(57)【要約】      （修正有）【課題】発光セルが周期的に繰り返し形成されたアレイにおいて、各発光セルが同一のターンオン電圧で発光された後、ターンオン電圧以下に降下する瞬間に発光が中断されることによって起こるフリッカ現象を低減する。【解決手段】基板と、前記基板上に配置された複数の発光セル１００−１〜１００−１６と、を備える発光デバイスであって、異なるサイズを有し、互いに直列に電気的に接続された少なくとも２つの前記発光セルが周期的に繰り返し形成されたアレイを有することを特徴とする発光デバイスを提供する。発光ダイオードに形成された各発光セルが互いに異なる大きさを有することにより、交流電源により発光動作を行う際に、発光セルごとに互いに異なるターンオン電圧を有することにより、各発光セルが発光を始める時間が互いに異なって、フリッカ現象を効果的に減少させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に配置された複数の発光セルと、を備える発光デバイスであって、
異なるサイズを有し、互いに直列に電気的に接続された少なくとも２つの前記発光セルが周期的に繰り返し形成されたアレイを有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の発光デバイスにおいて、
異なるサイズを有し、互いに直列に電気的に接続された少なくとも２つの前記発光セルが周期的に繰り返し形成された他のアレイを有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項３】
請求項２記載の発光デバイスにおいて、
前記２つのアレイは、互いに並列に接続されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の発光デバイスにおいて、
前記発光デバイスは、前記２つのアレイが正電圧と負電圧の両方で発光するように並列に接続されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項５】
請求項２記載の発光デバイスにおいて、
前記２つのアレイは、同じサイズの同数の発光セルを有することを特徴とする発光デバイス。
【請求項６】
請求項１記載の発光デバイスにおいて、
前記複数の発光セルは、前記基板上に略矩形状に配置されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項７】
請求項６記載の発光デバイスにおいて、
前記複数の発光セルは、小さいサイズの少なくとも一つの発光セルが大きいサイズの発光セルに隣接して配置されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の発光デバイスにおいて、
全ての発光セルは、小さいサイズの発光セルと大きいサイズの発光セルが隣接することを特徴とする発光デバイス。
【請求項９】
請求項６記載の発光デバイスにおいて、
前記複数の発光セルは、小さいサイズの発光セルが大きいサイズの発光セルの間に配置されるように配置されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項１０】
請求項６記載の発光デバイスにおいて、
前記複数の発光セルは、大きいサイズの発光セルが小さいサイズの発光セルの間に配置されるように配置されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項１１】
基板と、前記基板上に配置された複数の発光セルと、を備える発光デバイスであって、
互いに並列に接続された第１の発光セルアレイ及び第２の発光セルアレイと、
前記第１の発光セルアレイの少なくとも一つの発光セルは、前記第２の発光セルアレイの少なくとも一つの発光セルとサイズが異なることを特徴とする発光デバイス。
【請求項１２】
請求項１１記載の発光デバイスにおいて、
前記サイズが異なる２つの発光セルは、互いに隣接して配置されたことを特徴とする発光デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の発光デバイスにおいて、
前記サイズが異なる２つの発光セルのうち、前記第１の発光セルアレイ内の発光セルは、前記第２の発光セルアレイ内の他の発光セルに隣接する発光セルと同じサイズであることを特徴とする発光デバイス。
【請求項１４】
請求項１１記載の発光デバイスにおいて、
前記第１の発光セルアレイは、前記第２の発光セルアレイと逆並列に接続されたことを特徴とする発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに異なる大きさの発光セルを有する発光ダイオード及びこれを採用した発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、Ｎ型半導体とＰ型半導体とが、互いに接合された構造を有する光電変換半導体素子であり、電子と正孔の再結合により光を発散する。このような発光ダイオードは、表示素子及びバックライトとして幅広く利用されている。また、発光ダイオードは、既存の電球又は蛍光灯に比べて消耗電力が小さくて寿命が長く、よって白熱電球及び蛍光灯に代わって、一般照明用途としてその使用領域をひろめている。
【０００３】
発光ダイオードは、交流電源の下で、電流の方向に応じて、オン／オフを繰り返す。従って、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、連続的に光を放出することができず、逆方向電流により簡単に破損するという問題点がある。
【０００４】
このような発光ダイオードの問題点を解決することにより、高電圧交流電源に直接接続して用いることができる発光ダイオードが、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）”という題名で、酒井など（ＳＡＫＡＩ  ｅｔ．ａｌ．）により開示されている。
【０００５】
特許文献１によれば、各ＬＥＤがサファイア基板のような絶縁性基板上に、２次元的に直列に接続されてＬＥＤアレイを形成する。このような二つのＬＥＤアレイが、サファイア基板上において逆並列に接続される。その結果、交流電源により直接駆動されることができる単一チップの発光ダイオードが提供される。
【０００６】
図１は、従来の発光ダイオードにおける発光セルの配列を示す図面である。
【０００７】
図１を参照すれば、従来の発光ダイオード１０は、交流電源を供給する電源供給部２０から供給される交流電源により発光動作を行う。
【０００８】
発光ダイオード１０は、複数の発光セル１１が二つの列に並列配置され、第１列と第２列は、極性が互いに反対方向に配列されている。
【０００９】
従って、電源供給部２０から交流電源が印加される場合、プラス電圧区間では、第１列の発光セル１１に電流が流れて発光セルが発光動作を行い、マイナス電圧区間では、第２列の発光セル１１に電流が流れて発光セルが発光動作を行う。これにより、第１列と第２列は、交互に発光動作を行うようになる。
【００１０】
発光ダイオード１０の各発光セル１１は、一つの基板上に同一の工程を通じて形成され、各基板の上で電気的に分離されて形成された後、金属配線により電気的に接続するように形成される。
【００１１】
この時、発光ダイオード１０の各発光セル１１は、同一の大きさを有している。従って、各発光セルは、図２に示されたように、ほぼ同じターンオン電圧を有する。なぜならば、各発光セルのターンオン電圧は、各発光セルに電源が印加される時、該当発光セルの電流密度によってターンオン電圧が決定されるが、発光ダイオード１０の各発光セル１１は、一つの基板の上に同一の工程を通じて同一の大きさに形成されるので、同一の電流密度を有するからである。
【００１２】
発光ダイオード１０の各発光セル１１は、同一のターンオン電圧を有することにより、６０Ｈｚの周波数である交流電圧が印加されると、印加された交流電圧により、周期的にターンオンされて発光される。
【００１３】
即ち、各発光セル１１は、６０Ｈｚの周波数である交流電源により印加された電圧がターンオン電圧以上となると、各発光セル１１は、ターンオンされて発光動作を行い、６０Ｈｚの周波数である交流電源により印加された電圧がターンオン電圧以下であれば、各発光セル１１は、発光動作を中断する。
【００１４】
この時、各発光セル１１のターンオン電圧が同一になるに伴い、ある時点では、すべての発光セル１１がターンオンされて、そしてある時点では、各発光セル１１は、同一のターンオン電圧で発光された後、ターンオン電圧以下に降下する瞬間に発光が中断されることによってフリッカ（Ｆｌｉｃｋｅｒ）現象が発生する。
【００１５】
このようなフリッカ現象は、時には肉眼では簡単に視認できないこともあるが、複数の発光セルを備えて交流電源を利用する照明装置分野では、フリッカ現象を減らすことが安定した光源を提供するために必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００４／０２３５６８（Ａ１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の技術的課題は、交流電源の下で、複数の発光セルを有する発光ダイオードにおいて、各発光セルのターンオン電圧が類似することによって発生するフリッカ現象を減らすことである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような技術的課題を解決するための本発明の一実施形態によれば、基板と、前記基板上に配置された複数の発光セルと、を備える発光デバイスであって、異なるサイズを有し、互いに直列に電気的に接続された少なくとも２つの前記発光セルが周期的に繰り返し形成されたアレイを有することを特徴とする発光デバイスを提供する。
【００１９】
好ましくは、異なるサイズを有し、互いに直列に電気的に接続された少なくとも２つの前記発光セルが周期的に繰り返し形成された他のアレイを有する。
【００２０】
好ましくは、前記発光デバイスは、前記２つのアレイが正電圧と負電圧の両方で発光するように並列に接続される。
【００２１】
より好ましくは、前記複数の発光セルは、小さいサイズの少なくとも一つの発光セルが大きいサイズの発光セルに隣接して配置される。
【００２２】
好ましくは、全ての発光セルは、小さいサイズの発光セルと大きいサイズの発光セルが隣接するように配置される。
【００２３】
本発明の他の実施形態によれば、基板と、前記基板上に配置された複数の発光セルと、を備える発光デバイスであって、互いに並列に接続された第１の発光セルアレイ及び第２の発光セルアレイと、前記第１の発光セルアレイの少なくとも一つの発光セルは、前記第２の発光セルアレイの少なくとも一つの発光セルとサイズが異なる発光デバイスを提供する。
【００２４】
好ましくは、前記サイズが異なる２つの発光セルは、互いに隣接して配置される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、発光ダイオードに形成された各発光セルが、互いに異なる大きさを有することにより、交流電源により発光動作を行う際に、発光セルごとに互いに異なるターンオン電圧を有することにより、各発光セルが発光を始める時間が異なって、フリッカ現象を効果的に減少させることができる。
【００２６】
また、発光ダイオードを形成する複数の発光セルが、電気的に接続された各発光セルの隣接したセルが、互いに異なる大きさを有して繰り返し配列されることにより、発光ダイオードから発光する光の強さを、発光ダイオード内での位置に応じて、大きい差をなくして全体的に均一にすることができる。
【００２７】
また、発光ダイオードを形成する複数の発光セルを二つの列に並列に配置し、第１列と第２列の極性を互いに反対方向に配列すれば、交流電源により発光動作を行う際に、発光ダイオードの発光周期をより短くすることができ、フリッカ現象をより効果的に減少させることができる。
【００２８】
また、発光ダイオードを形成する複数の発光セルを二つの列に並列に配置し、第１列と第２列の極性を互いに反対方向に配列した状態において、各列に配列された発光セルが、第１の大きさと第２の大きさを有し、該当列内で隣接して交互に配列され、第１列の任意の位置にある発光セルが第１の大きさを有する際に、該当位置に対応する前記第２列の位置にある発光セルは、第２の大きさを有するようにすることにより、限定された面積を有する発光ダイオード内に発光セルを効果的に配置することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、前述のような構成及び特徴を有する複数の発光ダイオードが接続されて形成された発光素子の場合にも、交流電源により各発光ダイオードが発光を行う際に、発光セルごとに互いに異なるターンオン電圧を有することにより、各発光セルが発光を始める時間が互いに異なり、フリッカ現象を効果的に減少させた照明又は光源として利用することができる。
【００３０】
この時、発光素子内の各発光ダイオードを形成する際に、一つの基板上に形成すれば、発光素子の全体の製造工程を減らすことができ、各発光セルのターンオン電圧を調節する作業も容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の発光ダイオードにおける発光セルの配列を示す図面である。
【図２】従来の発光ダイオードにおける各発光セルのターンオン電圧を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る発光ダイオードにおける発光セルの配列を示す図面である。
【図４】本発明の一実施形態に係る発光ダイオードにおける各発光セルのターンオン電圧を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る発光素子を説明するための断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る発光素子を製造する方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る発光素子を製造する方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る発光素子を製造する方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を詳しく説明する。以下の実施形態は、当業者に本発明の思想が十分に伝えられるようにするために、一例として提供されるものである。従って、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されず、他の形態として具体化することができる。そして、図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張されて表現され。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。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードにおける発光セルの配列を示す図面である。
【００３４】
図３を参照すれば、発光ダイオード１００は、交流電源を供給する電源供給部２００に接続され、電源供給部２００から供給される交流電源により発光動作を行う。
【００３５】
発光ダイオード１００は、複数の発光セル１００−１〜１００−１６を備えている。
【００３６】
各発光セル１００−１〜１００−１６は、一つの基板の上に多層の半導体層が積層された後、電気的に分離されて形成される。各発光セル１００−１〜１００−１６は、ＰＮ接合による発光構造体を有しており、隣接する発光セル間には、金属配線を通いて電気的に接続される。
【００３７】
各発光セル１００−１〜１００−１６は、多様な形態に配置されるが、この実施形態においては、発光ダイオード１００内の発光セル１００−１〜１００−１６は、二つの列に並列配置され、第１列と第２列は、極性が互いに反対方向に配列されている。
【００３８】
従って、電源供給部２００から発光ダイオード１００に交流電源が印加される場合、プラス電圧区間では、第１列に電流が流れて各発光セルが発光動作を行い、マイナス電圧区間では、第２列に電流が流れて各発光セルが発光動作を行う。これにより、第１列と第２列は、交互に発光動作を行う。
【００３９】
第１列を成す発光セル１００−１〜１００−６は、多様な大きさを有するように形成されるが、この実施形態においては、２種類の大きさを有するように形成されている。
【００４０】
第１列において、第１発光セル１００−１、第３発光セル１００−３、及び第５発光セル１００−５は、小さいサイズを有しており、第２発光セル１００−２、第４発光セル１００−４、及び第６発光セル１００−６は、大きいサイズを有している。
【００４１】
各発光セル１００−１〜１００−６は、同一の基板上で同一の材質の半導体層の積層を通じて発光構造体を有するように形成されるので、発光セルの大きさが互いに違えば、これにより同一の電圧が印加された際に、該当発光セルの電流密度が互いに異なるようになる。
【００４２】
発光セルの電流密度が互いに異なれば、該当発光セルに電源を印加した際に、発光動作を行うようになるターンオン電圧が互いに異なるようになる。
【００４３】
一般に、同一の電圧が発光セルに印加された際に、発光セルの大きさが小さいほど、発光セルの電流密度が大きくなる。これにより、図４に示すように、小さい発光セルと大きい発光セルとの間にターンオン電圧の差が生じるので、小さい発光セルのターンオン電圧が大きい発光セルのターンオン電圧より低くなり、小さい発光セルが大きい発光セルより低いターンオン電圧で発光動作を行う。
【００４４】
交流電源が印加された際に、各発光セルは、ターンオン電圧以上になると、発光動作を行い、ターンオン電圧以下になると、発光動作を止める。
【００４５】
従って、交流電源が印加された際に、小さい発光セルが大きい発光セルより先にターンオンされて発光を開始し、大きい発光セルより長い間発光状態を維持する。即ち、小さい発光セルは、大きい発光セルに比べて発光する時間が長い。
【００４６】
このような原理により、発光ダイオード１００に、電源供給部２００から交流電源が印加されると、第１列において、第１発光セル１００−１、第３発光セル１００−３、及び第５発光セル１００−５が、第２発光セル１００−２、第４発光セル１００−４、及び第６発光セル１００−６に比べて、ターンオン電圧が低いことがわかる。
【００４７】
これにより、同一の交流電源が供給されるにもかかわらず、第１発光セル１００−１、第３発光セル１００−３、及び第５発光セル１００−５が、第２発光セル１００−２、第４発光セル１００−４、及び第６発光セル１００−６より先に発光動作を始め、長い間発光状態を維持する。
【００４８】
第１列は、小さい発光セルと大きい発光セルとが、交互に直列に接続しているので、隣接する発光セルは、互いに異なる時間に発光動作を始め、互いに異なる時間に発光動作を止める。これにより、本発明の実施形態は、従来の同一の大きさを有する発光セルの配列に比べて、フリッカ現象が著しく減少する。
【００４９】
発光ダイオード１００の第２列を成す発光セル１００−１１〜１００−１６も多様な大きさを有するように形成されるが、この実施形態においては、第１列の発光セル１００−１〜１００−６に対応して互いに反対の大きさを有するように形成されている。
【００５０】
即ち、第１列では、第１発光セル１００−１、第３発光セル１００−３、及び第５発光セル１００−５は、小さいサイズを有しており、第２発光セル１００−２、第４発光セル１００−４、及び第６発光セル１００−６は、大きいサイズを有していることに対して、第２列では、第１１発光セル１００−１１、第１３発光セル１００−１３、及び第１５発光セル１００−１５は、大きいサイズを有しており、第１２発光セル１００−１２、第１４発光セル１００−１４、及び第１６発光セル１００−１６は、小さいサイズを有している。
【００５１】
このような配置により、限定された面積を有する発光ダイオード内に、各発光セルを効果的に配置することができる。
【００５２】
また、このような配置により、第１列と第２列が発光動作を交互に行う際に、発光セルから発光する光の強さを、発光ダイオード内での発光セルの位置に応じて差を小さくし、全体的な光強度を均一にすることができる。
【００５３】
従って、従来の同一の大きさを有する発光セルの配列に比べて、フリッカ現象を著しく減少する。
【００５４】
図５は、本発明の一実施形態に係る発光素子を説明するための断面図であり、便宜上、図３に示された発光素子における第１列に配置された発光ダイオードを説明するための断面図である。
【００５５】
更に、複数の発光セル１００−１〜１００−６は、互いに異なる大きさを有する。しかし、図面においては、断面だけを示すので、各発光セルの幅が同一に示されているものだけを表現しているが、各発光セルは、幅が同一であっても、図面に示されない発光セルの長さは、図３に示されたように、互いに異なるように設定されている。
【００５６】
図５を参照すれば、本発明の発光素子は、熱伝導性基板１１０と、熱伝導性基板１１０の上に形成されたバッファ層１２０と、バッファ層１２０の上にＮ型半導体層とＰ型半導体層を交互に繰り返して積層することにより形成された多層構造を有する異型半導体反復層１３０と、異型半導体反復層１３０の上にパターニングされた複数の発光セル１００−１〜１００−６と、複数の発光セル１００−１〜１００−６を直列に接続するための金属配線１８０−１〜１８０−５と、を備える。
【００５７】
熱伝導性基板１１０は、サファイア基板に比べて、相対的に熱伝導率が高い物質の基板である。熱伝導性基板１１０は、ＳｉＣ、Ｓｉ、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＧｅＳｉ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、又は、金属基板などを用いることができる。
【００５８】
バッファ層１２０は、その上部に形成される半導体層と熱伝導性基板１１０との間の格子不一致を緩和するために使用される。これに加えて、本発明の一部の実施形態において、バッファ層１２０は、熱伝導性基板１１０から発光セル１００−１〜１００−６と基板１１０とを絶縁させるために使用される。また、各発光セル１００−１〜１００−６は、互いに電気的に分離しなければならない。従って、バッファ層１２０は、半絶縁物質膜から形成される。
【００５９】
本実施形態において、バッファ層１２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は半絶縁窒化ガリウム（ＧａＮ）層であってもよい。ドープされていない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、一般に絶縁特性を有するので、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、ドープされていない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であってもよい。一方、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）は、成長方法及び基板物質に依存して、一般にＮ型半導体又は半絶縁性を有する。従って、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）が半絶縁性を有する場合、半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）である。一方、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）が、Ｎ型半導体特性を有する場合、これを相殺するために電子受容体がドーピングされる。電子受容体は、アルカリ金属、アルカリ土金属、又は遷移金属でもよく、特に、鉄（Ｆｅ）又はクロム（Ｃｒ）であればよい。
【００６０】
サファイア基板の上に、半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成する方法は、ヘイクマンなど（Ｈｅｉｋｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．）により、”金属有機化学気相蒸着法によるＦｅドーピングされた半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）の成長（Ｇｒｏｗｔｈ  ｏｆ  Ｆｅ
ｄｏｐｅｄ  ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ＧａＮ  ｂｙ  ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）”という題名で、２００２年７月１５日に頒布された（ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ）アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）に開示されている。ヘイクマンなどは、フェロセン（ｆｅｒｒｏｃｅｎｅ、Ｃｐ２Ｆｅ）を前駆体として使用したＭＯＣＶＤ技術を使用して、サファイア基板上に半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）層を形成した。
【００６１】
一般に、サファイア基板の上に、ＭＯＣＶＤ技術を使用して形成されたドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）は、Ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）となる。これは、残余酸素原子が窒化ガリウム（ＧａＮ）層で電子供与体（ｄｏｎｏｒ）として作用するからである。従って、鉄（Ｆｅ）のように、電子受容体として作用する金属物質をドーピングして、電子供与体と相殺させることにより、半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）を形成することができる。
【００６２】
電子受容体をドーピングして半絶縁性窒化ガリウム（Ｇａ）Ｎを形成する技術は、本発明の実施形態において同様に適用することができる。例えば、ＳｉＣ基板上に形成されたドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）は、Ｓｉなどを含む不純物によりＮ型窒化ガリウム（ＧａＮ）となり得る。したがって、鉄（Ｆｅ）のような金属物質をドーピングして、半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）バッファ層１２０を形成することができる。この時、バッファ層１２０のすべての厚さにわたって、電子受容体をドーピングする必要はなく、バッファ層１２０の一部の厚さに限定して、鉄（Ｆｅ）のような電子受容体をド−ピングしてもよい。
【００６３】
バッファ層１２０は、図示されたように、発光セル１００−１〜１００−６間が連続的であるが、分離してもよい。
【００６４】
異型半導体反復層１３０は、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とを交互に繰り返し積層して形成する。
【００６５】
Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とが交互に積層される数は、２ペア（ｐａｉｒ）以上、５００ペアの範囲である。
【００６６】
異型半導体反復層１３０におけるＮ型半導体層は、Ｎ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｎ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）膜でありうるが、これに限定されずに、多様な半導体層を含めて形成してもよい。また、Ｐ型半導体層は、Ｐ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｐ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）膜でありうるが、これに限定されずに、多様な半導体層を含めて形成してもよい。Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜又はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜でもよい。
【００６７】
また、異型半導体反復層１３０におけるＮ型半導体層は、シリコン（Ｓｉ）をドーピングして形成してもよいし、Ｐ型半導体層は、亜鉛（Ｚｎ）又はマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして形成してもよい。
【００６８】
異型半導体反復層１３０を構成するＮ型半導体層とＰ型半導体層とは、交互に繰り返して積層される構造となっているに伴い、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との間の接触面での大きな電位障壁が形成されることにより、隣接する半導体層間に電流が流れることができなくなり、絶縁の効果をもたらすことになる。
【００６９】
即ち、発光セル１００−１〜１００−６と、伝導性基板１１０とを電気的に絶縁させて、伝導性基板１１０を通じて発生される漏れ電流を、異型半導体反復層１３０の絶縁効果により効果的に防止する。
【００７０】
更に、発光セル１００−１〜１００−６が、異型半導体反復層１３０の絶縁効果により互いに電気的に絶縁することができる。
【００７１】
異型半導体反復層１３０におけるＮ型半導体層及びＰ型半導体層を成長させる作業は、バッファ層１２０においてＡｌＮを成長させる作業により、より容易に実行できる。
【００７２】
一方、複数の発光セル１００−１〜１００−６のそれぞれは、ＰＮ接合された窒化物半導体層を含む。
【００７３】
本実施形態において、発光セルのそれぞれは、Ｎ型半導体層１４０、Ｎ型半導体層１４０上の所定の領域に形成された活性層１５０、及び活性層１５０上に形成されたＰ型半導体層１６０を備える。Ｎ型半導体層１４０の上部面の少なくとも一部が露出される。Ｎ型半導体層１４０及びＰ型半導体層１６０の上に、オーミック金属層１７０、１７５が形成してもよい。また、Ｎ型半導体層１４０又はＰ型半導体層１６０の上に、１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３濃度の高濃度Ｎ型半導体トンネリング層やセミメタル（ｓｅｍｉ−ｍｅｔａｌ）層が形成され、更にその上に透明電極層（図示せず）を形成してもよい。
【００７４】
Ｎ型半導体層１４０は、Ｎ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｎ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）膜でありうるが、これに限定されずに、多様な半導体層を含めて形成してもよい。また、Ｐ型半導体層１６０は、Ｐ型不純物が注入されたＧａＮ系列、例えば、Ｐ型ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）膜でありうるが、これに限定されずに、多様な半導体層を含めて形成してもよい。
【００７５】
Ｎ型半導体層１４０及びＰ型半導体層１６０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜又はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）膜としてもよい。
【００７６】
Ｎ型半導体層１４０は、シリコン（Ｓｉ）をドーピングして形成してもよいし、Ｐ型半導体層１６０は、亜鉛（Ｚｎ）又はマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングして形成してもよい。
【００７７】
活性層１５０は、電子及び正孔が再結合される領域として、ＩｎＧａＮを含んで構成される。活性層１５０を成す物質の種類に応じて、発光セルから放出される発光波長が決定される。活性層１５０は、量子ウエル層と障壁層とが繰り返し形成された多層膜であってもよい。障壁層と量子ウエル層とは、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）により表現される２元又は４元化合物半導体層でもよい。
【００７８】
各発光セルは、金属配線１８０−１〜１８０−５を通じて直列に接続される。本実施形態において、各金属配線は、交流電源により駆動される発光セル１００−１〜１００−６が直列に接続する。即ち、発光素子に印加される交流駆動電圧／電流と、単一の発光セルを駆動するために必要な電圧とにより、直列に接続された発光セル１００の個数が限定される。例えば、２２０Ｖの交流電圧の下で、３．３Ｖの駆動用の発光セルは、約６７個を直列に接続することができる。また、１１０Ｖの交流電圧の下で、３．３Ｖの駆動用の発光セルは、約３４個を直列に接続することができる。
【００７９】
図５に示すように、６個の発光セル１００−１〜１００−６が直列に接続された発光素子において、第１発光セル１００−１のＮ型半導体層１４０と、第２発光セル１００−２のＰ型半導体層１６０とが、第１金属配線１８０−１を通じて接続され、第２発光セル１００−２のＮ型半導体層１４０と、第３発光セル（図示せず）のＰ型半導体層（図示せず）とが、第２の金属配線１８０−２を通じて接続され、第４発光セルのＮ型半導体層（図示せず）と、第５発光セル１００−５のＰ型半導体層１６０とが、第４の金属配線１８０−４を通じて接続され、そして第５発光セル１００−５のＮ型半導体層１４０と、第６発光セル１００−６のＰ型半導体層１６０とが、第５の金属配線１８０−５を通じて接続される。
【００８０】
直列に接続された発光セルは、特許文献１に開示された通り、ＬＥＤアレイを構成する。一方、発光素子は、互いに逆並列に接続された二つのＬＥＤアレイを有し、交流電源の下で照明用に使われる。第１発光セル１００−１のＰ型半導体層１６０及び第６発光セル１００−６のＮ型半導体層１４０には、それぞれ交流電源に電気的に接続するためのＰ型パッド及びＮ型パッド（図示せず）が形成される。
【００８１】
以下、互いに異なる大きさを有する複数の発光セルを備える発光素子の製造方法を説明する。
【００８２】
図６〜図８は、本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための断面図である。
【００８３】
図６を参照すれば、熱伝導性基板１１０の上にバッファ層１２０を形成する。熱伝導性基板１１０は、ＡｌＮ又はＳｉＣ基板でもよい。また、ＳｉＣは、半絶縁性又はＮ型の基板であってもよい。
【００８４】
一般に、ＳｉＣ単結晶基板は、Ｎ型半導体の特性を有する。これは、ＳｉＣ基板内に含まれている窒素（Ｎ）が、電子供与体（ｄｏｎｏｒ）として作用するからである。従って、電子受容体（ａｃｃｅｐｔｏｒ）、例えばバナジウム（Ｖａｎａｄｉｕｍ）をドーピングして、半絶縁性ＳｉＣ単結晶を成長させることができる。一方、バナジウムをドーピングせずに、半絶縁性ＳｉＣ単結晶を成長させる方法が、ＵＳ６，８１４，８０１号に開示されている。このような技術を使用して、半絶縁性ＳｉＣ基板を提供してもよい。
【００８５】
バッファ層１２０は、発光セルを形成するための半導体成長プロセスを実行するために、金属有機化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子線成長（ＭＢＥ）、又はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）方法などを使用して形成される。バッファ層１２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又は半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）層としてもよい。半絶縁性窒化ガリウム（ＧａＮ）層は、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）又は電子受容体（ａｃｃｅｐｔｏｒ）がド−ピングされた窒化ガリウム（ＧａＮ層）でもよい。電子受容体は、アルカリ金属、アルカリ土金属、又は遷移金属でもよいし、特に鉄（Ｆｅ）又はクロム（Ｃｒ）であればよい。
【００８６】
この時、バッファ層１２０が形成される厚さは、発光セルを形成するための半導体成長プロセスを行う中間層として機能する程度であればよく、絶縁性を提供するための厚さ程度まで形成させる必要はない。
【００８７】
バッファ層１２０上に、異型半導体反復層１３０を形成する。異型半導体反復層１３０は、Ｎ型半導体層、Ｐ型半導体層を交互に繰り返して積層することにより、多層の異型半導体反復層１３０を形成する。
【００８８】
異型半導体反復層１３０は、同一の工程のチャンバ内において連続的に形成してもよい。異型半導体反復層１３０のＮ型半導体層及びＰ型半導体層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、又はＨＶＰＥ方法を使用して形成してもよいし、それぞれ多層構造を有するように形成してもよい。
【００８９】
異型半導体反復層１３０上に、Ｎ型半導体層１４０、活性層１５０、及びＰ型半導体層１６０を形成する。これらの半導体層１４０、１５０、１６０は、同一の工程のチャンバにおいて連続的に形成してもよい。Ｎ型半導体層１４０、活性層１５０、及びＰ型半導体層１６０は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、又はＨＶＰＥ方法を使用して形成してもよいし、それぞれ多層構造を有するように形成してもよい。Ｎ型半導体層１４０又はＰ型半導体層１６０上に、１×１０１９〜１×１０２２／ｃｍ３濃度の高濃度Ｎ型半導体トンネリング層やセミメタル層を形成してもよいし、更にその上に透明電極層（図示せず）を形成してもよい。
【００９０】
図７を参照すれば、Ｐ型半導体層１６０、活性層１５０、及びＮ型半導体層１４０をパターニングして互いに絶縁された発光セル１００−１〜１００−６を形成する。
【００９１】
この時、各発光セル１００−１〜１００−６は、同一の幅を有するが、図３に示したように、互いに異なる長さを有する大きさにパターニングされて分離される。図７は、同一の幅のみを示している。
【００９２】
各層は、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を使用して、パターニングしてもよい。例えば、Ｐ型半導体層１６０上にフォトレジストパターンを形成し、これをエッチングマスクとして使用して、Ｐ型半導体層１６０、活性層１５０、及びＮ型半導体層１４０を順にエッチングする。これにより、互いに分離された発光セルが形成される。
【００９３】
この時、異型半導体反復層１３０をエッチングして、異型半導体反復層１３０の一部を露出するようにしてもよい。
【００９４】
各発光セル１００−１〜１００−６間の電気的な絶縁及び熱伝導性基板１１０を通した漏れ電流を防止するためには、異型半導体反復層１３０のＮ型半導体層とＰ型半導体層とを、上から２ペア以上をエッチングして、異型半導体反復層１３０の一部が露出されるようにする。
【００９５】
異型半導体反復層１３０のＮ型半導体層とＰ型半導体層とを、上から２ペア以上をエッチングする理由は、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層との積層数が２ペア以上であれば、絶縁効果を十分に期待することができるからである。
【００９６】
このように、異型半導体反復層１３０の一部が露出されるようにエッチングを行うことにより、発光セル１００−１〜１００−６は、電気的に互いに分離される。
【００９７】
図８を参照すれば、分離された発光セル１００−１〜１００−ｎのＰ型半導体層１６０及び活性層１５０をパターニングして、Ｎ型半導体層１４０の上部面の一部を露出させる。パターニング工程は、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を使用して行ってもよい。即ち、分離された発光セル１００−１〜１００−ｎを有する基板１１０上に、フォトレジストパターンを形成し、これをエッチングマスクとして使用してＰ型半導体層１６０及び活性層１５０の一部をエッチングする。その結果、Ｐ型半導体層１４０及び活性層１５０がエッチングされた部分に、Ｎ型半導体層１４０が露出される。
【００９８】
エッチング工程は、湿式又は乾式エッチング工程により行ってもよい。乾式エッチング工程は、プラズマを利用した乾式エッチング工程であってもよい。
【００９９】
エッチング工程後、Ｐ型半導体層１６０及びＮ型半導体層１４０上に、それぞれＰ型オーミック金属層１７０及びＮ型オーミック金属層１７５を形成する。
【０１００】
オーミック金属層１７０、１７５は、フォトレジストパターン（図示せず）を使用して、オーミック金属層１７０、１７５が形成される領域を開放した後、金属蒸着工程を使用して形成してもよい。Ｐ型オーミック金属層１７０及びＮ型オーミック金属層１７５は、同一の工程により形成してもよく、それぞれ別の工程により形成してもよい。上記のオーミック金属層１７０、１７５は、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｕ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｎｉ、及びＴｉのうちの少なくともいずれか一つの物質で形成してもよい。
【０１０１】
その後、隣接した発光セルのＮ型オーミック金属層１７５と、Ｐ型オーミック金属層１７０とを、金属配線１８０−１〜１８０−５により接続すれば、図５に示す発光素子が完成する。
【０１０２】
各金属配線１８０−１〜１８０−５は、エアーブリッジ（ａｉｒ  ｂｒｉｄｇｅ）工程又はステップカバー（ｓｔｅｐ  ｃｏｖｅｒ）工程などを通じて形成してもよい。
【０１０３】
エアーブリッジ（ａｉｒ  ｂｒｉｄｇｅ）工程は、特許文献１に開示されており、この工程について簡単に説明する。まず、各発光セル及び各オーミック金属層１７０、１７５が形成された基板上に、オーミック金属層１７０、１７５を露出させる開口部を有する第１のフォトレジストパターンを形成する。その後、電子ビーム蒸着（ｅ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）技術などを使用して、金属物質層を薄く形成する。金属物質層は、開口部及び第１のフォトレジストパターンの上部全面に形成される。次いで、接続しようとする隣接した発光セル間の領域及び開口部の金属物質層を露出させる第２のフォトレジストパターンを形成する。その後、金などをメッキ技術を使用して形成した後、溶剤（ｓｏｌｖｅｎｔ）などの溶液で第１及び第２のフォトレジストパターンを除去する。その結果、隣接した発光セルを接続する配線のみを残し、他の金属物質層及びフォトレジストパターンは、全て除去される。
【０１０４】
一方、ステップカバー工程は、発光セル及びオーミック金属層を有する基板上に絶縁層を形成することを含む。絶縁層をフォトリソグラフィ及びエッチング工程を使用してパターニングすることにより、Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の上部のオーミック金属層１７０、１７５を露出させる開口部を形成する。次いで、電子ビーム蒸着技術などを使用して、開口部を埋めるとともに、絶縁層の上面を覆う金属層を形成する。その後、金属層をフォトリソグラフィ及びエッチング工程を使用してパターニングし、互いに隣接した発光セルを接続する配線を形成する。このようなステップカバー工程は、多様な変形例が可能である。ステップカバー工程を使用すれば、配線が絶縁層により支えられるので、配線に対する信頼性を向上させることができる。
【０１０５】
一方、両端に位置した発光セル１００−１及び１００−６に、交流電源接続用のＰ型パッドとＮ型パッドとを形成する。
【０１０６】
これらの図面において各発光セルが、一列に配列されたように示されているが、これは、説明の便宜のためのものであって、発光セルは、特許文献１に開示されたように、平面上に多様な形態で配列してもよい。
【０１０７】
本発明は、好ましい実施形態及び多くの具体的な変形実施例を参照して説明した。しかし、具体的に説明したものとは、異なる多くのその他の実施例が、また本発明の思想及び範囲内に入ることを、関連分野の当業者は理解するであろう。
【０１０８】
例えば、本発明の一実施形態においては、各発光セルが互いに異なる大きさを有することにより、交流電源により発光動作を行う際に、発光セルごとに互いに異なるターンオン電圧を有することにより、各発光セルが発光を始める時間が互いに異なってフリッカ現象を減少させる、発光ダイオードの構成及び特徴について説明したが、このような構成及び特徴を有する複数の発光ダイオードを接続して、交流電源により各発光ダイオードが発光を行う際に、発光セルごとに互いに異なるターンオン電圧を有することにより、各発光セルが発光を始める時間が互いに異なってフリッカ現象を効果的に減少させることができる多様な発光素子を製作することができる。
【０１０９】
また、本発明の一実施形態においては、発光ダイオード内に複数の発光セルを形成する際に、一つの基板上で複数の発光セルを形成することを説明したが、発光素子内の各発光ダイオードを形成する際にも、一つの基板上で各発光ダイオードを形成するように工程を行うことができる。
【０１１０】
また、本発明の一実施形態においては、発光ダイオード内に複数の発光セルを形成する際に、大きさが互いに異なるようにすることを記載したが、ここで大きさが互いに異なるという記載は、該当発光セルが占める面積が異なるようにするという意味として解釈してもよい。更に、同一の電圧が印加された際に、電流密度を互いに異なるようにして、ターンオン電圧が互いに異なるように、発光セルを製作する際に設計される数値寸法を変形することも、同じ範疇内で解釈することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１００−１〜１００−１６：発光セル、１１０：熱伝導性基板、１２０：バッファ層、１３０：異型半導体反復層、１４０：Ｎ型半導体層、１５０：活性層、１６０：Ｐ型半導体層、１７０，１７５：オーミック金属層、１８０−１〜１８０−５：金属配線、２００：電源供給部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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