JP2011055007A - 交流駆動型の発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】単一チップレベルにおいて交流電源に接続して動作可能な交流駆動型の発光ダイオードを提供する。
【解決手段】単一基板上に形成された複数の発光セルと、複数の発光セルを互いに電気的に接続する複数の配線と、複数の配線を介して互いに直列接続された複数の発光セルを備える第１直列アレイ、第２直列アレイとを備え、複数の発光セルのそれぞれは、基板上に形成された第１の導電型半導体層と、第１の導電型半導体層の一領域上に配置された第２の導電型半導体層と、活性層とを備え、縦方向及び横方向において１０〜３０μｍの範囲内で隣接する他の発光セルと互いに異なる距離で離間して配列され、複数の配線のそれぞれは、一つの発光セルの前記第１の導電型半導体層と、隣接する他の発光セルの第２の導電型半導体層とを電気的に接続し、第１直列アレイ及び第２直列アレイは、交流電源に接続されて動作することを特徴とする交流駆動型の発光ダイオード。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードに関し、より詳しくは、交流電源に直接接続して動作させることができる交流駆動型の発光ダイオードに関する。

発光ダイオードは、Ｎ型半導体とＰ型半導体が互いに接合された構造を有するエレクトロルミネッセンス素子であって、電子と正孔の再結合により光を発する。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広く用いられている。また、発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて、低消耗電力、長寿命であり、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、交流電源下で電流の方向に応じてオン・オフを繰り返す。したがって、発光ダイオードを交流電源に直接接続して用いる場合、発光ダイオードが連続的に光を放出せず、逆方向電流により破損しやすく、しかも、動作電圧が低く、一般交流電源に直接接続して用いることができなかった。

このような発光ダイオードの問題点を解決するために、発光ダイオードと交流電源との間に整流器を配置し、交流を直流に整流して、発光ダイオードを動作させる方法が用いられ得るが、このような整流器の必要性は、蛍光灯のような照明器具を発光ダイオードに代替することを難くしている。また、複数個の発光ダイオードを互いに逆並列で接続し、高電圧交流電源に直接接続する方法が用いられ得るが、多数の発光ダイオードを接続して動作させなければならないので、発光装置の全体サイズが大きくなり、発光ダイオードをそれぞれ接続することにより、ワイヤ接続等の工程数が増加するという問題点があった。

本発明が解決しようとする技術的課題は、単一チップレベルにおいて交流電源に接続して動作可能な交流駆動型の発光ダイオード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、制限された大きさのチップレベルにおいて、良好な動作特性及び光出力を確保可能に、発光セルを配列させた交流駆動型の発光ダイオード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、動作時において、特定の発光セルに過電圧が印加されることを防止することができる交流駆動型の発光ダイオード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、本発明は、交流駆動型の発光ダイオードを提供する。本発明の実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードは、単一基板上に二次元的に配列された複数個の発光セルを含む。さらに、配線が前記発光セルを電気的に接続する。前記配線によって、前記複数の発光セルの直列アレイが形成される。前記直列アレイは、交流電源に接続されて動作する。このとき、前記直列アレイは、第１及び第２の直列アレイを含んでもよく、前記第１及び第２の直列アレイは、前記交流電源に逆並列で接続されることによって動作してもよい。また、前記単一基板上に形成された複数の発光セルのいくつかを、前記配線で接続することにより、ブリッジ整流器を構成してもよく、前記発光セルの直列アレイを、前記ブリッジ整流器に電気的に接続することにより、交流電源により前記直列アレイを動作させることができる。これにより、交流電源に接続して動作させることができる交流駆動型の発光ダイオードが提供され得る。

さらに、前記発光セルは、縦方向及び横方向において、１０〜３０μｍ範囲内の距離で互いに離隔して配列される。前記発光セルが１０μｍより小さい距離で互いに離隔する場合、発光セル間の距離が狭く、発光セル間にパーティクル等の汚染物質が残留し、発光セル間において漏れ電流を引き起こし、また、発光セルを分離するためのエッチング工程及び配線工程を行うことが難しくなる。しかも、配線間で短絡が生じ得る。また、前記発光セルが３０μｍより大きい距離で互いに離隔する場合、発光セルの直列アレイのターンオン電圧及び動作電圧が増加し、これにより、発光セルの動作時間が短くなる。すなわち、交流電源下で発光ダイオードを動作させる場合、交流電源の位相が変わることにより、発光セルの直列アレイに印加される電圧は、サイン波形で変化する。このとき、発光セルの直列アレイのターンオン電圧及び動作電圧が高電圧であれば、発光セルは、印加電圧が相当増加したときにターンオンされて動作し、印加電圧が低いときには動作しない。したがって、ターンオン電圧及び動作電圧が高電圧の場合、発光セルの動作時間が短くなり、その結果、発光ダイオードから放出される光量が減少する。さらに、発光ダイオードがターンオフされる時間が長くなるので、フリッカー現象が酷くなる。これに加えて、発光セルが３０μｍより大きい距離で互いに離隔する場合、半導体層をエッチングする時間が長くなり、長時間のエッチングにより、発光セルにエッチング損傷が生じ得る。

横方向での前記発光セル間の距離ａは、互いにほぼ同一の値であってもよいが、これに限定されるものではなく、前記範囲内で互いに異なる値であってもよい。同様に、縦方向での前記発光セル間の距離ｂは、互いにほぼ同一の値であってもよいが、これに限定されるものではなく、前記範囲内で互いに異なるであってもよい。

一方、前記発光セルのそれぞれは、前記基板上に形成された第１の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層の一領域上に位置する第２の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層と前記第２の導電型半導体層との間に介在された活性層とを含む。前記第１の導電型半導体層、活性層、及び第２の導電型半導体層は、ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体、特に、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ系窒化物半導体で形成されてもよい。それぞれの前記配線は、一つの発光セルの第１の導電型半導体層と、前記発光セルに隣接する他の発光セルの第２の導電型半導体層とを電気的に接続し、前記発光セルの直列アレイを形成する。

これに加えて、少なくとも一つのシャント配線が、互いに逆並列で接続されて動作する前記第１及び第２の直列アレイ内の対応する配線を電気的に接続してもよい。前記シャント配線は、前記交流駆動型の発光ダイオードの動作時に、逆方向電圧が印加された直列アレイ内の特定の発光セルに過電圧が印加されることを防止する。

前記少なくとも一つのシャント配線は、前記配線と同一の材質で、前記配線と共に形成されてもよい。また、前記少なくとも一つのシャント配線は、前記発光セル間に配置されてもよい。

また、透明電極層が、それぞれの前記発光セルの前記第２の導電型半導体層上に形成されてもよい。前記透明電極層は、前記第２の導電型半導体層内に電流を均一に分散させると共に、前記活性層で生成した光が、前記第２の導電型半導体層を通じて上部に放射されるようにする。

さらに、反射層がそれぞれの前記発光セルの前記第２の導電型半導体層上に形成されてもよい。また、前記発光セルは、金属バンプを介してサブマウント基板上にフリップチップボンディングされてもよい。前記反射層は、前記活性層で生成しサブマウント基板側に向かう光を反射するために採用される。

前記金属バンプを前記サブマウント基板上にボンディングするために、ボンディングパターンが前記サブマウント基板上に形成されてもよい。また、前記サブマウント基板上に形成されたボンディングパターンを用いて前記配線を構成してもよい。

本発明によれば、交流電源に接続され、連続的に動作可能な交流駆動型の発光ダイオードを提供することができる。また、発光セル間の離隔距離を１０μｍ〜３０μｍの範囲内とすることにより、ターンオン電圧及び動作電圧を低くすることができ、交流電源で発光ダイオードの発光時間を増加させることができる。これにより、発光ダイオードから放射される光量を増加させることができ、また、交流駆動型の発光ダイオードのフリッカー現象を減少させることができる。これに加えて、発光セルを１０μｍ以上の離隔距離で配列することにより、発光セルを相互に容易に分離することができ、また、前記発光セルを相互に接続する配線を容易に形成でき、配線間で生じる短絡を防止することができる。加えて、発光セルを３０μｍ以下の離隔距離で配列することにより、発光セルを形成するためのエッチング時間を減少させることができ、発光セルで生じるかも知れないエッチング損傷を減少させることができる。

本発明の一実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための平面図である。 図１のＡ‐Ａ線に係る断面図である。 本発明の他の実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための断面図である。 本発明のまた他の実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための断面図である。 発光セル間の離隔距離よる光出力及び動作電圧Ｖｆを示すグラフである。

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に伝達するために、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、説明の便宜上誇張して表現されることもある。明細書及び図面の全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線に係る断面図である。

図１および図２を参照すると、基板２１上に複数個の発光セル３０が配列される。通常、前記基板２１は、制限されたサイズ、例えば、２０００×２０００μｍ^２以下のサイズを有する。前記基板２１のサイズは、単一チップのサイズを意味し、現在、このような単一チップの規格は、前記サイズの範囲内に定められている。

前記発光セル３０のそれぞれは、第１の導電型半導体層２５、前記第１の導電型半導体層２５の一領域上に位置する第２の導電型半導体層２９、および前記第１の導電型半導体層と第２の導電型半導体層との間に介在された活性層２７を含む。前記第１及び第２の導電型半導体層及び活性層は、ＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体、特に、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎで形成されてもよい。このとき、前記複数個の発光セルは、横方向及び縦方向において、１０〜３０μｍ範囲内の距離ａ、ｂで互いに離隔して配列される。ここで、横方向での発光セル間の離隔距離ａは、互いにほぼ同一の値を有してもよいが、これに限定されるものではなく、互いに異なる値を有してもよい。また、縦方向での発光セル間の離隔距離ｂも、互いにほぼ同一の値を有してもよいが、これに限定されるものではなく、互いに異なる値を有してもよい。

前記複数個の発光セル３０は、複数の配線３７により互いに電気的に接続される。それぞれの前記複数の配線３７は、一つの発光セルの第１の導電型半導体層２５と、前記発光セルに隣接する他の発光セルの第２の導電型半導体層２９とを接続する。このとき、前記第１の導電型半導体層２５上に第１の電極パッド３１が形成され、前記第２の導電型半導体層２９上に透明電極層３３が形成されてもよい。前記透明電極層３３は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）またはＮｉ／Ａｕ等の物質で形成されてもよい。一般に、前記第２の導電型半導体層２９が抵抗値の大きいＰ型半導体で形成される場合、前記透明電極層３３は、前記第２の導電型半導体層２９において電流が均一に分散されるようにする。また、前記透明電極層３３は、前記活性層２７で生成した光に対して透光性を有するので、光が第２の導電型半導体層２９を通じて上部に放射され得る。

図示のように、前記各配線３７は、隣接した発光セルの第１の導電型半導体層２５と第２の導電型半導体層２９を互いに電気的に接続することができるように、第１の電極パッド３１と透明電極層３３とを互いに接続する。前記透明電極層３３上に第２の電極パッド（図示せず）がさらに形成されてもよく、前記配線３７は、第２の電極パッドを介して前記透明電極層に接続されてもよい。一方、前記配線３７により、発光セル３０内の第１の導電型半導体層２５と第２の導電型半導体層２９が短絡することを防止するために、発光セル３０と配線３７との間に絶縁層３５が介在される。前記絶縁層３５は、発光セル３０、透明電極層３３及び第１の電極パッド３１等が形成された基板上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を全面堆積することにより形成されてもよく、前記透明電極層３３及び第１の電極パッド３１を露出させるようにパターニングされる。前記配線３７はそれぞれ、露出された透明電極層３３と第１の電極パッド３１とを互いに接続するように、前記絶縁層３５上に形成される。

前記配線３７により発光セル３０が互いに直列接続された第１及び第２の直列アレイ１１、１３が形成される。動作時、前記第１及び第２の直列アレイ１１、１３は、交流電源（図示せず）に互いに逆並列で接続されて動作する。したがって、交流電源の位相変化に応じて前記第１及び第２の直列アレイ１１、１３が交互に動作することで、前記発光ダイオードは光を放射し続けることができる。

一方、少なくとも一つのシャント配線３８が、第１及び第２の直列アレイ１１、１３間の対応する発光セルを互いに電気的に接続する。シャント配線３８は、第１及び第２の直列アレイ１１、１３間の対応する発光セルが、互いに同一の電位を有するようにする。これにより、交流電源下で、逆並列で接続された直列アレイ１１、１３が動作する場合、逆方向電圧が印加される直列アレイ内の特定の発光セルに過電圧が印加されることを防止することで、発生セルを保護する。前記シャント配線３８は、第１及び第２の直列アレイ１１、１３間の対応する発光セルが、全て同一の電位を有するように、殆どの発光セルを電気的に接続してもよいが、これに限定されるものではなく、いくつかの発光セルだけを接続してもよい。

前記シャント配線３８は、発光セル３０間に配置されてもよく、図示のように、第１及び第２の直列アレイ１１、１３内の対応する配線３７を互いに接続してもよい。また、前記シャント配線３８は、配線３７と同一の材質及び同一の工程を用いて共に形成されてもよい。

一方、前記発光ダイオードを交流電源に接続するために、前記基板上にパッド４１ａ、４１ｂが形成され、前記第１及び第２の直列アレイ１１、１３は、前記パッドに逆並列で接続されてもよい。

これに加えて、前記配線３７及び前記発光セル３０を保護するために、配線が形成された基板上に保護層３９が形成されてもよい。前記保護層３９は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等で形成されてもよい。

本実施形態において、前記複数個の発光セルは、縦方向及び横方向において１０〜３０μｍの範囲内の距離ａ、ｂで互いに離隔して配列される。前記発光セルを１０μｍよりも小さい距離で互いに離隔させると、発光セルを電気的に絶縁するためのエッチング工程を行うことが難しくなる。また、発光セル間にパーティクル等の汚染物質が残留するため、発光セル間で電流漏れが生じ得る。また、発光セル間の距離が１０μｍよりも小さい場合、絶縁層３３及び配線３７を形成することが難く、配線３７間に短絡が生じ得る。したがって、エッチング技術を用いて、発光セル３０を容易に形成することができるのみならず、絶縁層３５、配線３７、及びシャント配線３８を容易に形成することができるように、発光セル３０を１０μｍ以上離隔させる。これに加えて、発光セル間の電流漏れの発生を防止することができる。一方、前記発光セルを３０μｍよりも大きい距離で離隔させた場合、直列アレイのターンオン電圧が増加し過ぎ、交流駆動型の発光ダイオードの動作時間が減少する。したがって、発光ダイオードから放射される光量が減少し、フリッカー現象が酷くなり、また、半導体層をエッチングして発光セル３０を形成するが、エッチング時間が増加し過ぎ、発光セルにエッチング損傷を引き起こす可能性がある。よって、交流駆動型の発光ダイオードのフリッカー現象を防止し、発光セルで生じ得るエッチング損傷を減少させることができるように、発光セル間の距離は３０μｍ以下に制限される。

一方、本実施形態において、第１及び第２の直列アレイ１１、１３が互いに逆並列で接続されて動作することを説明しているが、配線を介して直列接続された単一の直列アレイが単一基板上に形成されてもよい。このとき、前記基板上にブリッジ整流器が形成され、前記直列アレイが交流電源下で動作することができるように、前記直列アレイがブリッジ整流器に接続されてもよい。加えて、前記ブリッジ整流器は、前記単一基板上に形成された発光セルを、配線を用いて互いに接続することにより形成されてもよい。

図３は、本発明の他の実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための断面図である。

図３を参照すると、図１及び図２を参照して説明したように、基板２１上に、複数個の発光セル３０が二次元的に配列される。また、それぞれの前記発光セル３０の第２の導電型半導体層２９上に透明電極層３３が形成されてもよく、それぞれの前記発光セルの第１の導電型半導体層２５上に第１の電極パッド３１が形成されてもよい。加えて、複数の配線４７が、前記複数個の発光セル３０を電気的に相互に接続し、直列アレイを形成する。ただし、本実施形態において、前記複数個の発光セル３０を相互に接続する配線４７は、図２を参照して説明した配線３７とは異なり、エアブリッジ工程を用いて形成されたものであり、各配線４７の接続部以外の部分は、基板から離れて配置される。前記各エアブリッジ配線４７と共に、直列アレイ間の発光セルを接続する複数のシャント配線（図示せず）が形成されてもよい。一方、前記各エアブリッジ配線４７は、それぞれ発光セルから離れて配置されるので、前記各配線４７により各発光セルの第１の導電型半導体層２５と第２の導電型半導体層２９とが短絡することを防止するための絶縁層３５は、本実施形態においては省略しれてもよい。

本実施形態において、前記発光セルは、図１及び図２を参照して説明したように、横方向及び縦方向において、１０〜３０μｍの範囲内で互いに離隔して配列される。

図４は、本発明のまた他の実施形態に係る交流駆動型の発光ダイオードを説明するための断面図である。

図４を参照すると、図３を参照して説明したように、基板２１上に、複数個の発光セル３０が二次元的に配列される。ただし、本実施形態において、前記第１の導電型半導体層及び前記第２の導電型半導体層上に金属バンプ５１、５５がそれぞれ形成され、前記各発光セル３０は、前記金属バンプ５１、５５を介してサブマウント基板６１上にフリップチップボンディングされる。このとき、活性層２７で生成してサブマウント基板６１側に向かう光を反射させるために、前記第２の導電型半導体層２９上に反射層５３が形成される。また、前記金属バンプ５１と前記第１の導電型半導体層２５との間に、第１の電極パッド３１が介在してもよい。

さらに、前記サブマウント基板上に、前記金属バンプ５１、５５をボンディングするためのボンディングパターン６３が形成されてもよい。また、発光ダイオードを交流電源に電気的に接続するためのパッド（図示せず）が、前記サブマウント基板６１上に形成されてもよい。図示のように、一つの発光セルの第１の導電型半導体層２５と、前記発光セルに隣接する他の発光セルの第２の導電型半導体層とが、一つのボンディングパターン６３に電気的にボンディングする方法で、前記ボンディングパターン６３を用いて、前記各発光セル３０を直列接続してもよい。すなわち、前記ボンディングパターン６３が、前記各発光セルを接続する配線としての役割を果すことができる。従って、前記ボンディングパターン６３により前記発光セル３０が互いに接続されて、（図１の）第１及び第２の直列アレイ１１、１３が形成され得る。

本実施形態において、前記発光セル３０がサブマウント基板６１にフリップチップボンディングされるので、動作中の発光セル３０で生成した熱を、サブマウント基板６１を介して放熱し、発光効率を向上させることができる。

一方、本実施形態において、ボンディングパターン６３により各発光セル３０が互いに接続されるものと説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、前記各発光セルを電気的に接続する配線（図２の３７または図３の４７）がさらに形成され、前記各発光セル３０が、金属バンプを介して、対応するボンディングパターンにそれぞれフリップチップボンディングされてもよい。この場合、第１の導電型半導体層上に形成される金属バンプ５１は、省略されてもよい。

図５は、発光セル間の離隔距離による光出力及び動作電圧Ｖｆを示すグラフである。ここで、発光セルは、基板上に同一の個数を同一の大きさで形成しており、各発光セルを互いに電気的に接続する図２の複数の配線を形成して直列アレイを形成した。動作電圧は、発光セルの直列アレイに２０ｍＡの電流が流れるときの前記直列アレイに印加される電圧を示す。

図５を参照すると、発光セル間の距離が増加するほど、直列アレイの動作電圧が増加し、光出力が減少した。さらに、前記発光セル間の距離が１０μｍから３０μｍまで増加する間、前記動作電圧は徐々に増加しているが、前記距離が３０μｍより大きい所では前記動作電圧は急激に増加した。これは、隣接する発光セルを３０μｍ以上で互いに離隔させるので、各発光セルの大きさが減少され、また、各発光セルを形成する間に、各発光セルに過度のエッチング損傷が発生したからであると考えられる。

Claims (9)

1. ２０００×２０００μｍ^２以下の単一基板上に形成された複数の発光セルと、
   前記複数の発光セルを互いに電気的に接続する複数の配線と、
   前記複数の配線を介して互いに直列接続された前記複数の発光セルを備える第１直列アレイと、
   前記複数の配線を介して互いに直列接続された前記複数の発光セルを備える第２直列アレイと、を備え、
   前記複数の発光セルのそれぞれは、前記基板上に形成された第１の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層の一領域上に配置された第２の導電型半導体層と、前記第１の導電型半導体層と前記第２の導電型半導体層との間に介在された活性層とを備え、縦方向及び横方向において１０〜３０μｍの範囲内で隣接する他の発光セルと互いに異なる距離で離間して配列され、
   前記複数の配線のそれぞれは、一つの発光セルの前記第１の導電型半導体層と、前記一つの発光セルに隣接する他の発光セルの前記第２の導電型半導体層とを電気的に接続し、
   前記第１直列アレイ及び前記第２直列アレイは、交流電源に接続されて動作することを特徴とする交流駆動型の発光ダイオード。
2. 前記複数の配線は、前記複数の配線と前記複数の発光セルの間に挿入される絶縁層とともに前記複数の発光セル上に形成され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ダイオード。
3. 前記絶縁層は、酸化シリコン層又は窒化シリコン層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ダイオード。
4. 前記複数の配線及び前記複数の発光セルを保護するために、前記基板上に前記複数の配線とともに保護層が形成され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ダイオード。
5. 前記保護層は、酸化シリコン層又は窒化シリコン層であることを特徴とする請求項４に記載の交流駆動型の発光ダイオード。
6. 前記第１直列アレイと前記第２直列アレイは、前記交流電源に逆並列に接続されて動作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ダイオード。
7. 前記第１直列アレイの複数の配線と前記第２直列アレイの複数の配線とを電気的に接続する少なくとも１つのシャント配線をさらに備え、
   前記シャント配線は、逆電圧が供給される前記直列アレイの特定の発光セルに過電圧が供給されることを防止することを特徴とする請求項６に記載の交流駆動型の発光ダイオード。
8. 前記少なくとも一つのシャント配線は、前記複数の配線と同じ材質で形成されることを特徴とする請求項７に記載の交流駆動型の発光ダイオード。
9. 前記少なくとも一つのシャント配線は、前記複数の配線と同じ工程を用いて前記複数の配線とともに形成されることを特徴とする請求項８に記載の交流駆動型の発光ダイオード。