JP5706614B2 - 交流駆動型の発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子に関し、より詳しくは、交流電源に直接接続して駆動される交流駆動型の発光素子に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオードが開発された以来、ＧａＮ系ＬＥＤは、ＬＥＤ技術を相当程度変化させており、現在、フルカラーＬＥＤ表示素子、ＬＥＤ交通信号機、白色ＬＥＤ等、様々な用途に用いられている。最近、高効率白色ＬＥＤは、蛍光ランプを代替するものとして期待されており、特に、白色ＬＥＤの効率は、通常の蛍光ランプの効率とほぼ同水準に達している。

一般に、発光ダイオードは、順方向電流により光を放出し、直流電流の供給を必要とする。したがって、発光ダイオードは、交流電源に直接接続して使用する場合、電流の方向に応じてオン・オフを繰り返し、その結果、連続的に光を放出せず、逆方向電流により破損しやすいという問題点があった。

このような発光ダイオードの問題点を解決して、高電圧交流電源に直接接続して使用可能な発光ダイオードが、特許文献１に「発光成分を有する発光素子」（LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS）という題目で、酒井等（Sakai et. al.）により開示されている。

前記特許文献１によると、ＬＥＤ（発光セル）がサファイア基板のような単一の絶縁性基板上に二次元的に直列接続され、ＬＥＤアレイを形成する。このような二つのＬＥＤアレイが、前記サファイア基板上にて逆並列で接続される。その結果、交流電源機構により直接駆動される単一チップ発光素子が提供される。

しかしながら、前記単一チップ発光素子において、直列接続された発光セルのいずれか一つの不良や配線の断線または短絡は、デバイスの交流動作を不可能にするチップ不良に繋がってしまう。特に、前記単一チップが高電圧、例えば、一般家庭用として用いられる１１０Ｖまたは２２０Ｖの交流電源で駆動されるため、数十個の発光セル及びこれらを直列接続及び逆並列接続する配線を含む場合、単一チップ上に形成された多数の発光セル及び配線により、チップ不良を起こしやすい。

また、同一の基板上において、多数の発光セルが直列及び逆並列接続されることにより、発光セルを接続する配線間で短絡発生の可能性が増加し、発光セルをパターニングする工程が複雑となる。

国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）号

本発明が解決しようとする技術的課題は、単一基板上に形成される発光セル及び配線の数を適切に減少させることができる交流駆動型の発光素子を提供することにある。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、単一基板上に形成された発光セルのパターニング及び配線接続工程を単純化させることができる交流駆動型の発光素子を提供することにある。

本発明が解決しようとするまた他の技術的課題は、交流電源によって逆方向電圧が印加されたアレイ内における発光セルへの過電圧の印加を防止することができる交流駆動型の発光素子を提供することにある。

上記の技術的課題を解決するため、本発明の一態様による交流駆動型の発光素子は、少なくとも４つの基板を有する。複数個の発光セルが直列接続された直列アレイが、前記基板上に各々配置される。一方、第１の接続手段が前記基板のうち、異なる基板上の直列アレイを電気的に接続する。前記第１の接続手段によって、各々少なくとも２つの直列アレイが互いに直列接続された、少なくとも２つのアレイ群が形成される。前記少なくとも２つのアレイ群は、互いに逆並列で接続されて動作する。これにより、単一基板上に形成される発光セルの数を減少させることができる交流駆動型の発光素子を提供することができる。また、単一基板上に形成される発光セルを全て直列接続させ、発光セルのパターニング工程及び配線形成工程を単純化することができる。

一方、少なくとも１つの第２の接続手段が、互いに逆並列で接続された前記アレイ群内における対応する第１の接続手段を電気的に接続することができる。前記第２の接続手段は、動作時、逆方向電圧が印加されたアレイ群内における特定のアレイに過電圧が印加されることを防止する。これにより、逆方向電圧が印加されたアレイ内の発光セルを保護することができる。

一方、ボンディングパッドが、前記基板上に各々配置されてもよい。前記ボンディングパッドは、前記直列アレイの両端に各々電気的に接続され、前記第１の接続手段は、前記ボンディングパッドを接続することにより、直列アレイを直列で接続する。

前記少なくとも４つの基板は、単一のパッケージ内に実装されてもよい。この際、前記第１の接続手段は、前記ボンディングパッドを直接接続するボンディングワイヤであってもよい。

一方、前記少なくとも４つの基板は、異なるパッケージ内に各々実装されてもよい。この際、前記基板上のボンディングパッドは、パッケージ内のリード電極に電気的に接続され、前記パッケージのリード電極が互いに電気的に接続され、直列接続されたアレイ群を形成することができる。ここで、前記ボンディングパッドは、様々な方式でパッケージのリード電極に接続されることができ、例えば、ボンディングワイヤを介して接続することができる。

１つのパッケージ内に実装される前記基板の数は、多様であってもよい。例えば、１つのパッケージ内に１つの基板が実装され、このようなパッケージが少なくとも４つ以上接続され、交流駆動型の発光素子を構成することができる。また、１つのパッケージ内に２つ以上の基板が実装され、直列接続されたアレイ群を形成し、このようなパッケージが互いに接続され、交流駆動型の発光素子を構成することができる。また、１つのパッケージ内に２つ以上の基板が実装されて逆並列接続され、このようなパッケージが互いに接続され、直列アレイが互いに直列接続されたアレイ群を有する交流駆動型の発光素子を構成することもできる。

上記の技術的課題を解決するため、本発明の他の態様による交流駆動型の発光素子は、少なくとも２つの基板を有する。互いに逆並列で接続された第１及び第２の直列アレイが、前記基板上に各々配置される。前記直列アレイは、複数個の発光セルが直列接続されて形成される。一方、第１の接続手段が、異なる基板上の直列アレイを互いに電気的に接続し、少なくとも２つのアレイ群を形成する。また、第２の接続手段が前記基板上に各々形成され、逆並列で接続された前記第１及び第２の直列アレイ間において、対応する発光セルを電気的に接続する。

本発明の実施形態によると、発光セルの直列アレイを有する複数の単一チップを用いるので、単一基板上に形成される発光セル及び配線の数を適切に減少させることができる。したがって、製造工程上のチップ不良率を減少させることができ、製造費用を低減することができる。また、単一基板上に形成された発光セルは、逆並列接続される必要がないので、単一基板上に形成された発光セルのパターニング及び配線接続工程を単純化させることができる。また、アレイ群を互いに接続する第２の接続手段を採用することにより、逆方向電圧が印加されたアレイ内の発光セルへの過電圧の印加を防止することができる交流駆動型の発光素子を提供することができる。これに加えて、複数の単一チップを用いるので、異なる発光波長の光を放出する単一チップを配置し、多様な波長の光を放出する交流駆動型の発光素子を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る発光セルの直列アレイを説明するための概略図である。 図２は、本発明の実施形態で用いられる発光セルを説明するための部分断面図である。 図３は、本発明の実施形態で用いられる発光セルを説明するための部分断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る交流駆動型の発光素子を説明するための概略図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係る交流駆動型の発光素子を説明するための概略図である。 図６は、本発明の実施形態で用いられるパッケージを説明するための断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係る発光セルの直列アレイを説明するための概略図である。

以下、添付した図面に基づき、本発明の実施形態について詳述する。以下に紹介される実施形態は、本発明の思想を当業者に充分伝達するために、例として提供されるものである。したがって、本発明は、後述する実施形態に限定されず、他の形態に具体化され得る。なお、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さ等は、便宜のために誇張して表現されることもある。明細書の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。

図１は、本発明の実施形態に係る発光セルの直列アレイを説明するための概略図である。ここで、前記直列アレイは、単一チップ５０内に配置される。

図１を参照すると、前記単一チップ５０は、基板５１を含む。基板５１は、絶縁基板であっても、または上面に絶縁層を有する導電性基板であってもよい。前記基板５１上に複数個の発光セル５８が配置される。前記発光セルは、配線によって互いに直列接続され、直列アレイ６１を形成する。前記直列アレイ６１の両端部にボンディングパッド７１が配置されてもよい。前記ボンディングパッド７１は、前記直列アレイ６１の両端部に各々電気的に接続される。

本発明の実施形態において、前記単一チップ５０内の発光セルは、単一基板上において全て直列接続されてもよい。したがって、単一基板上に発光セル５８を形成する工程及び前記発光セル５８を接続する配線を形成する工程が、従来の技術に比べて単純化する。

図２及び図３は、前記発光セルを説明するための部分断面図である。ここで、図２は、エアブリッジ工程で形成された配線によって発光セルが直列接続されたものを説明するための部分断面図であり、図３は、ステップカバー工程で形成された配線によって発光セルが直列接続されたものを説明するための部分断面図である。

図２を参照すると、基板５１上に複数の発光セル５８が互いに離隔して配置される。前記発光セル５８の各々は、第１の導電型下部半導体層５５、活性層５７及び第２の導電型上部半導体層５９を有する。前記活性層５７は、単一量子井戸または多重量子井戸で形成してもよく、要求される発光波長に応じて、その物質及び組成が選択される。例えば、前記活性層は、窒化ガリウム系化合物半導体で形成されてもよい。一方、前記下部及び上部半導体層５５、５９は、前記活性層５７に比べてバンドギャップの大きな物質で形成されてもよく、窒化ガリウム系化合物半導体で形成されてもよい。

一方、前記下部半導体層５５と前記基板５１との間にバッファ層５３が介されてもよい。バッファ層５３は、基板５１と下部半導体層５５の格子不整合を緩和させるために採用される。前記バッファ層５３は、図示のように、互いに離隔して形成してもよいが、これに限定されず、バッファ層５３が絶縁性であり、または抵抗の大きな物質で形成された場合、互いに連続的に形成されてもよい。

前記上部半導体層５９は、図示のように、前記下部半導体層５５の一部領域の上部に配置され、前記活性層は、上部半導体層５９と下部半導体層５５との間に配置される。また、前記上部半導体層５９上に透明電極層６１が配置されてもよい。前記透明電極層６１は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）膜またはＮｉ／Ａｕ等の物質で形成されてもよい。

一方、配線６７が前記発光セル５８を互いに電気的に接続する。前記配線６７は、１つの発光セルの下部半導体層５５と、それに隣接した他の発光セルの透明電極層６１を接続する。前記配線は、図示のように、前記透明電極層６１上に形成された電極パッド６４と、前記下部半導体層５５の露出した領域上に形成された電極パッド６５とを接続することができる。ここで、前記配線６７は、エアブリッジ工程で形成されたものであり、接触部を除いた部分は、基板５１及び発光セル５８から物理的に離れている。前記配線６７によって、単一基板５１上において発光セルが直列接続された直列アレイ６１（図１）が形成される。

図３を参照すると、前記発光セル５８を接続する配線は、ステップカバー工程で形成されてもよい。すなわち、配線８７を接触させるための部分を除いた、前記発光セルの全層及び基板５１は、絶縁層８５で覆われる。また、前記配線８７が前記絶縁層８５上でパターニングされ、前記発光セル５８を互いに電気的に接続する。

例えば、前記絶縁層８５は、前記電極パッド６４、６５を露出させる開口部を有し、前記配線８７は、前記開口部を通じて、隣接した発光セルの電極パッド６４、６５を互いに接続して、発光セルを直列に接続する。

図４は、本発明の一実施形態に係る交流駆動型の発光素子を説明するための概略図である。

図４を参照すると、前記交流駆動型の発光素子は、４つの単一チップ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを有する。前記各単一チップ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄは、図１を参照して説明した単一チップ５０と同一の構成要素を有し、便宜上、各構成要素の参照番号にａ、ｂ、ｃ、ｄを付けている。

発光セル５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄは、単一基板５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ上で、各々直列接続された直列アレイ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄを構成する。一方、前記直列アレイ６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄの両端部には、各々ボンディングパッド７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄが電気的に接続されてもよい。

一方、２つの直列アレイ６１ａ、６１ｂが互いに直列に接続され、アレイ群８１ａを形成し、他の２つの直列アレイ６１ｃ、６１ｄが互いに直列に接続され、アレイ群８１ｂを形成する。前記直列アレイは、第１の接続手段７３ａ、７３ｂによって直列に接続される。

前記第１の接続手段７３ａは、各々ボンディングパッド７１ａ、７１ｂを直接接続するボンディングワイヤであってもよく、また、前記第１の接続手段７３ｂは、ボンディングパッド７１ｃ、７１ｄを直接接続するボンディングワイヤであってもよい。しかしながら、前記第１の接続手段７３ａ、７３ｂが、ボンディングパッドを直接接続するボンディングワイヤに限定されるものではなく、パッケージのリード電極または印刷回路基板の回路パターン等を含む多様な接続手段であってもよい。

一方、前記アレイ群８１ａ、８１ｂは、互いに逆並列で接続されて動作する。すなわち、アレイ群８１ａのアノードとアレイ群８１ｂのカソードが、共通してターミナル端子に接続され、アレイ群８１ａのカソードとアレイ群８１ｂのアノードが、共通してターミナル端子に接続される。例えば、図示のように、前記アレイ群８１ａ、８１ｂは、互いに逆並列で接続されるように、アレイ群８１ａの両端にあるボンディングパッド７１ａ、７１ｂと、アレイ群８１ｂの両端にあるボンディングパッド７１ｃ、７１ｄとを、互いに共通ターミナル端子に接続してもよい。これにより、前記ターミナル端子に交流電源を接続し、前記４つの単一チップ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄを駆動することができ、交流電源の位相変化に応じて、アレイ群８１ａ、８１ｂが交互に動作する。

一方、第２の接続手段７５が、アレイ群８１ａ、８１ｂを互いに電気的に接続することができる。前記第２の接続手段７５は、図示のように、アレイ６１ａ、６１ｂ間のボンディングパッド７１ａと、アレイ６１ｃ、６１ｄ間のボンディングパッド７１ｄとを互いに接続してもよいが、これに限定されず、ボンディングパッド７１ａと７１ｃ及び／またはボンディングパッド７１ｂと７１ｄを接続してもよく、ボンディングパッド７１ｂと７１ｄを接続してもよい。また、前記第２の接続手段７５は、第１の接続手段７３ａと７３ｂを直接接続してもよい。このような第２の接続手段７５の接続によって、前記第１の接続手段が互いに電気的に接続される。

前記第２の接続手段７５は、第１の接続手段７３ａ、７３ｂと同様に、ボンディングパッドを直接接続するボンディングワイヤであってもよく、また、リード電極や印刷回路基板の導電パターンを含む接続手段であってもよい。

交流電源によって電圧が印加された場合、アレイ群８１ａ、８１ｂの一方に順方向電圧が印加され、他方のアレイ群に逆方向電圧が印加される。逆方向電圧が印加されたアレイ群は、発光セルに均一な電圧が印加されず、特定の発光セルに局部的に過電圧が印加されることがあり得る。前記第２の接続手段７５は、順方向電圧が印加されたアレイ群内における直列アレイ間の電位を用いて、逆方向電圧が印加されたアレイ群内における直列アレイ間の電位を制御する。したがって、逆方向電圧が印加されたアレイ群のうち、特定のアレイに過電圧が印加されることを防止し、発光セルを保護することができる。

一方、前記単一チップ５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ内の発光セル５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄは、全て同一の発光波長の光を放出するように形成されてもよいが、これに限定されず、異なる波長の光を放出するように形成されてもよい。したがって、本発明の実施形態によると、単一波長の光を放出する交流駆動型の発光素子のみならず、多様な波長の光を放出する交流駆動型の発光素子が提供され得る。

一方、本実施形態において、２つの単一チップ内のアレイが互いに直列接続されてアレイ群を形成することについて説明しているが、アレイ群は、より多くの直列アレイで形成されてもよい。図５は、本発明の他の実施形態に係る交流駆動型の発光素子を説明するための概略図であって、３つ以上の直列アレイを含むアレイ群を説明するための概略図である。

図５を参照すると、本実施形態に係る交流駆動型の発光素子は、単一チップの数を除いては、図４を参照して説明した発光ダイオードと同一である。すなわち、本実施形態において、３つの単一チップが直列に接続されて１つのアレイ群を形成し、他の３つの単一チップが直列に接続されて他のアレイ群を形成する。これらのアレイ群は、互いに逆並列で接続される。

一方、第２の接続手段９５ａ、９５ｂが、図示のように、アレイ群間において対応する第１の接続手段を互いに電気的に接続する。これにより、逆方向電圧が印加されたアレイ群内における特定のアレイへの過電圧の印加を防止し、発光セルを保護することができる。

図６は、本発明の実施形態で用いられる単一チップ５０を実装したパッケージを説明するための断面図である。ここで、凹状のパッケージ本体２０を有する上方放射型発光素子パッケージを挙げて説明しているが、これに限定されず、全種のパッケージに適用され得る。

図６を参照すると、パッケージ本体２０の実装領域上に、図１の単一チップ５０が実装される。前記単一チップ５０は、ボンディングワイヤ３５によってパッケージのリード電極３０に電気的に接続される。一方、前記単一チップ５０は、エポキシまたはシリコンのようなモールド樹脂４０で封止される。前記モールド樹脂４０は、蛍光体を含有してもよい。

本実施形態によると、１つの単一チップ５０を実装したパッケージが提供される。このようなパッケージを互いに直列で接続し、単一チップ５０が互いに直列に接続されたアレイ群を形成し、このようなアレイ群を互いに逆並列で接続することにより、交流電源で駆動され得る本発明による交流駆動型の発光素子が提供される。

一方、複数の単一チップ５０を１つのパッケージ内に実装してもよい。例えば、２つ以上の単一チップ５０を１つのパッケージ内に実装して互いに直列接続し、このような２つのパッケージを互いに逆並列で接続することにより、本発明の交流駆動型の発光素子が提供される。

前記パッケージは、リード電極を用いて、直列、並列、または逆並列で接続されてもよく、前記パッケージを実装する印刷回路基板上の導電性パターンを用いて接続されてもよい。

一方、１つのパッケージ上に少なくとも４つの単一チップを実装し、これらをボンディングワイヤ等を用いて、図４または図５で説明したように、少なくとも２つのアレイ群を形成し、このようなアレイ群を互いに逆並列で接続することにより、単一のパッケージを用いた交流駆動型の発光素子が提供される。

以上、基板上に１つの直列アレイを有する単一チップを用いた交流駆動型の発光素子について説明しているが、基板上に直列アレイが逆並列で接続された単一チップを用いて、交流駆動型の発光素子を構成してもよい。図７は、単一基板上に逆並列で接続された直列アレイを有する単一チップ１００を用いた交流駆動型の発光素子を説明するための概略図である。

図７を参照すると、基板５１上に、発光セル５８が直列接続された２つの直列アレイ６１ａ、６１ｃが配置される。前記直列アレイ６１ａ、６１ｃは、ボンディングパッド７１ａ、７１ｂ間で互いに逆並列で接続される。

このような単一チップ１００が、第１の接続手段によって互いに直列接続されることにより、少なくとも２つのアレイ群が形成される。前記第１の接続手段は、ボンディングパッドを直接接続するボンディングワイヤであってもよい。すなわち、前記単一チップをパッケージに実装し、前記単一チップをボンディングワイヤで接続することにより、アレイ群を形成することができる。また、上述したように、各々の単一チップ１００をパッケージに実装し、前記パッケージを互いに直列接続することによりアレイ群を形成してもよく、単一チップとパッケージを用いて直列アレイ群を多様に形成してもよい。

一方、同一の基板上に形成された前記アレイ６１ａ、６１ｃ間において、対応する発光セル５８は、第２の接続手段１０５によって電気的に接続される。前記第２の接続手段１０５は、逆方向電圧が印加されたアレイ内の発光セルに過電圧が印加されることを防止する。前記第２の接続手段１０５は、隣接した発光セル５８が共有する第１の導電型下部半導体層であってもよく、これとは異なり、隣接した発光セルを接続するように基板上に形成された配線であってもよい。

本実施形態によると、逆並列で接続された発光セルの直列アレイを有する単一チップ１００を直接接続してアレイ群を形成することにより、単一基板上の直列アレイ内における発光セルの数を減少させることができる。

２０：パッケージ本体、３０：リード電極、３５：ボンディングワイヤ、５１：基板、５８，５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５８ｄ：発光セル、６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ：直列アレイ、７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ：ボンディングパッド、７３ａ，７３ｂ：第１の接続手段、７５，９５ａ，９５ｂ，１０５：第２の接続手段

Claims (4)

1. 第１の基板、第２の基板、第３の基板及び第４の基板と、
   前記基板上に各々配置され、複数の発光セルが直列に接続されすくなくとも２つの基板上に配置された発光セルは異なる波長を放出する直列アレイと、
   前記第１の基板上の直列アレイと前記第２の基板上の直列アレイとを電気的に接続し、前記第３の基板上の直列アレイと前記第４の基板上の直列アレイとを電気的に接続する第１の接続手段と、
   を備え、
   前記第１の接続手段によって、前記第１の基板上の直列アレイと前記第２の基板上の直列アレイが接続され、また、前記第３の基板上の直列アレイと前記第４の基板上の直列アレイが接続され、２つのアレイ群が形成され、
   さらに、互いに逆並列で接続された前記アレイ群内における対応する第１の接続手段を電気的に接続する少なくとも１つの第２の接続手段をさらに有し、
   前記２つのアレイ群が、互いに逆並列で接続されて動作し、
   動作時に、逆方向電圧が印加された前記アレイ群内における特定のアレイに過電圧が印加されることを防止することを特徴とする交流駆動型の発光素子。
2. 前記基板上に各々配置され、前記直列アレイの両端に各々電気的に接続されたボンディングパッドをさらに有し、前記第１の接続手段は、前記ボンディングパッドを接続することを特徴とする請求項１に記載の交流駆動型の発光素子。
3. 前記第１の接続手段は、前記ボンディングパッドを直接接続するボンディングワイヤであることを特徴とする請求項２に記載の交流駆動型の発光素子。
4. 前記第１の接続手段は、パッケージのリード電極を含むことを特徴とする請求項２に記載の交流駆動型の発光素子。

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