JP5841338B2 - マルチセルアレイを有する半導体発光装置、発光モジュール及び照明装置 - Google Patents

マルチセルアレイを有する半導体発光装置、発光モジュール及び照明装置 Download PDF

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Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特に、複数の発光セルが配列された構造を有する半導体発光装置及びこれを含む発光モジュールと照明装置に関する。
一般的に、半導体発光ダイオード(LED)は出力及び効率や信頼性の側面で光源として有益な長所を有するため、ディスプレイ装置のバックライトだけでなく、様々な照明装置のための高出力、高効率光源として積極的に研究開発されている。
このようなLEDを照明用光源として常用するためには、所望する高水準の出力を提供しながら、光効率を高め、製造費用を低める必要がある。
しかし、高い定格電流を使用する高出力LEDの場合は、相対的に低い定格電流を使用する低出力LEDに比べ、電流密度が高くて光効率が著しく低下する。
具体的に、高い出力を得るため、同一面積のLEDチップで高い光束を得るために定格電流を高める場合には、電流密度の増加により却って光効率が低くなり、素子の発熱により光効率の低下が加速するという問題がある。
本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的の1つは、単位面積当たりの電流密度を改善して光効率を向上させると共に、駆動しない不良発光セルを効果的に処理できる半導体発光装置を提供することである。
本発明の目的の他の1つは、単位面積当たりの電流密度を改善して光効率を向上させると共に、不良発光セルを処理する時の有効な発光セル数の減少を最小限に抑え、さらに、電流の均一な分散を図ることができる半導体発光装置を提供することである。
本発明の目的のさらに他の1つは、単位面積当たりの電流密度を改善して光効率を向上させると共に、多様な配線構造を容易に具現できる発光セル間の新しい連結構造を有する半導体発光装置を提供することである。
本発明の目的のさらに他の1つは、上記の発光装置を含む発光モジュール及び照明装置を提供することである。
上記の技術的課題を解決するため、本発明の一観点は、基板と、それぞれが、前記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有し、前記基板の上面に位置する複数の発光セルと、前記複数の発光セルが直列と並列との組み合わせで連結されるよう前記複数の発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、前記複数の連結部と前記複数の発光セルとの所望しない接続が防止されるよう前記複数の発光セルの表面に形成された絶縁層と、を含み、
前記複数の発光セルは、それぞれ2以上の発光セルを有する複数の列に配列され、前記複数の連結部は、前記複数の列の各々の一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された第1連結部と、前記複数の列の各々の他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された第2連結部と、前記複数の列の各々に属する発光セルが前記第1連結部及び前記第2連結部の間で相互直列に連結されるように形成された複数の相互連結部と、前記複数の列のうち少なくとも一部の列の相互連結部を行方向に沿って連結するように形成された中間連結部と、を含み、
前記基板上に直接配置され、前記第1連結部に沿って離隔されるように配列された複数の第1ボンディングパッドと、
前記基板上に直接配置され、前記第2連結部に沿って離隔されるように配列された複数の第2ボンディングパッドと、をさらに含むことを特徴とする半導体発光装置を提供する。
上記の技術的課題を解決するため、本発明の別の一観点は、基板と、それぞれが、前記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有し、前記基板の上面に位置する複数の発光セルと、前記複数の発光セルが直列と並列との組み合わせで連結されるよう前記複数の発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、前記複数の連結部と前記複数の発光セルとの所望しない接続が防止されるよう前記複数の発光セルの表面に形成された絶縁層と、を含み、
前記複数の発光セルは、M個の行とN個の列(ここで、M、Nは4以上の整数)に配列され、前記列の各々に位置するM個の発光セルは、それぞれ相互直列に連結された2以上の発光セルを有する複数のグループに区分され、前記複数のグループの発光セルは、隣接する他のグループの発光セルと同一極性の電極が対向するように形成され、前記複数の連結部は、前記複数のグループの各々の一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された複数の第1連結部と、前記複数のグループの各々の他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された複数の第2連結部と、前記複数のグループの発光セルを相互直列に連結する直列連結用相互連結部とを含み、
前記基板上に直接配置され、前記複数の第1連結部に連結された延長部に沿って離隔されるように配列された複数の第1ボンディングパッドと、
前記基板上に直接配置され、前記複数の第2連結部に連結された延長部に沿って離隔されるように配列された複数の第2ボンディングパッドと、をさらに含むことを特徴とする半導体発光装置を提供する。
本発明の第2実施形態において、上記連結部は、上記複数の発光セルの第1導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第1連結部と、上記複数の発光セルの第2導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第2連結部とを含む。
本発明の第3実施形態において、上記複数の発光セルは、M個の行とN個の列(ここで、M、Nは4以上の整数)に配列され、上記各列に位置するM個の発光セルは、それぞれ相互直列に連結された2以上の発光セルを有する複数のグループに区分され、上記複数のグループの発光セルは、隣接する他のグループの発光セルと同一極性の電極が対向するように形成できる。また、上記連結部は、上記各グループの一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第1連結部と、上記各グループの他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第2連結部と、上記複数のグループの発光セルを相互直列に連結する直列連結用相互連結部とを含むことができる。
本発明の他の観点は、不良発光セルと接続する連結部を除去する時に共に消耗する正常発光セルの数を減少できる多様な方案を提供する。
一方案による半導体発光装置は、基板と、上記基板の上面に位置し、それぞれ上記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する複数の発光セル−上記複数の発光セルは、それぞれ2以上の発光セルを有する複数の列に配列される−と、上記複数の発光セルが直列及び並列の組み合わせで連結されるよう上記発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、上記複数の連結部と上記LEDセルとの所望しない接続が防止されるよう上記LEDセルの表面に形成された絶縁層とを含む。
ここで、上記連結部は、上記各列の一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された第1連結部と、上記各列の他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された第2連結部と、上記各列に属する発光セルが上記第1及び第2連結部の間で相互直列に連結されるように形成された複数の相互連結部と、上記複数の列のうち少なくとも一部の列の相互連結部を行方向に沿って連結するように形成された中間連結部とを含む。
他の方案による半導体発光装置は、基板と、上記基板の上面に位置し、それぞれ上記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する複数の発光セルと、上記複数の発光セルが並列に連結されるよう上記発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、上記複数の連結部と上記LEDセルとの所望しない接続が防止されるよう上記LEDセルの表面に形成された絶縁層とを含む。
ここで、上記連結部は、上記複数の発光セルの第1導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第1連結部と、上記複数の発光セルの第2導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第2連結部とを含む。
さらに他の方案による半導体発光装置は、基板と、上記基板の上面に位置し、それぞれ上記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する複数の発光セル−上記複数の発光セルは、M個の行とN個の列(ここで、M、Nは4以上の整数)に配列される−と、上記複数の発光セルが直列及び並列の組み合わせで連結されるよう上記発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、上記複数の連結部と上記LEDセルとの所望しない接続が防止されるよう上記LEDセルの表面に形成された絶縁層とを含む。
上記各列に位置するM個の発光セルは、それぞれ相互直列に連結された2以上の発光セルを有する複数のグループに区分され、上記複数のグループの発光セルは、隣接する他のグループの発光セルと同一極性の電極が対向するように形成される。
ここで、上記連結部は、上記各グループの一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第1連結部と、上記各グループの他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された少なくとも1つの第2連結部と、上記複数のグループの発光セルを相互直列に連結する直列連結用相互連結部とを含む。
本発明のさらに他の観点によると、発光セル間の新しい連結方案を提供する。
本観点において、上記半導体発光装置は、基板と、上記基板の上面に位置し、それぞれ上記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する複数の発光セル−上記複数の発光セル間の領域は少なくとも活性層まで除去された分離領域と定義される−と、上記複数の発光セルが並列、または直列及び並列の組み合わせで連結されるよう上記発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、上記複数の連結部と上記LEDセルとの所望しない接続が防止されるよう上記LEDセルの表面に形成された絶縁層とを含む。
ここで、上記連結部は、上記隣接する発光セルの間に位置し、上記発光セルが配列された方向に沿って形成された中間連結部を含み、上記隣接する発光セルは、上記中間連結部により相互連結される。
発光のための半導体多層膜を大面積に具現した後、通常の分離工程(完全分離のためのアイソレーション(isolation)工程と、部分分離のためのメサエッチング(mesa etching)工程が含まれる)により、それぞれサブチップに該当する複数の発光セルを形成し、各発光セルをワイヤではない、金属電極で連結して単一チップと類似するように駆動することで、個別チップをワイヤで連結する時に生じる短所(例えば、製造工程の複雑、ワイヤのオープン不良、小型化困難など)を解決することができる。
多数の発光セルを金属電極で連結し、単一チップで並列、または直列と並列が混合された連結(以下、「直並列」という)を具現する場合には、サブチップに該当する一部の発光セルに不良が発生しても、当該発光セルと接続する連結部をオープンさせることで、チップ全体を不良処理せずに半導体発光装置を使用できる。
また、並列または改善された直並列連結に基づいた配列を有する場合には、接続する連結部をオープンさせる方式で不良発光セルを除去する時に共に使用できない発光セルの数を減少させることができる。
一方、このような不良発光セルの除去においても、全体的に全体発光セルで電流分散を図ることができる連結構造を採用し、位置によって発光分布にばらつきが発生するという問題を解決することができる。
本発明の第1実施形態(直列及び並列の組み合わせ)によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図1に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 図1に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。 図1に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。 図1に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。 本発明の第2実施形態(並列)によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図4に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 図4に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。 図4に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。 本発明の第1実施形態の改善例によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図7に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 本発明の第1実施形態の他の改善例によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図9に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 本発明の第1実施形態のさらに他の改善例によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図11に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 本発明の第3実施形態によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図である。 図13に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。 発光セルの多様な設計による多重セルアレイの状態を示す平面図である。 発光セルの多様な設計による多重セルアレイの状態を示す平面図である。 発光セルの多様な設計による多重セルアレイの状態を示す平面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明によるマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。 本発明の一実施形態によるマルチセルアレイ半導体発光装置を有する照明装置を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態によるマルチセルアレイ半導体発光装置を有する照明装置を示す概略斜視図(組立後の状態)である。
以下、添付された図面を参照し、本発明の様々な実施形態をさらに詳しく説明する。
図1は本発明の第1実施形態(直列及び並列の組み合わせ)によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図であり、図2は図1に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。図3aから図3cは図1に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。
図1に図示されたように、本実施形態による半導体発光装置10は、基板11と、上記基板11の上面に6×6に配列された複数の発光セルCとを含む。
上記複数の発光セルCは、図3a及び図3bに図示されたように、上記基板11の上面に順に形成された第1導電型半導体層12a、活性層12c及び第2導電型半導体層12bを有する半導体多層膜12を分離して得ることができる。
本実施形態におけるセル分離工程は、半導体多層膜12を完全に除去して基板11の表面を露出させる完全分離(アイソレーション工程)で行われた形態で例示されている。また、メサエッチングにより、第1導電型半導体層12aは露出した領域を有することができる。図1において、アイソレーション工程により得られたラインは「IL」と、メサエッチングにより得られたラインは「ML」と表示されている。このような表記は、セル配列に関する他の図面においても同様に使用できる。
上記各セルには、第1導電型半導体層12aと第2導電型半導体層12bにそれぞれ接続された第1電極13a及び第2電極13bを形成できる。本実施形態において上記第1及び第2電極13a、13bは、各セルで均一な電流分散のために、一定間隔で互いに平行に形成された形態で例示されているが、図1に図示された電極形態に限らず、様々な構造で形成されることができる。
さらに、必要に応じて、連結部を当該導電型半導体層と接続するように延長させることにより、別途の電極を形成することなく、所望する配線連結を実現することもできる。
本実施形態による半導体発光装置は、図2の等価回路図に示されたように、各列S1−S6において6個の発光セルCが相互直列に連結され、6個の列S1−S6が相互並列に連結される直並列連結構造を有する。
このような連結構造では、電圧規格に適合するように直列に連結される発光セルの数を選択することができる。例えば、各列で直列に連結されるセル数を決めて所望する電圧規格を満たし、並列に連結される列の数を調整して所望する出力を提供することができる。この場合、上記の各列の発光セルは同じ数であることができる。
本実施形態に採用される連結部は、各列S1−S6の一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層12aに連結された少なくとも1つの第1連結部18aと、上記各列S1−S6の他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層12bに連結された少なくとも1つの第2連結部18bとを含むことができる。即ち、図1及び図3cに図示されたように、第1及び第2連結部18a、18bはそれぞれ第1及び第2ボンディングパッド19a、19bに連結できる。
また、上記連結部は、上記各列S1−S6に属する発光セルCが上記第1及び第2連結部18a、18bの間で相互直列に連結されるように形成された複数の相互連結部15を含むことができる。上記相互連結部15は、各列において隣接する発光セルCを相互直列に連結しながら、各列S1−S6の両端に位置する発光セルを上記第1及び第2連結部18a、18bに連結することができる。本実施形態に採用される連結部はワイヤではなく、発光セルC、及び基板11の表面の形状に沿って形成され、連結部の電気的接点以外の部分も発光セルCおよび基板11の表面から離れることはない。よって本実施形態においては、各々の発光チップCをワイヤで連結する時に生じやすい、製造工程の複雑化、ワイヤのオープン不良、小型化困難等の不具合が生じにくい。また、発光セルCと連結部との間には絶縁層14が介在されるので、発光セルCと連結部との意図しない短絡を防止することができる。
具体的には、図3aに図示されたように、同一列で相互連結部15を用い、一発光セルの第2電極13bに隣接する他の発光セルの第1電極13aを連結することができる。また、図示されたように、同一列で発光セルの連結がより容易になるよう、発光セルは各列で異なる極性の電極位置が互いに対向するように形成できる。
ここで、上記絶縁層14は、発光セルと連結部との所望しない接続を防止するためにセル表面に形成されるが、各発光セルの側面に全体的に形成され、各発光セルを保護するパッシベーション層として提供されることができる。
また、本実施形態に採用された相互連結部15は、図3bに図示されたように、S6列の他端に位置する発光セルの第2電極13bと連結された相互連結部15が絶縁層14に沿って形成され、第2連結部18bに連結できる。これと同様に、各列の一端に位置する発光セルの第1電極13aも相互連結部15を通じて第1連結部18aに連結される。
上記第1及び第2連結部18a、18bは、上記相互連結部15を通じて発光セルの第1及び第2電極13a、13bにそれぞれ接続された構造で例示されている。しかし、上述したように、各発光セルに別途の電極を形成することなく、相互連結部のような配線ラインを通じて発光セルの所望する導電型半導体層部分に直接接続させることもある。
上記第1及び第2ボンディングパッド19a、19bは上記第1及び第2連結部18a、18bと上記相互連結部15と異なる金属で形成されることができる。例えば、ボンディングパッド19a、19bはCr/Auのような通常の金属層で構成されることができ、配線のための第1及び第2連結部18a、18bと相互連結部15は反射率に優れながらも伝導性の良いAl、Agのような金属で形成することができる。
しかし、これとは異なり、上記ボンディングパッドと上記連結部は、1つの金属パターン形成工程によっても形成できる。即ち、第1及び第2ボンディングパッド19a、19bと上記第1及び第2連結部18a、18bと上記相互連結部15を全て同じ金属で形成することができる。このような金属としては、例えばCr/Auがある。
各々の発光セルが、相互連結部15を介して第1ボンディングパッド19aに連結された第1及び第2連結部18a、及び第2ボンディングパッド19bに連結された第2連結部18bと電気的に接続された後、各々の発光セルの発光が不良でないか否かのテストが実施される。以下、このテストにおいて発光が不良と判定された発光セルを、不良発光セルCoとよぶ。
上記複数の発光セルには少なくとも1つの不良発光セルCoが含まれているとする。本実施形態では、図1に図示されたように、他の発光セルCの連結回路から排除されるよう、不良発光セルと接続する連結部を切断させることによってチップ全体を不良処理することなく使用できる。より具体的には、不良発光セルCoの第2導電型半導体層12bと連結される連結部を切断し、第2ボンディングパッド19bと不良発光セルCoとの電気的な接続を切断することで、不良発光セルCoに電流が流れないようにする。不良発光セルCoを排除させるための連結部の切断は連結部(特に、相互連結部)を構成する電極ラインの一部を除去することで実現できる。
図3aは図1に図示された半導体発光装置のX1−X1'を切開して示した側断面図であり、不良発光セルを排除させるための連結部の切断状態を説明するための図面である。
図3aに図示されたように、不良発光セルCoに連結された相互連結部15は、切断されたオープン領域Oを有する。上記オープン領域Oはレーザスクライビング(laser scribing)、物理的・化学的エッチングのような工程により形成されることができる。
このような不良発光セルCoの処理によると、連結回路全体から不良発光セルCoだけでなく、その不良発光セルCoと直列に連結されたS3に属する発光セル全てが駆動から排除される。即ち、本実施形態のように、1個の発光セルが不良と判定され、該当不良発光セルと接続する連結部が切断されると、残りの5個の列は正常に駆動し、その不良発光セルと共に直列に連結された5個の発光セルは駆動しなくなる(即ち、1個の不良チップ処理で、5個の正常発光セルが消耗)。
一方、本実施形態では、不良発光セルCoと直接連結された相互連結部15にオープン領域Oを形成した例として図示しているが、S6に属する相互連結部であれば、不良セルと直接連結されていない他の位置の相互連結部を切断させる場合にも該当不良発光セルが連結回路全体から排除されるように処理できる。
上記の実施形態では、直並列方式の例として、6×6の発光セル配列が示されているが、異なる数、即ち、M個の行とN個の列(ここで、M、Nは2以上の整数)を有するように配列されたM×N個の発光セルと同様に適用でき、さらに、複数の列を有し、各列で直列連結された2以上の発光セルを含む場合には不良チップ除去方案が同様に適用できる。
本実施形態による直並列連結とは異なり、半導体発光装置は全ての発光セルを並列に連結する方式で具現できる。このような実施形態は、図4から図6を参照して説明される。
図4は本発明の第2実施形態(並列)によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図であり、図5は図4に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。
図6a及び図6bは図4に図示された発光装置のセル間の連結を説明するための部分側断面図である。
図4に図示されたように、本実施形態による半導体発光装置40は、基板41と、上記基板41の上面に6×6配列の複数の発光セルCを含むことができる。
上記複数の発光セルCは、図6a及び図6bに図示されたように、上記基板41の上面に順に形成された第1導電型半導体層42a、活性層42c及び第2導電型半導体層42bを有する半導体多層膜42を分離して得ることができる。本実施形態における分離工程は、半導体多層膜42を第1導電型半導体層を露出させる部分分離(メサエッチング工程)を行った形態で例示されている。
また、セル表面に絶縁層44を形成することで、上記発光セルを並列に連結するための連結部が上記発光セルの所望しない部分と接続されるのを防止する。
本実施形態において、上記各セルCには第1導電型半導体層42aと第2導電型半導体層42bにそれぞれ接続された第1電極43a及び第2電極43bを形成できるが、上述したように、連結部を当該導電型半導体層と接続するように延長させることで、別途の電極を形成することなく所望する配線連結を実現できる。
本実施形態による半導体発光装置40は、図5に図示されたように、それぞれ並列に連結される並列連結構造を有する。
発光セルを並列連結するために、上記連結部は、上記複数の発光セルの第1導電型半導体層42aに連結された少なくとも1つの第1連結部48a、48a'と、上記複数の発光セルの第2導電型半導体層42bに連結された少なくとも1つの第2連結部48b、48b'とを含むことができる。
また、上記連結部は、上記第1連結部48a、48a'と上記各発光セルの第1導電型半導体層42aを連結する複数の第1相互連結部45aと、上記第2連結部48、48b'と上記各発光セルの第2導電型半導体層42bを連結する複数の第2相互連結部45bとを含むことができる。
本実施形態において、上記第1連結部48a、48a'及び第2連結部48b、48b'は、基板41または第1導電型半導体層42aの露出領域に形成されることができる。上記第2導電型半導体層の露出した領域と直接接続しないよう、図6a及び図6bに図示されたように、上記第1連結部48a、48a'及び第2連結部48b、48b'は絶縁層44の上に形成できる。
また、図4に図示されたように、第1及び第2連結部48a、48bは、それぞれ第1及び第2ボンディングパッド49a、49bに連結できる。
より具体的に説明すると、図4に図示されたように、6×6配列を有する発光セルにおいて並列連結構造を容易に実現するために、複数の発光セルCは、各列で同一極性の電極位置が互いに対向するように形成できる。
このように、発光セルCの同一極性が対向する配列において、図1に図示されたように、上記第1連結部48a、48a'及び第2連結部48b、48b'は、それぞれ上記隣接する行の間に形成され、対向する両側に位置する発光セルの同一極性の半導体層に連結された少なくとも1つの第1及び第2中間連結部48a'、48b'を含むことができる。
ここで、上記第1及び第2中間連結部48a'、48b'は、同一極性の半導体層(本実施形態では第1及び第2電極)にそれぞれ連結されることができる。
図6aに図示されたように、上記第2中間連結部48b'は絶縁層44の上に形成され、両側に位置する2個の発光セルの第2電極43bに連結された第2相互連結部45bに連結できる。
上記絶縁層44は、上記第2中間連結部48b'に連結された第2相互連結部45bと発光セルとの所望しない接続を防止するよう、発光セルの側面及び第1導電型半導体層42aの露出した上面に形成できる。
図6bに図示されたように、上記第1中間連結部48a'は絶縁層44の上に形成され、上記2個の発光セルの第1電極43aは上記第1導電型半導体層42aの露出した上面において上記第1中間連結部48a'の両側にそれぞれ形成されることができる。上記第1中間連結部48a'と上記第1電極43aは、第1相互連結部45aによって相互連結できる。
本実施形態による半導体発光装置40は、6×6配列における並列連結を具現するために行方向に形成された4個の第1連結部48a、48a'と3個の第2連結部48b'を有し、上記行方向に形成された4個の第1連結部のうち、3個の連結部が上述の第1中間連結部48a'に、上記行方向に形成された3個の第2連結部は全て第2中間連結部48b'に採用され、隣接する2個の行に配列された発光セルの当該電極に相互連結部45を通じて連結できる。
本実施形態では、複数の発光セルのうち少なくとも1つの不良発光セルCoを含むことができる。図4及び図5に図示されたように、上述の実施形態と類似するように、他の発光セルCの連結回路から排除されるよう、不良発光セルと接続する連結部(特に、相互連結部)を切断させることができる。
図6aに図示されたように、不良発光セルCoと第2中間連結部48b'の間を連結する第2相互連結部45bを切断させるオープン領域Oを形成することで、他の発光セルCの連結回路から不良発光セルCoを排除させることができる。
本実施形態では、全ての発光セルがそれぞれ並列に連結された形態であるため、不良発光セルと接続する相互連結部を切断させても、該当不良発光セル数だけを除いて、残りの発光セル全てを駆動できる。即ち、不良発光セルCoが1個である場合、これを排除させても、本実施形態による並列連結構造では35個の発光セルが正常に駆動できる。
このように、本実施形態による半導体発光装置40は、図1に図示された連結形態の光量の減少(例えば、1個の不良発光セルの処理で、5個の正常発光セルが追加で排除)に比べ、同じ数の不良発光セルの処理による光量の減少を低減することができるという長所を提供する。
複数の発光セルの連結においては、所望する使用電圧と光量によって部分的に直列連結を有する直並列の使用が不可避な状況もある。このような直並列連結構造の発光セルを有する半導体発光装置においては、不良発光セルの処理により消耗する正常発光セルを減少し、最小限の光量の減少を求められることもあり得る。
図7から図11に図示された実施形態は、第1実施形態のような直並列連結構造において上記の要求を満たすことができる方案として、中間連結部を採用する多様な例を提案している。
まず、図7に図示された半導体発光装置70は、基板71と、上記基板71の上面に6×4に配列された複数の発光セルCとを含む。上記複数の発光セルCは、上述の実施形態と類似するように、上記基板71の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する半導体多層膜を分離して得られることができる。
本実施形態において、分離工程は、半導体多層膜を完全に除去して基板71の表面を露出させる完全分離(アイソレーション工程)を行った形態で例示されている。また、第1導電型半導体層は、メサエッチングにより露出した領域を有することができる。上記各セルには、第1導電型半導体層72aと第2導電型半導体層72bにそれぞれ接続された第1電極73a及び第2電極73bを形成できる。
本実施形態による半導体発光装置は、図1に図示された実施形態と類似するように、4個の列において6個の発光セルCが相互直列に連結され、4個の列が相互並列に連結される直並列連結構造を有する。
このような連結構造のために、上記連結部は、上記各列の一端に位置する発光セルの第1電極73aに連結された第1連結部78aと、上記各列の他端に位置する発光セルの第2電極73bに連結された第2連結部78bとを含むことができる。図7に図示されたように、第1及び第2連結部78a、78bはそれぞれ第1及び第2ボンディングパッド79a、79bに連結できる。
また、相互連結部75を形成し、上記各列に属する発光セルCを上記第1及び第2連結部78a、78bの間で相互直列に連結できる。上記発光セルCは、各列において互いに異なる極性が対向して配列されるよう、相互連結部75によって直列連結を容易に実現できる。
上記連結部は、上記複数の列のうち少なくとも一部の列の相互連結部75を行方向に沿って連結するように形成された少なくとも1つの中間連結部78cをさらに含むことができる。
本実施形態に採用された中間連結部78cは、3行目の発光セルと4行目の発光セルの間に行方向に沿って形成される形態で例示されている。また、図7に図示されたように、上記中間連結部78cは、各列と接続する4個の相互連結部75に全て連結されることができる。
このような中間連結部により、図8に図示された直並列連結回路のように、3行目の発光セルと4行目の発光セルの間に1つの共通接点を有することができる。即ち、2個の3×4直並列回路が直列に連結された形態を有する。
本実施形態において、1個の不良発光セルCoが発生した場合、それと接続する相互連結部にオープン領域Oを形成して他の回路と切り離すことができる。この時、不良発光セルと直列に連結された他の2個の発光セル、即ち、不良発光セルが属する1端目である3×4直並列回路の2列目に属する他の2個の発光セルも共に駆動しなくなる。しかし、同一端の他の列と次の端である3×4直並列回路に属する発光セルは、上記中間連結部78cにより全て駆動できるようになる。
図8に図示された回路において、1個の不良発光セルCoと接続する連結部を切断させると、2個の正常発光セルが回路から共に排除され、全24個のうち21個の発光セルに該当する光量を維持できるようになる。
このように、図1に図示された直並列連結において同一列が全て排除されることに対し(1個の不良発光セルの処理で、5個の正常発光セルが追加で排除)、本実施形態では不良発光セルの処理で、同一列の一部のセルのみ排除されるため、回路から共に排除される正常発光セルの数を減少できる(1個の不良発光セルの処理で、2個の正常発光セルのみが追加で排除)。
また、本実施形態に採用された中間連結部は、不良発光セルが除去されても並列回路により各列に均一に電流を分散でき、特定領域で発光が集中する現象を緩和させることができる。
直並列連結回路において、上述の中間連結部は様々な形態に変形され実施できる。
図9を参照すると、本実施形態による半導体発光装置90は、基板91と、上記基板91の上面に6×4に配列された複数の発光セルCとを含む。上記各セルには、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層にそれぞれ接続された第1電極93a及び第2電極93bを形成できる。
本実施形態による半導体発光装置90は、図7に図示されたセル配列と同様に、4個の列において6個の発光セルCが相互直列に連結され、4個の列が相互並列に連結される直並列連結構造を有する。
即ち、本実施形態に採用された基本連結部は、上記各列の一端に位置する発光セルの第1電極93aに連結された第1連結部98aと、上記各列の他端に位置する発光セルの第2電極93bに連結された第2連結部98bと、上記各列に属する発光セルCが上記第1及び第2連結部98a、98bの間で相互直列に連結される相互連結部95とを含むことができる。
図9に図示されたように、第1及び第2連結部98a、98bは、それぞれ第1及び第2ボンディングパッド99a、99bに連結できる。
但し、図7に図示された実施形態とは異なり、本実施形態において、それぞれ異なる行方向に該当する位置に形成された複数(例えば、2個)の中間連結部98c、98dを採用する。本実施形態に採用された2個の中間連結部98c、98dは、それぞれ、2行目の発光セルと3行目の発光セルの間の方向と、4行目の発光セルと6行目の発光セルの間の方向に沿って形成される形態で例示されている。上記中間連結部98c、98dは、それぞれ全ての列と接続する4個の相互連結部95に連結される。
上記中間連結部98c、98dで区分される各端に位置する発光セルの数は特に限定されず、各列において中間連結部により分けられる各端に位置する発光セルの数は異なってもよい。
本実施形態において、1個の不良発光セルCoが発生した場合、それと接続する相互連結部95にオープン領域Oを形成して他の回路と切り離すことができる。この時、不良発光セルと直列に連結された他の1個の発光セル、即ち、不良発光セルと属する1端目である2×4直並列回路の2列目に属する他の1個の発光セルも共に駆動しなくなる。しかし、同一端の他の列と他の2個の端である2×4直並列回路は、上記中間連結部98c、98dにより駆動できるようになる。
より具体的には、図10に図示された回路において、図8と同一の位置で1個の不良発光セルCoが発生し、それと接続する連結部を切断させると、1個の正常発光セルが回路から共に排除され、全24個のうち22個の発光セルに該当する光量を維持できるようになる。即ち、図7及び図8に図示された形態に比べ、同一の位置の1個の不良発光セルの処理時に、本実施形態では1個より多くの正常発光セルに該当する光量を確保できる。
このように、複数の中間連結部を採用し、各列で中間連結部の間に位置する発光セルの数を追加で減少させることで、不良発光セルの処理によって消耗する正常発光セルを大きく減少することができる。
また、各ノードでさらに並列に連結されるため、不良発光セルが除去されても全体的にはより均一な電流分布を保障でき、光量が集中する問題を緩和させることができる。
図11は本発明の第1実施形態のさらに他の改善例によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図であり、図12は図11に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。
図11に図示されたように、本実施形態による半導体発光装置110は、基板111と、上記基板111の上面に6×4に配列された複数の発光セルCとを含む。上記各セルには、第1導電型半導体層と第2導電型半導体層にそれぞれ接続された第1電極113a及び第2電極113bを形成できる。
本実施形態による半導体発光装置110は、図7に図示されたセル配列と同様に、6×4直並列連結構造を有する。
本実施形態において、発光セルのための連結部は、上記各列の一端に位置する発光セルの第1電極113aに連結された第1連結部118aと、上記各列の他端に位置する発光セルの第2電極113bに連結された第2連結部118bと、上記各列に属する発光セルCが上記第1及び第2連結部118a、118bの間で相互直列に連結される相互連結部115とを含むことができる。
図11に図示されたように、第1及び第2連結部118a、118bは、それぞれ2個の第1及び第2ボンディングパッド119a、119bに連結できる。2個のボンディングパッド119a、119bは、それぞれ隣接する2個の発光セル列とほぼ同じ距離(連結部のライン長さ)を有することができ、各発光セルの列にさらに均一な電流を分散できる。
本実施形態において、図8に図示された実施形態と類似するように、それぞれ異なる行方向に該当する位置に複数の中間連結部118c、118c'、118d、118d'が形成されるが、各行方向における各中間連結部118c、118c'、118d、118d'は、2個の列と接続する相互連結部115のみに連結される形態で例示されている。
本実施形態において、1個の不良発光セルCoが発生した場合、それと接続する相互連結部115にオープン領域Oを形成して他の回路と切り離すことができる。
本実施形態では、図9と同様に、不良発光セルと直列に連結された他の1個の発光セル、即ち、不良発光セルと共に、1端目である2×4直並列回路の2列目に属する他の1個の発光セルも共に駆動しなくなる。しかし、同一端の他の列と他の2個の端である2×4直並列回路は、上記中間連結部118c、118c'、118d、118d'により全て駆動できるようになる。
したがって、図7に図示された実施形態に比べ、不良発光セルの除去時に駆動できる発光セルをより多く確保できる。
図13は本発明の第3実施形態によるマルチセルアレイ発光装置を示す上部平面図であり、図14は図13に図示された発光装置に具現されたマルチセルアレイの等価回路図である。
図13に図示された半導体発光装置130は、基板131と、上記基板131の上面に6×4に配列された複数の発光セルCとを含む。
上記複数の発光セルCは、上述の実施形態と類似するように、上記基板131の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有する半導体多層膜を分離して得られることができる。
本実施形態において、半導体多層膜は基板131の上面を露出させる完全分離(アイソレーション工程)により発光セル単位に分離し、各発光セルの第1導電型半導体層は部分的にメサエッチングにより露出した領域を有する。
各発光セルのメサエッチングされた領域は、図13に図示されたように、第1電極133aが形成された一辺に限定された形態で例示されている。本実施形態のように、メサエッチングが他の辺に隣接する領域まで拡張して実行されないようにすることで、発光に加えられる活性層の面積をより広く確保できる。これは、アイソレーション工程とメサエッチング工程のマスクパターンを他の辺において一致するように設けることで実現できる。
本実施形態では、上記各セルCは、第1導電型半導体層132aと第2導電型半導体層132bにそれぞれ接続された第1電極133a及び第2電極133bを具備した形態で例示されている。
また、セル表面に絶縁層(図示せず)を形成することで、上記発光セルを並列に連結するための連結部が上記発光セルの所望しない部分と接続されるのを防止する。
上記各列に位置する6個の発光セルは、それぞれ相互直列に連結された2個の発光セルを有する複数のグループに区分される。6×4配列を有する発光セルにおいて直列に連結された2個の発光セルグループ単位で並列連結を容易に実現するため、図13に図示されたように、隣接するグループの発光セルCは、互いに同一極性の電極位置が互いに対向するように形成できる。
本実施形態に採用された連結部は、上記各グループの一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された第1連結部138a、138a'と、上記各グループの他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された第2連結部138b、138b'と、上記複数のグループの発光セルを相互直列に連結する直列連結用相互連結部135とを含む。
上記第1及び第2連結部138a、138a'、138b、138b'は、それぞれ4個の第1及び第2ボンディングパッド139a、139bに連結できる。本実施形態のように、4個の第1及び第2ボンディングパッド139a、139bは均一な電流分散のために、一定間隔で形成されることができる。
このように、発光セルCの同一極性が対向する配列において、図13に図示されたように、上記第1及び第2連結部は、それぞれ上記隣接する行の間に形成され、対向する両側に位置する発光セルの同一極性の半導体層に連結された1つの第1及び第2中間連結部138a'、138b'を含むことができる。
ここで、上記第1及び第2中間連結部138a'、138b'は、同一極性の半導体層(本実施形態では、第1及び第2電極)にそれぞれ連結されることができる。
本実施形態による半導体発光装置130は、6×4配列で直並列連結を具現するために、行方向に沿って形成された2個の第1連結部138a、138a'と2個の第2連結部138b、138b'とを有することができる。上記2個の第1及び第2連結部のうち、各1個の連結部が上述の第1及び第2中間連結部138a'、138b'に採用され、隣接する2個の行に配列された発光セルの当該電極と相互連結部135により連結できる。
また、セルの配列によって多様な連結形態に変更されることができ、第1及び第2連結部(特に、中間連結部)のライン数はセルの配列によって1個または複数などで具現できる。
本実施形態では、複数の発光セルのうち少なくとも1つの不良発光セルCoを含むことができ、他の発光セルCの連結回路から排除されるよう、不良発光セルと接続する連結部(特に、相互連結部)を切断させることができる。
2個の発光セルで構成されたグループは相互並列に連結された形態であるため、不良発光セルと接続する相互連結部を切断させても、該当不良発光セルと同一グループで直列に連結された発光セルのみを除いて、残りの発光セル全てを駆動できる。
例えば、図示されたように、1個の不良発光セルCoが発生した場合、これを発光セル連結回路から排除されるように相互連結部を切断させると、1個の正常発光セルのみが追加で消耗し、22個の発光セルは正常に駆動できるようになる。
このように、本実施形態による半導体発光装置130は、図1及び図7に図示された連結形態の光量の減少(例えば、1個の不良発光セルの処理時、図1の形態では5個の正常発光セルが追加で排除、図7の形態では2個の正常発光セルが追加で排除)に比べ、同じ数の不良発光セル処理による光量の減少(例えば、1個の不良発光セルの処理時、1個の正常発光セルのみが追加で排除)を低減できるという長所がある。
上述の実施形態では、同一基板上に具現された発光セルの多様な配列と配線連結が説明された。特に、図4、図7、図9、図11、図13に示された中間連結部は、本発明のさらに他の長所を提供する。上記中間連結部とは、隣接する発光セルの間に位置し、上記発光セルが配列された方向に沿って形成されたパターンを言う。
上記中間連結部は、上述の実施形態で説明したように、隣接するセルの半導体層(または電極)を直接連結させず、上記中間連結部を経由して連結させることで、上述の実施形態で説明された多様な配線連結を容易に具現できる。
このような中間連結部は、隣接する一組の発光セルの間だけでなく、行方向に沿って複数組の発光セルの間で連続的に形成され、複雑な回路連結を具現できるようにする。
本発明の半導体発光装置に採用できる発光セルは、様々な形態を有することができる。図15aから図15cは、発光セルの多様な設計による多重セルアレイ状態を概略的に示す平面図である。
まず、図15aに図示されたように、基板141上に円形の断面形状を有する発光セルCが配列された形態が例示されている。上記円形の発光セルCは、第1及び第2導電型半導体層142a、142bとその間に活性層を有する構造であり、曲面である側面から円滑な光放出効果を期待できる。
他の例として、図15bには基板151上に平行四辺形の断面形状を有する発光セルCが配列された形態が例示されている。上記平行四辺形の断面を有する発光セルCは、第1及び第2導電型半導体層152a、152bとその間に活性層を有する構造を有する。
一方、図15cには基板161上に六角形の断面形状を有する発光セルCが配列された形態が例示されている。上記六角形の断面を有する発光セルCは、第1及び第2導電型半導体層162a、162bとその間に活性層を有する構造を有する。
図15b及び図15cに図示された多様な多角形構造は、発光セルの側面形状を変更することで光放出効果を向上させると共に、発光セルの多様な配列を実現できるようにする。
図16aから図16fは、本発明に採用可能なマルチセルアレイ半導体発光装置の製造工程の一例を説明するための主要工程別断面図である。
図16aに図示されたように、基板201の上面に発光のための半導体多層膜202を形成する。即ち、上記基板201の上面に順に第1導電型半導体層202a、活性層202c及び第2導電型半導体層202bを形成する。
上記基板201はサファイア基板のような絶縁基板であることができるが、これに限定されず、導電性基板であってもよい。導電性基板の場合、発光セルの一側極性は導電性基板により連結されるため、他側極性の配線のみをセルの上面に形成することで配線連結を完成するという長所がある。
次いで、図16bに図示されたように、1次分離のためのメサエッチングを行い、第2導電型半導体層202b、活性層202c及び一部の第1導電型半導体層202aを選択的に除去することで、第1導電型半導体層領域を露出させる。
本工程においてメサエッチングされる領域(ME)はアイソレーション領域IEと第1電極が形成される領域を含む。
次に、必要に応じて、図16cに図示されたように、第2導電型半導体層202bの上面に透明電極203を形成することができる。次いで、図16dに図示されたように、複数の発光セルが得られるよう、基板201まで露出するアイソレーション領域IEを形成する完全分離工程を行う。
図16bから図16dで説明された工程は様々に変更されて行われることができる。例えば、メサエッチング工程後に、完全分離のためのアイソレーション工程が行われることが例示されているが、これと異なり、先ずアイソレーション工程を行い、後にメサエッチング工程を別途で行うことができる。
また、透明電極を形成する工程は、省くことができ、実施する場合にも他の工程と順序を入れ替えて行われることができる。例えば、透明電極形成の工程後にメサエッチング工程を行ってもよい。
次に、図16eに図示されたように、絶縁層204を形成し、連結部に連結するために第1及び第2導電型半導体層202a、202bの上面を選択的に露出させたオープン領域O、Oを形成する。
次いで、図16fに図示されたように、配線のための連結部205を形成する。本実施形態のように直列連結するための場合には、隣接する発光セルの第1導電型半導体層202aと第2導電型半導体層202bが相互連結されるように連結部205を形成することができる。
最終的には、上述の実施形態のように、各発光セルのテスト過程で不良と判定されたチップと接続する連結部をオープンさせることができる。
本発明の様々な実施形態によるマルチチップアレイ半導体発光装置は、印刷回路基板のように電極部を有する基材を含む様々な形態のモジュールにおいて、チップとして有用に用いられることができる。また、上述の様々な発光装置及び発光モジュールは駆動部を含む照明装置として具現できる。
図17a及び図17bには本発明による照明装置の一例としてバルブ型ランプが例示されている。図17aは照明装置の構成が容易に理解できるように各構成要素を分解した状態の斜視図であり、図17bは図17aから分解された構成要素が組立された状態(凸レンズ型カバーの結合は除外)を示す斜視図である。
図17a及び図17bを参照すると、上記照明装置300は、発光モジュール350と駆動部330と外部接続部310とを含む。また、外部及び内部ハウジング340、320とカバー部360のような外形構造物とをさらに含むことができる。
上記発光モジュール350は、上述のマルチチップアレイ発光装置355と、その発光装置355が搭載された回路基板351とを有することができる。本実施形態では、1個のマルチチップアレイ発光装置355が上記回路基板351上に実装された形態で例示されているが、必要に応じて、複数が装着されてもよい。
本実施形態による照明装置300における上記発光モジュール350は、熱放出部として作用する外部ハウジング340を含むことができる。上記外部ハウジング340は、上記発光モジュール350と直接接続して放熱効果を向上させる熱放出板345を含むことができる。また、上記照明装置300は、発光モジュール350上に装着され、凸レンズ状を有するカバー部360を含むことができる。
本実施形態のように、上記駆動部330は、内部ハウジング320に装着され、ソケット構造のような外部接続部310に連結されて外部電源から提供される電源を受けることができる。
また、上記駆動部330は、発光モジュール350のマルチチップアレイ発光装置355を駆動させることができる適正な電流源に変換させて提供する役割をする。例えば、このような駆動部330は、AC−DCコンバータまたは整流回路部品などで構成されることができる。
このように、上述の発光装置と発光モジュールは、ランプのような様々な室内照明装置、街灯、看板、標識等のような室外照明装置、自動車、航空機及び船舶用ヘッドランプ、後方灯のような交通手段用照明装置など多様に具現できる。また、照明装置はさらに放熱部材及び/または反射板などの構造を含むことができる。
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定され、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で様々な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明である。

Claims (4)

  1. 基板と、
    それぞれが、前記基板の上面に順に形成された第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層を有し、前記基板の上面に位置する複数の発光セルと、
    前記複数の発光セルが直列と並列との組み合わせで連結されるよう前記複数の発光セルが形成された基板上に形成された複数の連結部と、
    前記複数の連結部と前記複数の発光セルとの所望しない接続が防止されるよう前記複数の発光セルの表面に形成された絶縁層と、
    を含み、
    前記複数の発光セルは、M個の行とN個の列(ここで、M、Nは4以上の整数)に配列され、
    前記列の各々に位置するM個の発光セルは、それぞれ相互直列に連結された2以上の発光セルを有する複数のグループに区分され、前記複数のグループの発光セルは、隣接する他のグループの発光セルと同一極性の電極が対向するように形成され、
    前記複数の連結部は、前記複数のグループの各々の一端に位置する発光セルの第1導電型半導体層に連結された複数の第1連結部と、前記複数のグループの各々の他端に位置する発光セルの第2導電型半導体層に連結された複数の第2連結部と、前記複数のグループの発光セルを相互直列に連結する直列連結用相互連結部とを含み、
    前記基板上に直接配置され、前記複数の第1連結部に連結された延長部に沿って離隔されるように配列された複数の第1ボンディングパッドと、
    前記基板上に直接配置され、前記複数の第2連結部に連結された延長部に沿って離隔されるように配列された複数の第2ボンディングパッドと、をさらに含むことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記複数の発光セルは、少なくとも1つの不良発光セルを含み、前記不良発光セルと接続する連結部のうち少なくとも1つが切断されたことを特徴とする請求項に記載の半導体発光装置。
  3. 請求項1又は2に記載された少なくとも1つの半導体発光装置を含む発光モジュール。
  4. 請求項1又は2に記載された少なくとも1つの半導体発光装置を含む照明装置。

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