(57)【要約】【課題】発光素子の駆動電圧は発光素子のバンドギャップ電圧に依存して赤色発光ダイオードでは約２ボルト、白色発光ダイオードでは４から６ボルトの電圧である。いずれも商用電源で利用する場合には低い電圧へ変換して使う必要があり変換損失や変換器が必要となる。【解決手段】本発明は一つの発光ダイオード基板上に複数個の発光素子を電気的に分離される様に構成して、この複数個の発光素子を直列に接続することにより発光ダイオードの駆動電圧を高くすることを可能にするものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードを形成する同一基板上に、複数個の発光素子を電気的に分離して構成する構造を持ち、これらの発光素子の少なくとも一部を直列に接続して、駆動電圧を発光素子単体よりも高くしたことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は発光ダイオードを高電圧で駆動することを可能にする発光ダイオードの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来のＬＥＤは図１−１に示すような構造を有している。ＧａＡｌＮなどよりなる発光素子をパッケージ上に実装してボンディングポストへのボンディングを通して電極を取り出し、発光した紫外光を蛍光体にあてて波長の長い白色光を励起する構造である。可視光を直接発生する場合には蛍光体は不要である。【０００３】これらの発光素子の動作電圧は赤色の発光ダイオードでは約２ボルト、白色発光ダイオードでは約５ボルトである。近年、特に白色発光ダイオードの用途が家庭用では電球や蛍光灯の代わりに、車用ではヘッドライトの代わりなどに広がるにつれて一層高電圧で使用したい用途が増えてきている。商用電源を使う場合にはＡＣ１００ボルト、或いは２００ボルトであり、車用にはハイブリッド車や電気自動車の普及に伴ってバッテリー電圧が１００ボルトから３００ボルトと高くなる見込みである。これに対して現在の使用方法では、発光ダイオードを使用する電圧まで電圧を低くして使用している例が一般的である。その為に電圧変換のために損失が発生したり、回路が複雑になり小型化の制約なってしまっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】いずれの発光ダイオードにおいても駆動電圧は発光素子のバンドギャップ電圧で決まり、より高い電圧で駆動することはできない。一方で、高電圧で動作する発光ダイオードが存在すれば、例えば商用交流電源から平滑回路のような簡素な電源回路を経て直接駆動できるようになり、またそれに伴い駆動電流を少なくすることができ駆動回路を簡素化できる。これにより発光ダイオードの電源回路、駆動回路のコストを下げることができ、エネルギー効率が良いという発光ダイオードの使用範囲が広がるようになる。しかし、現実的にはその様な、高電圧で作動する発光ダイオードは実用化されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】この様なニーズに対応するために、本発明では、基板上に電気的に絶縁された複数個の発光部を形成して、それらを直列接続することにより高電圧で駆動できる素子を提供するものである。たとえば、駆動電圧４．５ボルトの白色の発光素子を１００ボルトで直接駆動するために発光素子を２２個直列に構成するものである。これによりひとつの発光ダイオードを１００ボルトの高電圧で駆動することが可能になる。【０００６】一般的に発光ダイオードは一つの発光ダイオードに一つの発光部が設けてある。意図して、発光部を分離する必要はないし、分離のために素子スペースの無駄が発生するために分離は行われていない。【０００７】本発明では基板上の発光素子を電気的に独立した複数個の光マイクロセルとして分離して、この光マイクロセルを基板上で直列接続することにより高い電圧で直接駆動できるようにするものである。【０００８】光マイクロセルの一つの大きさを小さくすれば、光マイクロセルの個数は多くなり光マイクロセルを直列にしたり、並列にしたりして組み合わせの自由度が大きくなるが、小さくすると光マイクロセル分離のためのスペースの占有率が高くなり、この部分は発光に寄与しないために素子面積の有効利用の点からは損失となる。すなわち、一般的には基板上に形成する発光素子部を複数個に分離する光マイクロセルのような着想は、面積の損失が大きいので行われていない。【０００９】本発明では直列接続することにより駆動電流を低く抑えることができるというメリット、これにより駆動回路を簡素化できるというメリットを創出すること、及び、光マイクロセルを直列にも並列にも接続できることから駆動電圧を自由に設定できることなどの利点を活かすことにより、光マイクロセルの着想とその実用性を可能にならしめるものである。
【発明の効果】
【００１０】本発明の発光ダイオードは、高い電圧でも駆動できるために、今後の産業用の照明として簡素な電源により、効率の良い発光システムを提供することができるものである。今後、発光効率の良い発光ダイオードが省エネルギーを背景として、家庭用の電灯の代わりになる時に本発明は産業界への影響が極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】  従来の発光ダイオードの構造を示す構成図
【図２】  本発明の発光ダイオードの構造を示す構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】本発明の発光ダイオードの構成を図２−１において示す。２１はパッケージ、２２はボンディングポストと外部へのリード、２３はキャップ、２４が発光素子、２５がボンディングワイア、２６が発光素子から発光する紫外線を可視光に変換する蛍光体である。可視光を直接発生する場合には蛍光体は不要である。
【００１３】本発明の発光素子２４は図２−２に示すように２２個の光マイクロセルが直列に接続されている。３０は発光素子全体を示し、３１はＰ型電極、３２はＮ型電極、３３は１１番目の光マイクロセルのｐ電極部、３４はそのｎ電極部を示している。
【００１４】発光素子３０は４×６の２４個のマイクロセルから構成されており、その内２個の部分がＰ電極３１、Ｎ電極３２で占められ、数字で１から２２のマイクロセル一つ一つが電気的に分離された発光ダイオードの機能を有する光マイクロセルである。
【００１５】光マイクロセルの大きさは横０．１５ｍｍ、縦０．１ｍｍであり、発光素子３０全体で横０．６ｍｍ、縦０．６ｍｍである。素子はウエーハ状態で作られたものが一つの発光素子に切り出された状態を示している。
【００１６】図２−３において本発明の素子の断面図を示す。これは図２−２におけるＸ−Ｘ’の断面図である。その部分的な詳細は図２−４において示し、この図２−３においてはＸ−Ｘ’断面図、すなわち５番目、６番目、１７番目、１８番目の光マイクロセルの断面を示す。４０が透明導電膜であり６番目の光マイクロセルのｐ電極部４１と５番目の光マイクロセルのｎ電極部４２を接続するＩＴＯ（酸化インジウム）などの透明導電膜である。４３が同様に１７番目の光マイクロセルのｎ電極部と１８番目の光マイクロセルのｐ電極部を接続する透明導電膜である。
【００１７】図２−４において本発明の基本ユニットである５番目の光マイクロセルの断面図の詳細を示す。５０は発光素子を形成するための基板であり、５１はＳｉＯ２などの絶縁膜であり、５２は導電性の高い金属からなる光反射層、５３はｎ型ＧａＡｌＮなどからなる半導体、５４は発光層、５５はｐ型ＧａＡｌＮなどからなる半導体、５６は透明絶縁膜であるシリコン酸化膜ＳｉＯ２、５７はＩＴＯなどの透明電極である。ｐ型ＧａＡｌＮ５４からｎ型ＧａＡｌＮ５３へ電流を注入することにより発光層５４で光を発する構造である。ＳｉＯ２酸化膜５６により発光部分を他の光マイクロセルから絶縁している。
【００１８】図２−５においてその光マイクロセルの平面図を示している。６０はｎ型ＧａＡｌＮ半導体の境界を示しており、６１はｎ電極部の透明導電膜の境界である。６２はｐ型ＧａＡｌＮ半導体の境界、６３はｐ電極部の透明導電膜の境界である。図においてＹ−Ｙ´の断面図が図２−４に相当する。
【００１９】図２−６は光マイクロセル間の接続の事例を示す。図においては４番目、５番目、６番目、７番目の光マイクロセルの接続の事例である。７０が４番目の光マイクロセルのｎ型半導体部と５番目の光マイクロセルのｐ型半導体部との接続を行うためのＩＴＯ膜である。７１が５番目の光マイクロセルのｎ型半導体部７２と６番目の光マイクロセルのｐ型半導体部７３との接続を行うためのＩＴＯ膜である。これらのＩＴＯ膜は光マイクロセルのｐ型部分の表面、ｎ部部分の表面に形成してあるＩＴＯ膜と同時に形成することができる。
【００２０】図２−７、図２−８は光マイクロセルとそれぞれＮ型電極、Ｐ型電極との接続事例を示す。図２−７において８０が素子境界であり、８１がＡｌからなるＮ型電極であり、８２は２２番目の光マイクロセルのｎ電極部表面のＩＴＯ膜とＡｌ電極８１を接続するためのＩＴＯ膜である。これらのＩＴＯ膜は同時に形成される。また図２−８において９０は素子境界であり、９１がＡｌからなるＰ型電極であり、９２は１番目の光マイクロセルのｐ電極部表面のＩＴＯ膜とＡｌ電極を接続するためのＩＴＯ膜である。これらのＩＴＯ膜は同時に形成される。
【００２１】  本発明の発光ダイオードの等価回路図を図２−９に示す。光マイクロセルを一つの単位として２２個の光マイクロセルを直列接続することにより高電圧駆動を可能にならしめることを特徴としている。
【産業上の利用の可能性】
【００２２】発光ダイオードの用途は省エネに向けてその用途が拡大している。自動車分野においてはヘッドライト、家庭用では、電球のＬＥＤ、産業用では信号機での採用が始まっている。高電圧駆動で使い易い発光ダイオードは今後の重要な部品となる。
【符号の説明】
【００２３】１・・・パッケージ    ２・・・ボンディングポスト及び外部へのリード
３・・・キャップ      ４・・・発光素子              ５・・・ボンディングワイア
６・・・蛍光体        ７・・・ｎ型半導体層の境界    ８・・・ｐ型半導体層の境界
９・・・発光素子の境界              １０・・・ｎ型半導体の電極部
１１・・・ｐ型半導体の電極部        １２・・・ｎ型電極のＡｌパッド部
１３・・・ｐ型電極のＡｌパッド部    １４・・・発光素子の基板
１５・・・金属反射層                １６・・・ｎ型半導体    １７・・・発光層
１８・・・ｐ型半導体                ２１・・・パッケージ
２２・・・ボンディングポスト及び外部へのリード          ２３・・・キャップ
２４・・・発光素子      ２５・・・ボンディングワイア    ２６・・・蛍光体
３０・・・発光素子      ３１・・・Ｐ型電極              ３２・・・Ｎ型電極
３３・・・１１番目の光マイクロセルのｐ電極部、
３４・・・１１番目の光マイクロセルのｎ電極部
４０・・・光マイクロセル間接続ＩＴＯ膜
４１・・・６番目の光マイクロセルのｐ電極部のＩＴＯ膜
４２・・・５番目の光マイクロセルのｎ電極部のＩＴＯ膜
４３・・・光マイクロセル間接続ＩＴＯ膜              ５０・・・発光素子の基板
５１・・・ＳｉＯ２  酸化膜  ５２・・・金属反射膜  ５３・・・ｎ型ＧａＡｌＮ半導体
５４・・・発光層      ５５・・・ｐ型ＧａＡｌＮ半導    ５６・・・ＳｉＯ２絶縁膜
５７・・・ＩＴＯ透明電極        ６０・・・ｎ型ＧａＡｌＮ半導体の境界
６１・・・ｎ電極部のＩＴＯ膜の境界    ６２・・・ｐ型ＧａＡｌＮ半導体の境界
６３・・・ｐ電極部ＩＴＯ膜の境界      ７０・・・光マイクロセル間接続ＩＴＯ膜
７１・・・光マイクロセル間接続のＩＴＯ膜
７２・・・５番目の光マイクロセルのｎ電極部のＩＴＯ膜
７３・・・６番目の光マイクロセルのｐ電極部のＩＴＯ膜  ８０・・・Ｎ型電極の境界
８１・・・Ｎ型電極
８２・・・Ｎ型電極と２２番目の光マイクロセルのｎ電極部との接続
９０・・・Ｐ型電極の境界      ９１・・・Ｐ型電極
９２・・・Ｐ型電極と１番目の光マイクロセルのｐ電極部との接続
【図１】
2010263174.tif 000002
【図２】
2010263174.tif 000003