヤーボンディングにより接続する。次にツェナーダイオードチップ４４ｐ側取出電極（＋極側）とＬＥＤチップ４３を接合したリードフレーム４１を金線４５でワイヤーボンディングにより接続する。

次に、プラスチックパッケージ４２収納部に光透過率の良い透明エポキシ樹脂を充填する。プラスチックパッケージ４２外枠から出たリードフレーム４１を最適形状に切断し、最後にそのリードをプラスチックパッケージ４２外枠に沿うように折り曲げる。以上により、ＬＥＤチップ４３に対してツェナーダイオードチップ４４を逆並列に接続した面実装タイプの発光ダイオードを形成した。

こうして得られた本参考例の発光ダイオードに於いて、参考例１と同様の方法で静電耐圧を評価した結果、参考例１同様、順方向、逆方向共に２．５ｋＶに耐えることまで確認した。２．５ｋＶ以上の電圧については装置設定外であるため確認できていない。

図５は、砲弾型樹脂モールドタイプの発光ダイオード断面図である。まず、銀メッキした銅製リードフレーム５１を打ち抜きにより形成する。形成されたリードフレーム５１は、マウントリード５１ａの先端にＬＥＤチップ５２収納部であるカップと、カップ下部にツェナーダイオードチップ５３を接合可能な平坦部を有する。

リードフレーム５１の収納部に窒化ガリウム系化合物半導体であるＬＥＤチップ５２をエポキシ樹脂５６により接合する。続いて、インナーリード５１ｂとマウントリード５１ａに、図５に示すようにＳＭＤツェナーダイオードチップ５３を溶接により接合する。

インナーリード５１ｂとＬＥＤチップ５２のｎ側取出電極（−極側）を、またマウントリード５１ａとＬＥＤチップ５２のｐ側取出電極（＋極側）を金線５４でワイヤーボンディングにより接続する。インナーリード５１ｂは、マウントリード５１ａと電気的に絶縁されている。

ＬＥＤチップ５２及びツェナーダイオードチップ５４を外部応力、水分及び塵芥などから保護し、かつ適切な配光特性を得る目的で、光透過性に優れたエポキシ樹脂でモールドする。モールドは、エポキシ樹脂を入れた砲弾型型枠に先記形成したリードフレームを挿入し、加熱硬化させることで実施できる。以上により、ツェナーダイオードチップ５３をＬＥＤチップ５２に対して逆並列に接続した砲弾型樹脂モールドタイプの発光ダイオードを形成した。

こうして得られた本実施例の発光ダイオードに於いて、参考例１と同様の方法で静電耐圧を評価した結果、参考例１同様、順方向、逆方向共に２．５ｋＶに耐えることまで確認した。２．５ｋＶ以上の電圧については装置設定外であるため確認できていない。

本発明は、紫外域から可視光まで発光可能な窒化物半導体発光素子を用いた発光ダイオードに係わり、特に人間がショックを感じる電圧以下に対し、発光素子を損傷することなく発光効率の優れた発光ダイオードを提供するものである。

本発明の発光ダイオードの回路図を示す。 ツェナーダイオードの電圧電流特性図を示す。 参考例１のキャンタイプパッケージである発光ダイオードの斜視図を示す。 参考例２の面実装タイプである発光ダイオードの正面図及び断面図を示す。 実施例の砲弾型樹脂モールドタイプである発光ダイオードの模式的断面図を示す。 静電耐圧評価試験装置の回路図を示す。

２１、３１、４３、５２・・・ＬＥＤチップ
２２、３２、４４、５３・・・ツェナーダイオードチップ
３５、４５、５４・・・金線
４１、５１・・・リードフレーム
３３・・・ステム
３４・・・キャップ
４２・・・プラスチックパッケージ
５８・・・モールド樹脂
３６、４７・・・Ａｇペースト
４６、５６・・・エポキシ樹脂
５７・・・溶接による金属片

Claims (3)

1. 発光素子と、前記発光素子に対して逆並列に電気接続されるツェナーダイオードチップとを備えた発光ダイオードであって、
   先端にカップを有するマウントリードと、インナーリードと、前記発光素子及び前記ツェナーダイオードチップを封止する樹脂と、を有し、
   前記発光素子は前記カップに接合されており、
   前記ツェナーダイオードチップは同一面側に正負の電極を有し、該正負の電極は、前記インナーリードと前記マウントリードに溶接によりそれぞれ直接接合されていることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記発光素子がサファイア基板上に形成されたダブルへテロ構造である請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記樹脂はエポキシ樹脂である請求項１または２に記載の発光ダイオード。

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