JP2010263174A

JP2010263174A - Light emitting diode of high-voltage drive

Info

Publication number: JP2010263174A
Application number: JP2009132525A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Usami; 保宇佐見
Original assignee: MTEC KK
Current assignee: MTEC KK
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To overcome the problem that a drive voltage of a light emitting element depends on a bandgap voltage of the light emitting element, that of a red light emitting diode is about 2 volts, and that of a white light emitting diode is 4-6 volts; and, when commercial power is used, it must be used by being converted to a low voltage in both the cases; and conversion loss occurs and a current converter is required. <P>SOLUTION: A plurality of light emitting elements are formed on one light emitting diode substrate to be electrically isolated from one another, and the plurality of light emitting elements are serially connected to one another, thereby increasing the drive voltage of the light emitting diode. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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.

従来の発光ダイオードの構造を示す構成図 Configuration diagram showing the structure of a conventional light emitting diode 本発明の発光ダイオードの構造を示す構成図 Configuration diagram showing structure of light-emitting diode of the present invention

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 light emitting element 24 of the present invention has 22 optical microcells connected in series. Reference numeral 30 denotes the entire light emitting element, 31 denotes a P-type electrode, 32 denotes an N-type electrode, 33 denotes a p-electrode portion of the eleventh optical microcell, and 34 denotes an n-electrode portion thereof.

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 element 30 is composed of 24 × 4 × 6 microcells, two of which are occupied by the P electrode 31 and the N electrode 32, and each of the microcells 1 to 22 is an electric number. It is an optical microcell having the function of an isolated light emitting diode.

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 light emitting element 30 is 0.6 mm in width and 0.6 mm in length. The element shown in the wafer state is shown as being cut out into one light emitting element.

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. Reference numeral 40 denotes a transparent conductive film, which is a transparent conductive film such as ITO (indium oxide) that connects the p-electrode portion 41 of the sixth optical microcell and the n-electrode portion 42 of the fifth optical microcell. Similarly, 43 is a transparent conductive film for connecting the n-electrode portion of the 17th optical microcell and the p-electrode portion of the 18th optical microcell.

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 light emitting layer 54 emits light by injecting a current from the p-type GaAlN 54 to the n-type GaAlN 53. The light emitting portion is insulated from other optical microcells by the SiO 2 oxide film 56.

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. Reference numeral 60 denotes an n-type GaAlN semiconductor boundary, and reference numeral 61 denotes an n-electrode transparent conductive film boundary. 62 is a boundary of the p-type GaAlN semiconductor, and 63 is a boundary of the transparent conductive film of the p electrode portion. In the drawing, a cross-sectional view taken along line YY ′ corresponds to FIG.

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. Reference numeral 70 denotes an ITO film for connecting the n-type semiconductor portion of the fourth optical microcell and the p-type semiconductor portion of the fifth optical microcell. Reference numeral 71 denotes an ITO film for connecting the n-type semiconductor portion 72 of the fifth optical microcell and the p-type semiconductor portion 73 of the sixth optical microcell. These ITO films can be formed simultaneously with the ITO film formed on the surface of the p-type part and the surface of the n-part part of the optical microcell.

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 Al electrode 81. It is. These ITO films are formed simultaneously. 2-8, 90 is an element boundary, 91 is a P-type electrode made of Al, and 92 is an ITO film for connecting the ITO film on the surface of the p-electrode part of the first optical microcell and the Al electrode. It is. These ITO films are formed simultaneously.

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.

産業上の利用の可能性Industrial applicability

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 SYMBOLS 1 ... Package 2 ... Bonding post and external lead 3 ... Cap 4 ... Light emitting element 5 ... Bonding wire 6 ... Phosphor 7 ... Border of n-type semiconductor layer 8 ... P-type semiconductor layer boundary 9... Light emitting element boundary 10... N-type semiconductor electrode part 11... P-type semiconductor electrode part 12. ··· Al pad portion of p-type electrode 14 ··· substrate 15 of light-emitting element ··· metal reflection layer 16 · · · n-type semiconductor 17 · · · light-emitting layer 18 · · · p-type semiconductor 21 ··· package 22・・・ Bonding post and external lead 23 ・・・ Cap 24 ・・・ Light emitting element 25 ・・・ Bonding wire 26 ・・・ Phosphor 30 ・・・ Light emitting element 31 ・・・ P-type electrode 32 ・・・N-type electrode 33 ... 11th optical microphone P-electrode part of Locell,
34 ... n-electrode part 40 of the 11th optical microcell, ... ITO film 41 between the optical microcells, ... ITO film 42 of the p-electrode part of the 6th optical microcell ... 5th light ITO film 43 of the n-electrode part of the microcell ... Optical inter-cell connecting ITO film 50 ... Substrate 51 of the light emitting element ... SiO2 oxide film 52 ... Metal reflective film 53 ... n-type GaAlN semiconductor 54... Emission layer 55... P-type GaAlN semiconductor 56... SiO2 insulating film 57... ITO transparent electrode 60... N-type GaAlN semiconductor boundary 61. Boundary 62... P-type GaAlN semiconductor boundary 63... P-electrode ITO film boundary 70... Optical microcell connection ITO film 71... Optical microcell connection ITO film 72. Second optical micro ITO film 73 of the n electrode portion of the electrode electrode ... ITO film of the p electrode portion of the sixth optical microcell 80 ... Boundary 81 of the N type electrode 81 ... N type electrode 82 ... N type electrode and 22nd Connection with the n-electrode part of the optical microcell 90 ... P-type electrode boundary 91 ... P-type electrode 92 ... Connection between the P-type electrode and the p-electrode part of the first optical microcell

Claims

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。It has a structure in which a plurality of light emitting elements are electrically separated on the same substrate on which the light emitting diode is formed, and at least a part of these light emitting elements are connected in series so that the drive voltage is higher than that of the light emitting element alone. A light emitting diode characterized by a higher height.