JP2007157969A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は基板上に複数個の発光部ユニットが形成され、直並列に接続されることにより、たとえば１００Ｖの商用交流電源などで照明用の電灯や蛍光管の代りに使用し得るような半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、半導体により形成される複数個の発光部ユニットを直並列に接続してその接続端子を１００Ｖなどの交流電源または直流電源などに接続する場合に、サージなどが印加されても輝度が低下しないで信頼性の高い構造の半導体発光素子に関する。 In the present invention, a plurality of light emitting unit units are formed on a substrate and connected in series and parallel so that, for example, a semiconductor light emitting device that can be used in place of a lighting lamp or a fluorescent tube with a commercial AC power supply of 100V, for example. It relates to an element. More specifically, when a plurality of light emitting unit units formed of semiconductors are connected in series and parallel and their connection terminals are connected to an AC power source such as 100 V or a DC power source, the brightness is increased even if a surge is applied. The present invention relates to a semiconductor light emitting element having a highly reliable structure without deteriorating.
近年、青色系発光ダイオード（ＬＥＤ）の出現により、ディスプレイの光源や信号機の光源などにＬＥＤが用いられ、さらに電灯や蛍光管の代りにＬＥＤが用いられるようになってきている。この電灯や蛍光管に代ってＬＥＤを用いる場合、１００Ｖの交流駆動でそのまま動作することが好ましく、たとえば図６に示されるように、ＬＥＤを直並列に接続し、交流電源７１に接続する構成のものが知られている。なお、Ｓはスイッチを示す（たとえば特許文献１参照）。
前述のように、複数個のＬＥＤを直並列に接続して電灯などの代りにすることにより、省電力化を行うことができる。しかしながら、ＬＥＤは元々半導体層の積層により形成されており、サージなどの高電圧が印加されると半導体層のｐｎ接合が破壊されて、輝度が低下するという問題がある。とくに信号機など屋外で使用する場合にはサージも入りやすく、また、精密機器の照明などに用いられる照明装置などでは僅かな輝度の低下も問題になり、このようなサージが入力し場合、非常に信頼性が低下するという問題がある。 As described above, it is possible to save power by connecting a plurality of LEDs in series and parallel instead of using a lamp or the like. However, the LED is originally formed by stacking semiconductor layers, and when a high voltage such as a surge is applied, the pn junction of the semiconductor layer is destroyed, resulting in a problem that the luminance is lowered. Especially when used outdoors such as traffic lights, surges are also likely to occur, and lighting devices used for illumination of precision equipment also cause a slight decrease in brightness. When such surges are input, There is a problem that reliability decreases.
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、発光部ユニットが直並列に接続されて照明用などに用い得る半導体発光素子にサージなどが入力しても、輝度の低下などを防止し、信頼性を向上させることができる構造の半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem. Even if a surge or the like is input to a semiconductor light emitting element that can be used for lighting with light emitting unit units connected in series and parallel, a decrease in luminance or the like is caused. An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having a structure capable of preventing and improving reliability.
本発明者は、照明用などの目的のために、半導体層で形成した発光部ユニットを何個も直並列に接続して、たとえば１００Ｖの交流で駆動するような場合に、サージなどが印加しても発光特性が低下したり、破損したりしないで、信頼性を向上させることができる半導体発光素子にするため鋭意検討を重ねた結果、サージが半導体発光素子に印加した場合、殆どの場合、ｐｎ接合が完全にショートやオープンになることはなく、ｐｎ接合は維持されるもののＶ-Ｉ特性が劣化して発光特性を低下させ、輝度が大幅に低下するという現象になることを見出した。さらに、発光部ユニットが複数個直列に接続されている場合、サージが入力する電極パッドに一番近い発光部ユニットはダメージを受けてＶ-Ｉ特性が劣化するが、２個目以降の発光部ユニットは、サージの波形が１個目の発光部ユニットで鈍って（減衰して）、殆どｐｎ接合はダメージを受けないことを見出した。 The present inventor applies a surge or the like when a plurality of light emitting unit units formed of semiconductor layers are connected in series and parallel and driven by, for example, 100V AC for illumination purposes. As a result of intensive studies to make the semiconductor light emitting device capable of improving reliability without deteriorating or damaging the light emission characteristics, when a surge is applied to the semiconductor light emitting device, in most cases, It has been found that the pn junction is not completely short-circuited or opened, but the pn junction is maintained, but the VI characteristic is deteriorated, the light emission characteristic is lowered, and the luminance is greatly lowered. Further, when a plurality of light emitting unit are connected in series, the light emitting unit closest to the electrode pad to which surge is input is damaged and the VI characteristic is deteriorated. The unit found that the surge waveform was dulled (attenuated) at the first light emitting unit, and the pn junction was hardly damaged.
そして、逆並列（ｐｎ接合の向きが逆方向の並列）で２個の発光部ユニットが接続される場合、ダメージを受ける発光部ユニットは、電極パッドに直接ｎ側電極が接続される発光部ユニットであり、逆並列に接続されるｐ側電極が電極パッドに接続される発光部ユニットは殆どダメージを受けないことを見出した。すなわち、プラスのサージが入力した場合でも、電子が半導体層に流れ込みやすいため、一対の電極パッドの反対側の電極パッドに接続されるｎ側電極を介して半導体層に電子が流れ込み、その発光部ユニットのｐｎ接合がダメージを受ける。そして、マイナスのサージが入る場合は、その電極パッドに電子が流れ込むことになるので、その電極パッドに接続されるｎ側電極に接続される発光部ユニットが最初にダメージを受けることになる。 When two light emitting unit units are connected in reverse parallel (parallel in the direction of the pn junction), the light emitting unit that is damaged is a light emitting unit in which the n-side electrode is directly connected to the electrode pad. It was found that the light emitting unit in which the p-side electrode connected in antiparallel is connected to the electrode pad is hardly damaged. That is, even when a positive surge is input, electrons easily flow into the semiconductor layer. Therefore, electrons flow into the semiconductor layer via the n-side electrode connected to the electrode pad opposite to the pair of electrode pads, and the light emitting portion The pn junction of the unit is damaged. When a negative surge occurs, electrons flow into the electrode pad, so that the light emitting unit connected to the n-side electrode connected to the electrode pad is first damaged.
そのため、その破壊しやすい電極パッド側の発光部ユニットの輝度を小さくしておくことにより、サージが入力してダメージを受け、殆ど発光しなくなっても、元々輝度が小さくされているため、輝度の変化は殆ど生じず、さらに前述のように、ｐｎ接合そのものは破壊せず、そのダメージによるＶ-Ｉ特性の変化による発光特性が低下するだけであるため、他の発光部ユニットの電流には影響がなく、発光もそのまま維持することができる。さらに、つぎのサージが入力する場合でも、ダメージを受けた発光部ユニットのｐｎ接合は維持されているため、サージを吸収して減衰させることができ、同様にサージを吸収することができる。その結果、輝度の変化も生じず、何度でもサージを吸収することができる。 Therefore, by reducing the brightness of the light emitting unit on the electrode pad side, which is easily destroyed, even if surges are input and damaged and almost no light is emitted, the brightness is originally reduced. Almost no change occurs, and as described above, the pn junction itself is not destroyed, and only the light emission characteristic due to the change of the VI characteristic due to the damage is deteriorated, so that the current of other light emitting unit is affected. The light emission can be maintained as it is. Further, even when the next surge is input, the pn junction of the damaged light emitting unit is maintained, so that the surge can be absorbed and attenuated, and the surge can be similarly absorbed. As a result, no change in luminance occurs, and the surge can be absorbed any number of times.
本発明による半導体発光素子は、ｎ形層およびｐ形層の半導体層が発光層形成部を形成するように積層され、電気的に分離して複数個の発光部ユニットが形成されると共に、該複数個の発光部ユニットが配線により直列および／または並列に接続されてその両端部に一対の電極パッドが形成される半導体発光素子であって、前記一対の電極パッドの少なくとも一方に直接ｎ側電極が接続される発光部ユニットが、他の発光部ユニットより輝度を小さくしたサージ吸収用として形成されている。 In the semiconductor light emitting device according to the present invention, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are stacked so as to form a light emitting layer forming part, and are electrically separated to form a plurality of light emitting part units. A semiconductor light emitting device in which a plurality of light emitting unit units are connected in series and / or in parallel by wiring and a pair of electrode pads are formed at both ends thereof, and an n-side electrode is directly applied to at least one of the pair of electrode pads The light emitting unit connected to is formed for surge absorption with lower brightness than other light emitting unit.
なお、並列接続には、ｐｎ方向が同じ方向で並列に接続される場合と、ｐｎ方向を逆方向にして並列に接続される、いわゆる逆並列の場合の両方を含む意味である。また、発光部ユニットは、たとえば１００Ｖなどの商用交流電源で駆動できるように、直列に１００Ｖ近くの駆動電圧になるように直列に接続したものを逆並列（ｐｎ接合が逆方向になるように並列に接続されること、以下同じ）に接続されてもよいし、２個逆並列接続された組を直列に接続して１００Ｖなどの商用交流電源で駆動できるように直列に接続されてもよいし、これらの組がさらに並列に接続されて１００Ｖなどの商用交流電源に接続されてもよいし、順方向に直列に接続されて直流電源で駆動できるように接続されてもよい。 Note that the parallel connection includes both the case where the pn directions are connected in parallel in the same direction and the so-called reverse parallel connection where the pn directions are reversed and connected in parallel. In addition, the light emitting unit is connected in series so that the drive voltage is close to 100 V in series so that it can be driven by a commercial AC power supply such as 100 V, for example, and the light emitting unit is connected in parallel so that the pn junction is in the reverse direction. May be connected in series, so that two sets connected in reverse parallel may be connected in series and driven by a commercial AC power source such as 100V. These sets may be further connected in parallel to be connected to a commercial AC power source such as 100V, or may be connected in series in the forward direction so that they can be driven by a DC power source.
前記サージ吸収用として形成される発光部ユニットのｎ形層に接続される電極が前記一対の電極パッドの一方として形成されることにより、殆ど発光に寄与しない発光部ユニットを設けることによるスペースの無駄を殆どなくすることができるため好ましい。 Since the electrode connected to the n-type layer of the light emitting unit formed for absorbing the surge is formed as one of the pair of electrode pads, a waste of space is provided by providing the light emitting unit that hardly contributes to light emission. Can be almost eliminated.
前記複数個の発光部ユニットが、直列に接続されると共に逆並列に前記一対の電極間に接続されることにより、交流で駆動し得るように接続され、前記一対の電極パッドのそれぞれにｎ側電極が直接接続される全ての発光部ユニットの輝度が小さくなるように形成されることにより、どちらの電極パッドにプラスのサージが入力しても、輝度変化が殆ど生じることがないため好ましい。なお、逆並列に接続される組が複数組並列に接続される場合には、それぞれの組のｎ側電極が直接電極パッドに接続される発光部ユニットの輝度が低くなるように形成されることが好ましい。また、逆並列に接続する構造としては、直列に接続された組を逆並列に接続されてもよいし、２個が逆並列に接続された組が直列に接続されてもよい。この２個１組が直列に接続された組が、さらに一対の電極パッド間に並列に接続されてもよい。 The plurality of light emitting unit units are connected in series and connected in parallel between the pair of electrodes so as to be driven by alternating current, and each of the pair of electrode pads is connected to the n side. It is preferable that all the light-emitting unit units to which the electrodes are directly connected are formed so as to reduce the luminance, so that a change in luminance hardly occurs regardless of which electrode pad receives a positive surge. In addition, when a plurality of sets connected in anti-parallel are connected in parallel, the n-side electrode of each set is formed so that the luminance of the light emitting unit connected directly to the electrode pad is lowered. Is preferred. Moreover, as a structure connected in antiparallel, a set connected in series may be connected in antiparallel, or a set in which two pieces are connected in antiparallel may be connected in series. A set in which these two sets are connected in series may be connected in parallel between a pair of electrode pads.
前記複数個の発光部ユニットが、直列に接続され、またはｐｎ接合が同一方向に直列および並列に接続されて前記一対の電極パッド間に接続されることにより直流で駆動し得るように形成され、前記発光部ユニットのｎ側電極が前記一対の電極パッドの一方に直接接続される発光部ユニットの１つのｎ側電極が前記一対の電極パッドの一方として形成される構造にすることもできる。この場合は、ｐ側電極が電極パッドの他方に接続される発光部ユニットでは、従来と同様にｎ形層の露出する面積を小さくしておいて、大きな面積のｐ形層上に電極パッドを形成することもできるし、電極パッドは別に形成しながら、その電極パッドにｐ側電極が接続される発光部ユニットの表面から光が出難くなるように、前述の露出するｎ形層の面積を大きくする構造にしたり、表面に遮光層を設けたりしてもよい。この場合も、直列に接続される発光部ユニット群が並列に接続される場合その電極パッドに直接接続される発光部ユニット全ての輝度を低下させることが好ましい。 The plurality of light emitting unit units are connected in series, or pn junctions are connected in series and in parallel in the same direction and are connected between the pair of electrode pads so that they can be driven by direct current, A structure in which one n-side electrode of the light-emitting unit where the n-side electrode of the light-emitting unit is directly connected to one of the pair of electrode pads may be formed as one of the pair of electrode pads. In this case, in the light emitting unit in which the p-side electrode is connected to the other of the electrode pads, the exposed area of the n-type layer is reduced as in the conventional case, and the electrode pad is placed on the p-type layer having a large area. The area of the exposed n-type layer can be reduced so that it is difficult to emit light from the surface of the light emitting unit where the p-side electrode is connected to the electrode pad while forming the electrode pad separately. The structure may be enlarged or a light shielding layer may be provided on the surface. Also in this case, when the light emitting unit units connected in series are connected in parallel, it is preferable to reduce the luminance of all the light emitting units connected directly to the electrode pads.
前記発光層形成部が窒化物半導体により青色光または紫外光を発光するように形成され、前記複数個の発光部ユニットからなる発光素子チップの発光面側に該発光素子チップが発光する光を白色光に変換する発光色変換部材が塗布されることにより、白色光を放射することができ、電灯などの代りに使用することができる。 The light emitting layer forming part is formed by a nitride semiconductor so as to emit blue light or ultraviolet light, and the light emitted from the light emitting element chip on the light emitting surface side of the light emitting element chip composed of the plurality of light emitting part units is white. By applying a luminescent color conversion member that converts light, white light can be emitted and used instead of an electric lamp or the like.
前記半導体層が絶縁性基板または半絶縁層上に積層され、各発光部ユニットの前記ｎ形層およびｐ形層に接続される電極が前記積層される半導体層の表面側に設けられ、前記輝度を小さくする発光部ユニットが、該発光部ユニットの表面積でｎ形層の露出する面積が全体の６０〜９０％になるように形成されることにより、ｎ形層の露出面を電極パッド形成場所として使用することができながら、始めから輝度を充分に落すことになり、サージによる輝度の低下を防止することができるため好ましい。 The semiconductor layer is laminated on an insulating substrate or a semi-insulating layer, and electrodes connected to the n-type layer and the p-type layer of each light emitting unit are provided on the surface side of the laminated semiconductor layer, and the luminance Is formed so that the exposed area of the n-type layer is 60 to 90% of the entire surface area of the light-emitting unit, so that the exposed surface of the n-type layer can be used as an electrode pad forming place. However, it is preferable because the luminance is sufficiently reduced from the beginning and the luminance can be prevented from being lowered by a surge.
本発明によれば、複数個の発光部ユニットが直並列に接続された発光素子にサージが入力した場合に、ダメージを受けるのは電極パッドに直接ｎ側電極が接続される発光部ユニットであって、しかもｐｎ接合が完全に破壊するのではなく、Ｖ-Ｉ特性が劣化して発光出力が低下するだけで、しかもその発光部ユニットによりサージは鈍って（減衰して）２個目以降の発光部ユニットには何ら異常をもたらさないという知見に基づいて、その発光部ユニットの輝度を最初から低下させているため、サージが入力して輝度が低下しても当初の輝度と殆ど変化がなく、何ら問題が生じない。しかも、その輝度の低下する発光部ユニットは、輝度が低下してもｐｎ接合はそのまま維持しており、つぎのサージが入力する場合でもそのサージを鈍らせる（減衰させる）機能を有しており、２個目以降の発光部ユニットには何ら異常をもたらすことがない。その結果、サージが入力しても、非常に信頼性の高い半導体発光素子が得られる。 According to the present invention, when a surge is input to a light emitting element in which a plurality of light emitting unit units are connected in series and parallel, the light emitting unit in which the n-side electrode is directly connected to the electrode pad is damaged. In addition, the pn junction is not completely destroyed, but the V-I characteristic is deteriorated and the light emission output is reduced, and the surge is dulled (attenuated) by the light emitting unit. Based on the knowledge that nothing happens to the light emitting unit, the luminance of the light emitting unit is reduced from the beginning, so there is almost no change from the original luminance even when the surge decreases and the luminance decreases. , No problem arises. In addition, the light emitting unit whose luminance is reduced maintains the pn junction even when the luminance is reduced, and has a function of blunting (attenuating) the surge even when the next surge is input. No abnormality is caused in the second and subsequent light emitting units. As a result, even if a surge is input, a highly reliable semiconductor light emitting device can be obtained.
さらに、輝度を小さくした発光部ユニットの表面に電極パッドを形成することにより、輝度を小さくして発光には殆ど寄与しない発光部ユニットを形成することによるスペースの無駄を有効に利用して必要な電極パッドを形成しながら、輝度の小さい発光部ユニット、すなわちサージを吸収するｐｎ接合を形成することができ、殆どスペースの無駄なくサージを吸収することができる。 Furthermore, by forming an electrode pad on the surface of the light emitting unit with reduced brightness, it is necessary to effectively use the waste of space by forming the light emitting unit that reduces brightness and hardly contributes to light emission. While forming the electrode pad, a light emitting unit having a low luminance, that is, a pn junction that absorbs the surge can be formed, and the surge can be absorbed with almost no waste of space.
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１（ａ）にその一実施形態である発光部ユニットの接続例の平面説明図が示されるように、ｎ形層およびｐ形層の半導体層が発光層形成部を形成するように積層され、電気的に分離して複数個の発光部ユニット１０が形成されると共に、その複数個の発光部ユニット１０が配線１６により直列および／または並列に接続されてその両端部に一対の電極パッド１７ａ、１７ｂが形成されている。そして、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂの少なくとも一方に直接ｎ側電極１４ｂが接続される発光部ユニット１０ｄが、他の発光部ユニット１０より輝度を小さくしたサージ吸収用として形成されている。
Next, the semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. In the semiconductor light emitting device according to the present invention, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are formed as a light emitting layer as shown in FIG. A plurality of
図１（ａ）に示される例では、輝度を小さくして形成されたサージ吸収用の発光ユニット１０ｄは発光には寄与しない、すなわちｐ形層がエッチング除去されて活性層を介したｐｎ接合を有しないｎ形層の露出する領域の面積を全体の６０〜９０％と、活性層を介したｐｎ接合を有しｐ形層（厳密には透光性導電層）が表面に露出している部分の面積よりも大きくなるように形成されている（通常の発光部ユニット１０とその面積比がほぼ逆の構造になっている）。その結果、ｎ形層が露出する部分は発光に寄与しないので、全体が同じ平面積に形成される発光部ユニット１０であっても、サージ吸収用の発光部ユニット１０ｄは、ｐ形層が残存する面積が非常に小さいので、殆ど発光には寄与しない。すなわち、輝度が小さくなるように形成されている。この輝度を小さくしたサージ吸収用の発光部ユニット１０ｄは、電極パッド１７ａ、１７ｂ間に直列に接続される発光部ユニット群の中で、電極パッド１７ａ、１７ｂと直接接続される（他の発光部ユニットを介さないで配線により直接電極パッド１７ａ、１７ｂに接続される発光部ユニットを意味する）発光部ユニット１０ｄ、発光部ユニット１０が逆並列で電極パッドに接続される場合には、ｎ側電極１４ｂ側が接続される発光部ユニット１０ｄに輝度低下の方策が施されている。
In the example shown in FIG. 1A, the surge-absorbing
このようなｎ側電極１４ｂ側が直接接続される側の発光部ユニット１０ｄの輝度を低下させる理由について説明をする。たとえば一方の電極パッド１７ａにプラスのサージ電圧が入力する場合、電子の移動が正孔の移動より勝っているため、サージにより他方の電極パッド１７ｂの下の電子が発光部ユニット１０ｄに流れ込もうとする。そのため、他方の電極パッド１７ｂに電子が流れ込んでくると、その電子は、他方の電極パッド１７ｂ側のｎ側電極１４ｂに流れ込みやすく、一方の電極パッド１７ａ側にｐ側電極が接続された発光部ユニット１０よりも早くサージの電子が流れ込み、その大量の電子の流れ込みにより発光部ユニット１０ｄのｐｎ接合がダメージを受け、逆にサージはその勢いが減衰される。そのため、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂに接続される発光部ユニット１０のうち、ｎ側電極１４ｂが直接接続される発光部ユニット１０ｄがサージ吸収用として輝度が小さくなるように形成されている。なお、後述する直流駆動用にｐ側電極側しか存在しない場合（ｎ側電極が直接電極パッドに接続される発光部ユニットが存在しない場合）には、ｐ側電極側でも直接電極パッドに接続される発光部ユニットの輝度が低下するように形成される。
The reason why the luminance of the
図１（ａ）に示される例では、このサージ吸収用発光部ユニット１０ｄは、前述のように、ｎ形層の露出面積をｐ形層の残存面積よりも大きくなるようにすることにより、活性層を挟んだｐｎ接合の面積が小さくなり、輝度を小さくすることができる。このｎ形層の露出面積は、発光部ユニット１０全体の面積に対して、６０〜９０％程度、さらに好ましくは６５〜８０％程度にすることが好ましい。余り小さいと発光面積が増えて輝度を低下させる効果が少なくなり、余り大きすぎるとｐｎ接合部の面積が小さくなって、サージを充分に吸収することができなくなるからである。しかし、輝度を小さくする構造としては、このような構造にする必要はなく、ｐ形層の表面に光の透過を遮断する材料からなる膜を設けてもよく、たとえば後述する直流駆動用のように、この表面に電極パッドを形成してもよいし、ｐ側にショットキー電極を設けて空乏層を活性層まで延ばして輝度を低下させる構造にすることもできる。このような場合には、ｎ形層の露出面積を大きくする必要はない。
In the example shown in FIG. 1A, the surge absorbing
また、前述の例では、発光部ユニット１０が逆並列に接続された組を直列に接続して一対の電極パッド１７ａ、１７ｂ間に接続されているが、接続方法はこの例に限定されることはなく、たとえば図３（ａ）に示されるように、直列に接続した組が逆並列に接続されてもよく、これらがさらに並列に接続（図３（ａ）に示される構造）されてもよく、また、図３（ｂ）に示されるように、図１に示される接続構造がさらに並列に接続されてもよい。なお、図３では、後述する電極パッド１７ａ、１７ｂが独立して設けられるのではなく、ｎ側電極１４ｂと共用でｎ形層上に設けられている趣旨で書かれている。また、輝度を小さくした発光部ユニット１０ｄのダイオード記号に斜線を付してある。
Moreover, in the above-mentioned example, the group in which the
さらに、図１（ａ）に示される例では、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂの間に発光部ユニット１０の群が接続されているが、輝度を低くしたサージ吸収用の発光部ユニット１０ｄを、前述のようにｎ形層の露出面積を大きくして輝度を低下させる構造にすることにより、ｎ側電極１４ｂの面積を大きくすることができ、図１（ｂ）に示されるように、このｎ側電極１４ｂをそのまま電極パッド１７ａとしてワイヤボンディング用に用いることもできる。このような構造にすることにより、サージ吸収用の発光部ユニット１０ｄは、発光素子全体の輝度には殆ど寄与しないが、図１（ａ）に示される電極パッド１７ａ、１７ｂのスペースが不要となるため、その分発光部ユニット１０を作製することができ、サージ吸収用の発光部ユニット１０ｄを形成することにより生じるスペースの浪費も殆ど生じない。
Further, in the example shown in FIG. 1A, a group of light emitting
発光部ユニット１０の構造は、たとえば図２に一部の断面説明図が示されるように、たとえば窒化物半導体を用いた青色光または紫外光の発光をするように形成される。そして、図示されていないが、たとえばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）蛍光体やＳｒ-Ｚｎ-Ｌａ蛍光体などからなる発光色変換部材が設けられることにより、白色光を発光する発光素子にすることができ、しかも発光部ユニットを前述の図１（ａ）に示されるように、直並列に接続されるように配線することにより、交流の１００Ｖ電源で動作し得るように形成されてもよい。たとえば２個１組で２４組、合計４８個の発光部ユニット１０が形成され、発光素子チップの１個の大きさは、たとえば１.５ｍｍ×１.５ｍｍ程度の大きさに形成される。なお、直列に接続される複数個の発光部ユニット１０の動作電圧の合計が丁度１００Ｖなどの商用交流電源電圧にならない場合には、抵抗またはキャパシタが直列に接続されて調整される。しかし、このような構成には限定されず、たとえば赤、緑、青の３原色の発光部を形成して白色光になるようにすることもできるし、必ずしも白色光にする必要はなく、所望の発光色の発光部に形成することができるし、また、１００Ｖで動作するようにする必要もない。
The structure of the
ここに窒化物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部または全部がＡｌ、Ｉｎなどの他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなどの他のＶ族元素と置換した化合物（窒化物）からなる半導体をいう。 Here, the nitride semiconductor means a compound in which a group III element Ga and a group V element N or a part or all of a group III element Ga is substituted with other group III elements such as Al and In, and / or Alternatively, it refers to a semiconductor made of a compound (nitride) in which a part of N of the group V element is substituted with another group V element such as P or As.
基板１１としては、窒化物半導体を積層するには、サファイア（Ａｌ2Ｏ3単結晶）またはＳｉＣが一般的には用いられるが、これらに限定されるものではなく、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板が、積層される半導体層に応じて格子定数や熱膨張係数などの観点から選ばれることもある。図２に示される例では、サファイア（Ａｌ2Ｏ3単結晶）が用いられている。
As the
サファイア基板１１上に積層される半導体積層部１２は、たとえばＧａＮからなる低温バッファ層１２ａが０.００５〜０.１μｍ程度、ついでアンドープのＧａＮからなる高温バッファ層１２ｂが１〜３μｍ程度、その上にＳｉをドープしたｎ形ＧａＮからなるコンタクト層およびｎ形ＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなる障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）などにより形成されるｎ形層１２ｃが１〜５μｍ程度、バンドギャップエネルギーが障壁層のそれよりも小さくなる材料、たとえば１〜３ｎｍのＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなるウェル層と１０〜２０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とが３〜８ペア積層される多重量子井戸 （ＭＱＷ）構造の活性層１２ｄが０.０５〜０.３μｍ程度、ｐ形のＡｌＧａＮ系化合物半導体層からなるｐ形障壁層（バンドギャップエネルギーの大きい層）とｐ形ＧａＮからなるコンタクト層とによるｐ形層１２ｅが合せて０.２〜１μｍ程度、それぞれ順次積層されることにより形成されている。
The semiconductor laminated
図２に示される例では、アンドープで、半絶縁性のＧａＮからなる高温バッファ層１２ｂが形成されている。基板がサファイアのような絶縁性基板からなる場合には、必ずしも半絶縁になっていなくても基板まで後述する分離溝を形成すれば支障はないが、アンドープにした方が積層する半導体層の結晶性が良くなるため、さらには、半絶縁性半導体層が設けられていることにより、各発光部に電気的分離する際に、基板表面までを完全にエッチングしなくても、電気的に分離することができるため好ましい。基板１１がＳｉＣのような半導体基板からなる場合には、隣接する発光部間を電気的に分離させるため、アンドープで半絶縁性の高温バッファ層１２ｂが形成されることが各発光部を独立させるために必要となる。
In the example shown in FIG. 2, a high temperature buffer layer 12b made of undoped and semi-insulating GaN is formed. When the substrate is made of an insulating substrate such as sapphire, there is no problem if a separation groove described later is formed up to the substrate even if it is not semi-insulating. In addition, since a semi-insulating semiconductor layer is provided, when the light emitting portions are electrically separated, they are electrically separated without completely etching up to the substrate surface. This is preferable. When the
また、ｎ形層１２ｃおよびｐ形層１２ｅは、障壁層とコンタクト層の２種類で構成する例であったが、キャリアの閉じ込め効果の点から活性層１２ｄ側にＡｌを含む層が設けられることが好ましいものの、ＧａＮ層だけでもよい。また、これらを他の窒化物半導体層で形成することもできるし、他の半導体層がさらに介在されてもよい。さらに、この例では、ｎ形層１２ｃとｐ形層１２ｅとで活性層１２ｄが挟持されたダブルヘテロ接合構造であるが、ｎ形層とｐ形層とが直接接合するｐｎ接合構造のものでもよい。また、活性層１２ｄ上に直接ｐ形ＡｌＧａＮ系化合物層を成長したが、数ｎｍ程度のアンドープＡｌＧａＮ系化合物層を成長することにより、活性層１２ｄの下側にピット発生層を形成して活性層１２ｄにできたピットを埋め込みながら、ｐ形層とｎ形層との接触によるリークを防止することもできる。
In addition, the n-type layer 12c and the p-
半導体積層部１２上には、たとえばＺｎＯなどからなり、ｐ形半導体層１２ｅとオーミックコンタクトをとることができる透光性導電層１３が０.０１〜０.５μｍ程度設けられている。この透光性導電層１３は、ＺｎＯに限定されるものではなく、ＩＴＯやＮｉとＡｕとの２〜１００ｎｍ程度の薄い合金層でも、光を透過させながら、電流をチップ全体に拡散することができる。この半導体積層部１２の一部がエッチングにより除去されてｎ形層１２ｃが露出され、さらにそのｎ形層１２ｃの露出部の近傍で間隔ｄだけ離間してエッチングにより分離溝１２ｆが形成されている。この離間する部分は発光領域（長さＬ１の部分）としては寄与せずダミー領域１２ｇとなり、熱放散部、配線などの形成スペースなどとすることができ、目的に応じて間隔ｄは１〜５０μｍ程度の範囲内で設定される。この分離溝１２ｆは、ドライエッチングなどにより形成されるが、電気的に分離できる範囲で、できるだけ狭い幅ｗで形成され、０.６〜５μｍ程度、たとえば１μｍ程度（深さは５μｍ程度）に形成される。
On the semiconductor laminated
そして、透光性導電層１３上の一部に、ＴｉとＡｕとの積層構造により、ｐ側電極１４ａが形成され、半導体積層部１２の一部がエッチングにより除去されて露出するｎ形層１２ｃにオーミックコンタクト用のｎ側電極１４ｂが、Ｔｉ-Ａｌ合金などにより形成されている。図２に示される例では、このｎ側電極１４ｂが、０.４〜０.６μｍ程度の厚さに形成され、ｐ側電極１４ａとほぼ同程度の高さになるように形成されている。そして、このｐ側電極１４ａおよびｎ側電極１４ｂの表面が露出するように半導体積層部１２の露出する表面および分離溝１２ｆ内に、たとえばＳｉＯ2などからなる絶縁膜１５が設けられている。その結果、分離溝１２ｆで区切られた発光部ユニット１０が基板１１上に複数個形成されている。その絶縁膜１５の表面で、１個の発光部ユニット１０ａのｎ側電極１４ｂとその発光部ユニット１０ａと隣接する発光部ユニット１０ｂのｐ側電極１４ａとが配線膜１６により接続されている。この配線膜１６は、ＡｕまたはＡｌなどの金属膜を真空蒸着またはスパッタリングなどにより０.３〜１μｍ程度の厚さに形成されている。この配線膜１６は、たとえば図１または図３の等価回路図に示されるように、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂ間に各発光部ユニット１０が直列または並列の所望の接続になるように形成される。
Then, a p-
前述の各例では、２個を逆並列に接続した１組を直列に接続し、または直列に接続された組を逆並列に接続して、交流駆動が可能な接続構造になっていたが、ｐｎ接合は同一方向で直列および必要に応じてさらに並列に接続して直流駆動が可能な構造にすることもできる。その一例が図４に示されている。図４（ａ）に示される例は、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂ間にｐｎ接合が一定方向になるように複数個の発光部ユニット１０が直列に接続され、第１の（一方の）電極パッド１７ａ側には、発光部ユニット１０ｅのｐ側電極１４ａが接続される構造になっている。このように、ｐ側電極１４ａが第１の電極パッド１７ａと接続される発光部ユニット１０ｅも、その輝度を他の発光部ユニット１０より低下させる構造に形成されている。これは、第１の電極パッド１７ａには、プラスかマイナスのいずれのサージが入力するかは分らず、この構造でマイナスのサージが入力した場合、ｎ側電極が接続された発光部ユニットがないため、接続されている発光部ユニット１０ｅに電子が流れ込むことになり、前述と同様にｐｎ接合にダメージを与えることになるため、予め輝度を小さくしておいて、その影響を少なくするためである。
In each of the above-described examples, one set of two connected in antiparallel was connected in series, or the set connected in series was connected in antiparallel, so that the AC drive was possible. The pn junctions can be connected in series in the same direction and further in parallel as necessary so as to be capable of direct current drive. An example is shown in FIG. In the example shown in FIG. 4A, a plurality of light emitting
この第１の電極パッド１７ａ側に接続される輝度を低下させた発光部ユニット１０ｅも、前述の各例と同様に、ｎ形層の露出面積を大きくすることにより、その輝度を低下させることができる。しかし、第１の電極パッド１７ａと接続するのは、ｐ側電極であるため、狭い面積のｐ側電極１４ａを第１の電極パッド１７ａと共用することはできず、発光部ユニット１０ｅとは別に第１の電極パッド１７ａが独立して形成されている。一方、第２の（他方の）電極パッド１７ｂ側は、前述の各例と同様に、発光部ユニット１０ｄのｎ側電極１４ｂが接続される構造であるため、図１（ｂ）に示される例と同様に、輝度を低下させた発光部ユニット１０ｄのｎ側電極１４ｂと共用して第２の電極パッド１７ｂが設けられている。なお、この場合でも、発光部ユニット１０ｄのｎ側電極１４ｂとは別に第２の電極パッド１７ｂを形成して配線により接続する構造にすることもできる。
The light emitting unit 10e with reduced brightness connected to the
また、ｐ側電極１４ａや電極パッド１７ａは金属膜により形成されるため、発光部で発光した光を殆ど透過させることができず、表面がこれらの金属膜で覆われると、内部で反射して側面から放射される光が出てくるだけで、前述の発光そのものを減らす構造ほどではないが大幅に減衰させることができる。そのため、図４（ｂ）に示されるように、ｐ側電極が電極パッドと接続される発光部ユニット１０ｆを、通常の発光部ユニットと同様の構造で半導体積層部の形成およびエッチングをし、ｐ形層の露出部（実際には透光性導電層１８の露出部）の大部分にｐ側電極１４ａを形成することにより、電極パッド１７ａと兼用することもできる。
Further, since the p-
このような一方向のみに発光部ユニット１０が接続された直流駆動用の接続の場合でも、図５に等価回路図で示されるように、さらに並列に接続して全体の輝度を大きくする構造にすることができる。この場合には、一対の電極パッド１７ａ、１７ｂに直接接続される発光部ユニット１０ｄ（図ではダイオード記号に斜線を付してある）の全てに輝度を低下させる手段が施される構造にする必要がある。電極パッド１７ａ、１７ｂに直接接続される発光部ユニット１０ｄのどれにサージが流れ込むか分らないからである（全部に流れ込む場合が多い）。
Even in the case of connection for direct current driving in which the
以上のように、発光部ユニットを直並列に接続した発光素子でサージが入力した場合に、ｐｎ接合がダメージを受けて輝度は低下するが、ｐｎ接合そのものは維持してサージを吸収する性質があるという知見に基づいて、サージが入力する最初の発光部ユニットの輝度を予め小さくしておいて、サージが入力してｐｎ接合がダメージを受けてもそれ以上輝度が低下しないようにすることにより、サージの影響を殆ど受けることがなくなり、さらにサージによりダメージを受けたｐｎ接合もさらにつぎに入力するダメージに対してその波形を鈍らせる、すなわちサージを吸収する作用をする性質を利用しているため、サージに対して非常に信頼性の高い半導体発光素子となり、電灯や蛍光管などに代って用いられる室内の照明灯はもとより、屋外の信号機など種々の照明装置などに信頼性よく利用することができる。 As described above, when a surge is input from a light emitting element in which the light emitting unit is connected in series and parallel, the pn junction is damaged and the luminance is reduced, but the pn junction itself is maintained and absorbs the surge. Based on the knowledge that there is, by reducing the brightness of the first light emitting unit that the surge is input in advance so that the pn junction is damaged due to the surge being input, the brightness is not further reduced The pn junction damaged by the surge is almost unaffected by the surge, and the waveform is blunted against the next input damage, that is, the surge absorbing function is used. Therefore, it becomes a highly reliable semiconductor light-emitting device against surges, and it can be used not only for indoor lighting used instead of electric lamps and fluorescent tubes, but also for indoor lighting. It can be utilized such as various such as traffic lighting device reliably.
１０ 発光部ユニット
１０ｄ サージ吸収用発光部ユニット
１４ａ ｐ側電極
１４ｂ ｎ側電極
１６ 配線
１７ａ、１７ｂ 電極パッド
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