JP2010263174A - Light emitting diode of high-voltage drive - Google Patents
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Abstract
Description
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。The present invention relates to a light emitting diode structure that enables the light emitting diode to be driven at a high voltage.
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。A conventional LED has a structure as shown in FIG. A light emitting element made of GaAlN or the like is mounted on a package, an electrode is taken out through bonding to a bonding post, and the emitted ultraviolet light is applied to a phosphor to excite white light having a long wavelength. When visible light is directly generated, a phosphor is not necessary.
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。The operating voltage of these light emitting elements is about 2 volts for red light emitting diodes and about 5 volts for white light emitting diodes. In recent years, the use of white light-emitting diodes, which are desired to be used at a higher voltage, has been increasing as the use of white light emitting diodes has spread in place of light bulbs and fluorescent lamps for home use and for headlights for automobiles. When commercial power is used, the voltage is AC 100 volts or 200 volts, and for vehicles, the battery voltage is expected to increase from 100 volts to 300 volts with the spread of hybrid vehicles and electric vehicles. On the other hand, in the current usage method, an example in which the voltage is lowered to the voltage at which the light emitting diode is used is generally used. For this reason, loss occurs due to voltage conversion, the circuit becomes complicated, and the size reduction is restricted.
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。In any light emitting diode, the driving voltage is determined by the band gap voltage of the light emitting element and cannot be driven at a higher voltage. On the other hand, if there is a light-emitting diode that operates at a high voltage, it can be driven directly from a commercial AC power supply through a simple power supply circuit such as a smoothing circuit, and the drive current can be reduced accordingly. The circuit can be simplified. As a result, the cost of the power supply circuit and the drive circuit of the light emitting diode can be reduced, and the use range of the light emitting diode with high energy efficiency can be expanded. However, practically, such a light emitting diode operating at a high voltage has not been put into practical use.
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。In order to meet such needs, the present invention provides an element that can be driven at a high voltage by forming a plurality of light emitting portions that are electrically insulated on a substrate and connecting them in series. It is. For example, 22 light emitting elements are configured in series in order to directly drive a white light emitting element having a driving voltage of 4.5 volts at 100 volts. This makes it possible to drive one light emitting diode with a high voltage of 100 volts.
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。In general, a light emitting diode is provided with one light emitting portion in one light emitting diode. Intentionally, it is not necessary to separate the light-emitting portion, and separation is not performed because element space is wasted for separation.
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。In the present invention, a light emitting element on a substrate is separated into a plurality of electrically independent optical microcells, and these optical microcells are connected in series on the substrate so that they can be directly driven at a high voltage. .
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。If one size of the optical microcell is reduced, the number of optical microcells increases and the optical microcells can be arranged in series or in parallel to increase the degree of freedom of combination. Therefore, the space occupancy becomes high, and since this portion does not contribute to light emission, it is a loss in terms of effective use of the element area. That is, in general, an idea such as an optical microcell for separating a light emitting element portion formed on a substrate into a plurality of parts is not performed because of a large area loss.
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。In the present invention, the drive current can be kept low by connecting in series, the drive circuit can be simplified, and the optical microcell can be connected in series or in parallel. By taking advantage of the fact that the voltage can be set freely, the idea of the optical microcell and its practicality are made possible.
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。Since the light-emitting diode of the present invention can be driven even at a high voltage, an efficient light-emitting system can be provided by a simple power source for future industrial lighting. In the future, the present invention will have a significant impact on the industry when light-emitting diodes with high luminous efficiency are used in place of energy savings to replace household lamps.
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。The structure of the light-emitting diode of the present invention is shown in FIG. 21 is a package, 22 is a bonding post and an external lead, 23 is a cap, 24 is a light emitting element, 25 is a bonding wire, and 26 is a phosphor that converts ultraviolet light emitted from the light emitting element into visible light. When visible light is directly generated, a phosphor is not necessary.
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。As shown in FIG. 2B, the
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。The light-emitting
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。The size of the optical microcell is 0.15 mm in width and 0.1 mm in length, and the entire
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。FIG. 2-3 shows a cross-sectional view of the element of the present invention. This is a cross-sectional view taken along line X-X 'in FIG. The partial details are shown in FIG. 2-4, and FIG. 2-3 shows the X-X ′ cross-sectional view, that is, the cross sections of the fifth, sixth, 17th, and 18th optical microcells.
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。2-4 shows details of a sectional view of the fifth optical microcell which is the basic unit of the present invention. 50 is a substrate for forming a light emitting element, 51 is an insulating film such as SiO2, 52 is a light reflecting layer made of a highly conductive metal, 53 is a semiconductor made of n-type GaAlN, and 54 is a light emitting layer. , 55 is a semiconductor made of p-type GaAlN, 56 is a silicon oxide film SiO2 which is a transparent insulating film, and 57 is a transparent electrode such as ITO. The
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。FIG. 2-5 shows a plan view of the optical microcell.
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。Fig. 2-6 shows an example of connection between optical microcells. In the figure, the fourth, fifth, sixth and seventh optical microcells are connected.
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。2-7 and 2-8 show connection examples of the optical microcell and the N-type electrode and the P-type electrode, respectively. In FIG. 2-7, 80 is an element boundary, 81 is an N-type electrode made of Al, and 82 is an ITO film for connecting the ITO film on the n-electrode portion surface of the 22nd optical microcell and the
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。 An equivalent circuit diagram of the light emitting diode of the present invention is shown in FIG. It is characterized in that high-voltage driving is made possible by connecting 22 optical microcells in series with one optical microcell as a unit.
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。Applications of light emitting diodes are expanding for energy saving. In the automotive field, adoption has started for LED headlights for home use, LED bulbs for industrial use, and traffic lights for industrial use. Light-emitting diodes that are easy to use with high-voltage drive will be important components in the future.
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DESCRIPTION OF
34 ... n-
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JP2016157922A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 隆達電子股▲ふん▼有限公司 | Led chip package |
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2009
- 2009-05-11 JP JP2009132525A patent/JP2010263174A/en active Pending
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JP2016157922A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 隆達電子股▲ふん▼有限公司 | Led chip package |
US9659914B2 (en) | 2015-02-25 | 2017-05-23 | Lextar Electronics Corporation | Light-emitting diode chip package |
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