(57)【要約】【課題】発光ダイオード、その他の半導体素子を含む電気回路装置について、ダイオードが破壊されてもその部分での断線を回避することを課題とする。【解決手段】素子３に直列に接続され且つ第１の立ち上がり電圧を有する第１のダイオード１と、第１のダイオード１に並列に接続され且つ第１の立ち上がり電圧より大きな第２の立ち上がり電圧を有する第２のダイオード２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子に直列に接続され且つ第１の立ち上がり電圧を有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードに並列に接続され且つ前記第１の立ち上がり電圧より大きな第２の立ち上がり電圧を有する第２のダイオードと
を有することを特徴とするダイオードを含む電気回路装置。
【請求項２】
前記第２のダイオードのｐｎ接合を構成する第２半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第１のダイオードのｐｎ接合を構成する第１の半導体層のエネルギーバンドギャップよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【請求項３】
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードは、Ａｌ1-x-yＧａxＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系の半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【請求項４】
前記第１のダイオードは発光ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【請求項５】
前記発光ダイオードのｐｎ接合は、ダブルへテロ接合、量子井戸接合のいずれかであることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【請求項６】
前記第１のダイオードは直列に複数個接続され、前記第２のダイオードは複数の前記第１のダイオードのそれぞれに並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【請求項７】
前記第１のダイオードと前記第２のダイオードは同一基板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体素子を含む電気回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を含む電気回路装置に関し、より詳しくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、その他の半導体素子を含む電気回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の色の発光ダイオードは量産が可能になって普及し、様々な用途に使用されるようになり、これを複数個配置する表示器具や照明器具の製品開発も行われている。
【０００３】
特に、青色発光ダイオード、白色発光ダイオードの量産化が可能になり、性能も向上したことから、それらの発光ダイオードを集積して一般照明器具や自動車用ヘッドランプ等、広い分野での利用の開発が進んでいる。
【０００４】
白色発光ダイオードは、下記の非特許文献１に記載されているように、青色発光ダイオードをシリコーン製のホワイトキャップで被覆したり、紫外発光ダイオードにＲＧＢの３原色蛍光体を塗布したりすることにより作成される。このような発光ダイオードはＧａＮ系の半導体材料から作られている。
【０００５】
ホワイトキャップは、これに含有される蛍光体が青色発光ダイオードから発せられる４７０ｎｍの青色光を一部吸収し、５５０ｎｍ付近の黄色光を発するといった視感度の高い波長領域にシフトさせるため、青色発光ダイオードに比べて２．５倍の輝度が得られる。
【０００６】
そのような白色発光ダイオードを用いて自動車用のヘッドライトの開発が始まっている。そのヘッドライトの発光回路は、例えば図５の等価回路で示されるように、複数の発光ダイオード１００を直列に接続する構成が採用される。
【非特許文献１】ＬＥＤ最新技術動向、２００５年３月２５日、株式会社情報機構発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、発光回路を構成する複数の発光素子１００のうちの１つでも壊れると、その回路は断線状態となり、ヘッドライトが点灯しなくなるといった問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、ダイオードが破壊されてもその部分での断線を回避することができる半導体素子を含む電気回路装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するための本発明の第１の態様は、素子に直列に接続され且つ第１の立ち上がり電圧を有する第１のダイオードと、前記第１のダイオードに並列に接続され且つ前記第１の立ち上がり電圧より大きな第２の立ち上がり電圧を有する第２のダイオードとを有することを特徴とする半導体素子を含む電気回路装置である。
【００１０】
本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記第２のダイオードのｐｎ接合を構成する第２半導体層のエネルギーバンドギャップは、前記第１のダイオードのｐｎ接合を構成する第１の半導体層のエネルギーバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様に係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードは、Ａｌ1-x-yＧａxＩｎyＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系の半導体材料で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の態様は、前記第１乃至第３の態様のいずれかに係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記第１のダイオードは発光ダイオードであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５の態様は、前記第４の態様に係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記発光ダイオードのｐｎ接合は、ダブルへテロ接合、量子井戸接合のいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の態様は、前記第１乃至第５の態様のいずれかに係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記第１のダイオードは直列に複数個接続され、前記第２のダイオードは複数の前記第１のダイオードのそれぞれに並列に接続されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第７の態様は、前記第１乃至第６の態様のいずれかに係る半導体素子を含む電気回路装置において、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードは同一基板に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、素子に直列に接続される第１のダイオードに、第１のダイオードよりも立ち上がり電圧の大きな第２のダイオードを並列に接続している。
【００１７】
これによれば、第１のダイオードが正常に動作している状態では第２のダイオードには殆ど電流が流れない一方、第１のダイオードが故障によりオープン状態となっても、第２のダイオードに電圧がかかって第１のダイオードの代わりに電流を流すことが可能になり、第１のダイオードを含む直列回路の断線を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体素子を含む電気回路の回路図である。
【００２０】
図１において、複数の発光ダイオード１が直列に接続され、発光ダイオード１のそれぞれには、発光ダイオード１の立ち上がり電圧よりも大きな立ち上がり電圧を有するｐｎ接合型ダイオード２が並列に接続されている。また、複数の発光ダイオード１の直列回路には抵抗３及びスイッチング素子４を介してバッテリ５が接続されている。スイッチング素子４として、例えば電界効果トランジスタのような半導体素子が使用される。
【００２１】
発光ダイオード１として、青色、紫外のいずれかの発光ダイオードを使用してもよく、紫外発光ダイオードの場合にはその発光面にはＲＧＢの３原色蛍光体が塗布される。紫外発光ダイオードは、例えば図２に示すような構成を有している。
【００２２】
図２において、サファイア基板１１の上にはＧａＮよりなるバッファ層１２が成長され、さらにその上にはｎ型（ｎ−）ＧａＮ層１３、ｎ−ＡｌＧａＮ層１４、４周期のＧａＩｎＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層１５、ｐ型（ｐ−）ＡｌＧａＮ層１６、ｐ−ＧａＮ層１７が成長されている。また、ｐ−ＧａＮ層１７上にはｐ側電極１８が形成され、さらにエッチングにより一部が露出されたｎ−ＧａＮ層１３上にはｎ側電極１９が形成されている。
【００２３】
ｐｎ接合型ダイオード２は、例えば図３に示すような構成を有し、シリコン基板２１の上にＧａＮ又はＡｌＮのバッファ層２２を成長し、さらにその上にＧａＮ層２３、ｎ−ＡｌＧａＮ層２４、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５を成長して構成される。また、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５上にはｐ側電極２６が形成され、さらにエッチングにより一部が露出されたｎ−ＡｌＧａＮ層２４上にはｎ側電極２７が形成されている。
【００２４】
そして、ｐｎ接合型ダイオード２と発光ダイオード１のｐ側電極１８，２６同士は互いに接続され、またそれらのｎ側電極１９，２７同士は互いに接続されて並列に接続される。
【００２５】
なお、半導体層はＭＯＣＶＤ法、ＭＯＶＰＥ法等により成長される。また、ｐ型ドーパントとして例えばＭｇが使用され、ｎ型ドーパントとして例えばＳｉが使用される。
【００２６】
ｐｎ接合型ダイオード２の電圧・電流特性は、図４に示すように、その立ち上がり電圧Ｖ1が発光ダイオード１の電圧・電流特性の立ち上がり電圧Ｖ0に比べて大きくなるように構成されている。立ち上がり電圧Ｖ0、Ｖ1は、ｐｎ接合型ダイオード２、発光ダイオード１に順方向に電圧を印可した場合に急激に順方向電流が増加する状態のときの電圧である。
【００２７】
ｐｎ接合型ダイオード２の立ち上がり電圧Ｖ1は、ｐ型半導体とｎ型半導体の内部電圧の差に依存し、それらは半導体のエネルギーバンドギャップの大きさによる影響が支配的である。
【００２８】
ＡｌＧａＮ系の半導体材料をｐｎ接合部に用いた場合、Ａｌの比率を増加させることによってエネルギーバンドギャップを増大させることが可能になる。
【００２９】
ＡｌxＧａ1-xＮの組成比ｘを０≦ｘ≦１の範囲で変化させることによってエネルギーバンドギャップを３．４ｅＶから６．２ｅＶまで変化させることができる。また、ＡｌＧａＮ系半導体にＩｎを加えた系では、Ｉｎの比を増加させることによってエネルギーバンドギャップを小さくすることができる。即ち、ｐｎ接合を構成する半導体層の構成材料をＡｌ1-x-yＧａxＩｎyＮとして表せば、ｘ、ｙを０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１の範囲で変化させてエネルギーバンドギャップを調整することができる。
【００３０】
発光ダイオード１においても同じようにエネルギーバンドギャップによりほぼ立ち上がり電圧が決まるが、発光ダイオード１は所定条件を満たすように組成が決定される。従って、発光ダイオード１の立ち上がり電圧Ｖ0よりもｐｎ接合型ダイオード２の立ち上がり電圧Ｖ1を大きくするためには、発光ダイオード１のエネルギーバンドギャップよりも大きなエネルギーバンドギャップとなるようにｐｎ接合型ダイオード２のｐｎ接合層の組成を決めることになる。
【００３１】
例えば、白色発光ダイオード１を一般的な３．５Ｖ、２０ｍＡ程度の出力で動作させるとともに、ｐｎ接合型ダイオード２をＡｌ1-x-yＧａxＩｎyＮから形成する場合には、ｐｎ接合型ダイオード２のｎ−ＡｌＧａＮ層１５、ｐ−ＡｌＧａＮ層１６のエネルギーバンドギャップが３．５ｅＶを超える組成を選択する。
【００３２】
なお、発光ダイオード１としてホワイトキャップが被覆された青色発光ダイオードを使用してもよい。また、発光ダイオード１のｐｎ接合として図２では量子井戸接合型の構造を示しているが、ダブルヘテロ接合型のものであってよい。
【００３３】
バッテリ５の端子は、発光ダイオード１とｐｎ接合型ダイオード２の双方に順方向に電圧を印可するように接続されている。また、バッテリ５の電圧は、発光ダイオード１の全てに故障がなくてスイッチ４が閉じられた状態で発光ダイオード１の立ち上がり電圧Ｖ0以上の電圧値であって、発光ダイオード１が故障によりオープンとなった状態でｐｎ接合型ダイオード２の立ち上がり電圧よりも大きくなる電圧値となっている。
【００３４】
例えば、図４において、発光ダイオード１の正常動作時の電圧をＶhとし、その場合の電流値をＩhとした場合に、ｐｎ接合型ダイオード２には実質的に電流が流れないようにバッテリ５による電圧値を設定する。
【００３５】
以上のような電気回路において、スイッチ４を閉じてバッテリ５により電圧Ｖhを発光ダイオード１及びｐｎ接合型ダイオード２に順方向に印可すると、立ち上がり電圧の低い方の発光ダイオード１に発光に必要な電流Ｉhが流れる一方、ｐｎ接合型ダイオード2には電流が流れないか或いは流れても僅かとなる。これにより発光ダイオード１は所定波長の光を発光する状態となる。
【００３６】
そして、複数の発光ダイオード１のうち１つが故障して回路を開く状態になると、その発光ダイオード１とこれに並列接続されたｐｎ接合型ダイオード２からなる１組の並列回路の内部抵抗が高くなってその並列回路にかかる電圧が高くなり、ｐｎ接合型ダイオード２には立ち上がり電圧Ｖ1よりも大きな電圧が印可されて通電（オン）状態となる。
【００３７】
この結果、複数の発光ダイオード１の直列回路には、故障した発光ダイオード１に並列接続されたｐｎ接合型ダイオード２を通して電流が流れ続けることになるので、発光ダイオード１を用いた長寿命のヘッドライト等が実現が可能になる。
【００３８】
しかも、発光ダイオード１の全てに故障がない場合には、ｐｎ接合型ダイオード２には電流が殆ど流れないので、ｐｎ接合型ダイオード２による電力の損失や発熱を押さえることができる。
【００３９】
さらに、発光ダイオード１に過電圧が印可するような状態になっても、ｐｎ接合型ダイオード２はバイパス的な作用を行って発光ダイオード１の破壊を抑制することが可能になる。
（その他の実施の形態）
第１実施形態では、バッテリ５により発光ダイオード１に直流電圧を印可したが、ＡＣ−ＤＣコンバータを介して１００Ｖや２００Ｖの交流電源を印可してもよい。
【００４０】
また、発光ダイオード１は、自動車のヘッドライト用や、黄色や赤色で表示するフォグランプ、ブレーキランプ或いは室内灯証明等にも適用することができる。
【００４１】
さらには、自動車の照明機器だけでなく、一般家庭の照明器具にも応用することができる。即ち、蛍光灯を置き換えるＬＥＤ照明器具、電気スタンド、工事用表示機器、医療用器具、手術用器具等に装備することができる。
【００４２】
第１実施形態では、ディスクリートな発光ダイオード素子１とｐｎ接合型ダイオード２を組み合わせたが、６インチ以上の大面積のシリコン基板状に発光ダイオードとｐｎ接合型ダイオードを集積化することができる。この場合、基板の裏面への放熱構造も種々選択ができ、例えば、直接、銅などの金属を貼り合わせることで、ヒートパイプで外へ放熱するなどの構造を採ることができる。
【００４３】
また、基板は、シリコン基板だけでなく、ガラス基板、金属基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板等にもＧａＮ層を直接成長することができるため、更に大面積の証明器具にも適用することが可能になる。
【００４４】
さらに、上記した例では、複数の発光ダイオードを直列に接続する回路において各発光ダイオードに並列にｐｎ接合型ダイオードを接続しているが、１つの発光ダイオードを他の電気部品に直列に接続する場合においても、この発光ダイオードに並列にｐｎ接合型ダイオードを接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る電気回路装置の等価回路図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る電気回路装置を構成する発光ダイオードの一例を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る電気回路装置を構成するｐｎ接合型ダイオードの一例を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る電気回路装置を構成する発光ダイオード、ｐｎ接合型ダイオードの電圧・電流特性を示す図である。
【図５】図５は、従来の装置に使用される直列接続の発光ダイオードを示す等価回路図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：発光ダイオード
２：ｐｎ接合型ダイオード
３：抵抗素子
４：スイッチング素子
５：バッテリ
【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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