JPH1154799A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造工程や実装時などのハンドリング時に静
電気が印加されたり、逆方向電圧が印加されても、損傷
や破壊を生じにくくすると共に、従来の発光素子の性能
や製造コストに影響を殆ど及ぼすことがない半導体発光
素子を提供する。 【解決手段】 並置して設けられる第1および第2のリ
ード1、2と、該第1および第2のリードの両方に亘っ
てその先端部に設けられた湾曲状の凹部7と、該凹部内
の前記第1のリードにボンディングされる発光素子チッ
プ3と、該発光素子チップの第1および第2の電極をそ
れぞれ前記第1および第2のリードと電気的に接続する
接続手段(金線4)と、前記凹部内の第2のリードにボ
ンディングされ、前記第1および第2のリード間に電気
的に接続されて前記発光素子チップの少なくとも逆方向
電圧に対して前記発光素子チップを保護する保護素子
(ツェナーダイオード5)とからなっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は保護素子が設けられ
ている半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、交流
電圧駆動または静電気などにより発光素子に逆方向電圧
や所定の電圧以上の順方向電圧が印加される場合にも発
光素子がその静電気などにより破壊しにくいように保護
素子が設けられている半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、半導体発光素子は、p形層とn形
層とが直接接合してpn接合を形成するか、その間に活
性層を挟持してダブルヘテロ接合を形成して構成され、
p形層とn形層との間に順方向の電圧が印加されること
により、pn接合部または活性層で発光する。このよう
な発光素子は、たとえば図6に示されるように、半導体
の積層体からなる発光素子チップ(以下、LEDチップ
という)3が第1のリード1の先端にボンディングさ
れ、一方の電極が第1のリード1と電気的に接続され、
他方の電極が第2のリード2と金線4などにより電気的
に接続されてその周囲がLEDチップ3の光に対して透
明な樹脂パッケージ6により覆われることにより形成さ
れている。
【0003】このような発光素子は、ダイオード構造に
なっているため、逆方向の電圧が印加されても電流が流
れない整流作用を利用して、直流電圧を両電極間に印加
しないで交流電圧を印加することにより、交流で順方向
電圧になる場合にのみ電流が流れて発光する光を利用す
る使用方法も採用されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】通常の半導体発光素子
は、一般にGaAs系やGaP系やチッ化ガリウム系な
どの化合物半導体が用いられているが、これら化合物半
導体を用いた場合には逆方向に印加される電圧に対して
弱く、半導体層が破壊することがある。とくに、チッ化
ガリウム系化合物半導体においては、その逆方向の耐圧
が50V程度と低く逆方向の印加電圧に対してとくに破
壊しやすいこと、またバンドギャップエネルギーが大き
いため、GaAs系などを用いた発光素子より動作電圧
も4V程度と高くなること、などのため交流電圧の印加
で半導体発光素子が破損したり、その特性が劣化すると
いう問題がある。
【0005】また、交流電圧を印加する駆動でなくて
も、外部からサージ電圧などの大きな電圧が印加される
場合、チッ化ガリウム系化合物半導体では順方向電圧で
も150V程度で破壊されやすいという問題がある。
【0006】これらの逆方向電圧や静電気の印加に対す
る破壊を防止するため、半導体発光素子が組み込まれる
回路内で、半導体発光素子と並列で半導体発光素子と逆
方向にツェナーダイオードを組み込むことが行われる場
合もある。しかし、回路内に組み込まれる前の製造工程
や出荷に伴う搬送工程、または回路基板に組み込む際な
どのハンドリング時に静電気で破壊したり、外部回路で
LEDの他にダイオードなどを組み込むスペースや工数
を必要とするという問題がある。
【0007】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、製造工程や搬送工程、または回路基板
への実装時などのハンドリング時に静電気が印加されて
も、また交流駆動などに伴う逆方向電圧が印加される場
合にも、損傷や破壊を生じにくくすると共に、従来の発
光素子の性能や製造コストに影響を殆ど及ぼすことがな
い半導体発光素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、並置して設けられる第1および第2のリード
と、該第1および第2のリードの両方に亘ってその先端
部に設けられた湾曲状の凹部と、該凹部内の前記第1の
リードにボンディングされる発光素子チップと、該発光
素子チップの2つの電極をそれぞれ前記第1および第2
のリードと電気的に接続する接続手段と、前記凹部内の
第2のリードにボンディングされ、前記第1および第2
のリード間に電気的に接続されて前記発光素子チップに
印加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素
子チップを保護する保護素子とからなっている。
【0009】さらに、並置して設けられる第1および第
2のリードと、該第1のリードの先端部に設けられた平
面形状が楕円状で湾曲状に形成された凹部と、該凹部内
に並置してマウントされる発光素子チップおよび保護素
子と、該発光素子チップおよび保護素子の電極をそれぞ
れ前記第1および第2のリードと電気的に接続する接続
手段とを有し、前記保護素子は前記発光素子チップに印
加され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子
チップを保護するように前記第1および第2のリード間
に電気的に接続される構造とすることもできる。
【0010】ここに保護素子とは、発光素子チップに印
加され得る逆方向電圧を短絡したり、発光素子チップの
動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧をショー
トさせ得る素子を意味し、ツェナーダイオードやトラン
ジスタのダイオード接続、MOSFETのゲートとソー
スまたはドレインとを短絡した素子またはこれらの複合
素子、ICなどを含む。また、接続手段とは、金線や導
電性接着剤などにより接続し得る手段を意味する。
【0011】この構造にすることにより、保護素子は発
光素子チップと共に同じ湾曲状の凹部内にマウントされ
るため、ほぼ同じ高さのところで近接しており、発光素
子チップと保護素子とのダイボンディングおよびワイヤ
ボンディングを同時に行うことができ、工数増にならな
い。しかも、同じ凹部ないでワイヤボンディングをする
ことができるため、ワイヤボンディングが容易になり、
また第1および第2のリードに亘って凹部が形成される
場合には、凹部の側壁を越えてワイヤボンディングをす
る必要がなく、ワイヤのタッチ不良などの虞れもない。
さらに、広い凹部内で反射した光を全て利用することが
できるため、発光部には従来と何等の変化をもたらすこ
となく、容易に保護素子をランプ型の半導体発光素子内
に内蔵することができる。
【0012】前記保護素子は、該保護素子の表面が前記
発光素子チップの表面より低くなるように設けられてい
ることにより、発光素子チップから横方向に進んだ光を
凹部の内壁で上方に反射させることができるため、光の
取出し効率が向上して好ましい。
【0013】前記発光素子チップがチッ化ガリウム系化
合物半導体からなり、前記保護素子がツェナーダイオー
ドであれば、とくに逆電圧に弱く、また順方向でも高電
圧の印加に弱いチッ化ガリウム系化合物半導体が用いら
れる半導体発光素子において、逆方向電圧やサージ電圧
などの印加に対して保護されるため好ましい。とくに保
護素子としてツェナーダイオードが用いられることによ
り、発光素子チップに順方向にサージなどの高電圧が印
加されてもツェナーダイオードのツェナー特性により、
発光素子チップにダメージを与えることなく保護される
と共に、通常の動作には何等の異常を来さない。ここに
チッ化ガリウム系化合物半導体とは、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からなる半導体をいう。
【0014】
【発明の実施の形態】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。
【0015】本発明の半導体発光素子は、その一実施形
態の平面および断面の説明図が図1に示されるように、
第1および第2のリード1、2が並置されており、その
第1および第2のリード1、2の先端部に両方のリード
に亘って連続する湾曲状の凹部7が形成されている。そ
の凹部7内の第1のリード1にLEDチップ3がボンデ
ィングされて、LEDチップ3の一方の電極、たとえば
n側電極は第1のリード1と電気的に接続され、他方の
電極、たとえばp側電極が第2のリード2と金線4など
の接続手段によりそれぞれ電気的に接続されている。さ
らに、凹部7内の第2のリード2に保護素子であるツェ
ナーダイオードチップ5がボンディングされ、第1およ
び第2のリード1、2間にLEDチップ3と逆方向にな
るように電気的に接続されている。そして、その周囲が
樹脂パッケージ6により覆われている。
【0016】第1および第2のリード1、2は、鉄材ま
たは銅材からなる厚さが0.4〜0.5mm程度の板状体
をパンチングにより打ち抜き、第1および第2のリード
1、2の上部から円錐型のポンチなどによりスタンピン
グすることにより、その先端部に両方のリード1、2に
亘って椀型の凹部7が形成されている。このスタンピン
グの際、両リード1、2の間隙部にジグを挿入しておく
ことにより、間隙部が押し潰されることなく、外側に広
がって両リード1、2に連続した湾曲状の凹部7が形成
される。この凹部7は従来第1のリード1のみに形成さ
れていたものを両方のリードに跨がって形成しているた
め、両方のリード1、2の間隔を広げることなく、すな
わち発光素子としての樹脂パッケージ6を大きくするこ
となく、凹部7を大きく形成することができる。なお、
製造段階では第1および第2のリード1、2の下端部は
リードフレームの枠部で連結されている。
【0017】LEDチップ3は、たとえば青色系(紫外
線から黄色)の発光色を有するチップの一例の断面図が
図4に示されるように形成される。すなわち、たとえば
サファイア(Al2 3 単結晶)などからなる基板31
の表面に、GaNからなる低温バッファ層32が0.0
1〜0.2μm程度、クラッド層となるn形層33が1
〜5μm程度、InGaN系(InとGaの比率が種々
変わり得ることを意味する、以下同じ)化合物半導体か
らなる活性層34が0.05〜0.3μm程度、p形のA
lGaN系(AlとGaの比率が種々変わり得ることを
意味する、以下同じ)化合物半導体層35aおよびGa
N層35bからなるp形層(クラッド層)35が0.2
〜1μm程度、それぞれ順次積層されて、その表面に電
流拡散層37を介してp側電極38が形成されている。
また、積層された半導体層33〜35の一部が除去され
て露出したn形層33にn側電極39が設けられること
により形成されている。
【0018】ツェナーダイオードチップ5は、通常のシ
リコン半導体などからなり、不純物濃度の高い半導体の
pn接合に大きい逆方向電圧を印加すると電子がトンネ
ル効果によってpn接合を通って流れる現象を利用した
ものである。この逆方向の電流が流れ始める電圧(ツェ
ナー電圧)はその不純物濃度により設定される。したが
って、このツェナー電圧をLEDチップ3の動作電圧よ
り高い所定の電圧に設定しておき、LEDチップ3とツ
ェナーダイオードチップ5とが並列で逆方向になるよう
に第1および第2のリード1、2に接続することによ
り、LEDチップ3の動作に支障を来すことはない。
【0019】このLEDチップ3およびツェナーダイオ
ードチップ5が図1に示されるように、凹部7の底部の
第1のリード1および第2のリード2にそれぞれ銀ペー
ストなどの接着剤によりボンディングされ、前述のよう
に、LEDチップ3のn側電極39とp側電極38(図
4参照)が第1のリード1および第2のリード2と、ツ
ェナーダイオードチップ5の正電極が第1のリード1と
それぞれ金線4により連結されて電気的に接続されてい
る。なお、ツェナーダイオードチップ5の負電極は導電
性接着剤により直接第2のリード2と電気的に接続され
ている。LEDチップ3も上下両面にそれぞれn側電極
およびp側電極が設けられる構造のものであれば、一方
の電極はLEDチップが導電性接着剤によりダイボンデ
ィングされることにより、ワイヤボンディングの必要な
く電気的に接続される。そして、ツェナーダイオードチ
ップ5を含めたこれらの周囲がLEDチップ3により発
光する光を透過する透明または乳白色のエポキシ樹脂な
どによりモールドされることにより、樹脂パッケージ6
で被覆された本発明の半導体発光素子が得られる。樹脂
パッケージ6は、図1に示されるように、発光面側が凸
レンズになるようにドーム形状に形成されることによ
り、ランプタイプの発光素子が得られる。
【0020】この例では、凹部7の底部は第1および第
2のリード1、2で同じ高さになっていたが、図2に示
されるように、保護素子5が設けられる第2のリード2
の底部を低くするか、保護素子5の高さをLEDチップ
3の高さより低く形成することにより、LEDチップ3
から横方向に出射した光を凹部7の内壁で効率よく上方
に反射させることができるため好ましい。凹部7の底部
に段差を設ける場合は、段差の付いたポンチによりスタ
ンピングすることにより簡単に形成することができる。
なお、図1と同じ部分には同じ符号を付してある。ま
た、段差を設けるか否かに拘らず、保護素子5の部分に
白色塗料などの反射しやすい絶縁物質で被覆したり、椀
型形状になるように反射物質を塗布して上方に光を集光
しやすいようにすることもできる。
【0021】図3は、本発明の半導体発光素子さらに他
の実施形態を示す断面説明図である。すなわちこの例で
は、凹部を第1および第2のリード1、2に亘って設け
るのではなく、第1のリード1の先端のみに平面形状が
楕円形状で、湾曲状の凹部11が形成され、その凹部1
1内にLEDチップ3およびツェナーダイオードチップ
5がマウントされ、それぞれの電極が第1のリード1と
第2のリード2に前述と同様の接続関係になるように金
線4により電気的に接続されている。この構造でも、同
じ凹部内で2つのチップをワイヤボンディングにより接
続することができる。
【0022】本発明の半導体発光素子によれば、ツェナ
ーダイオードチップが内蔵されて、図5にその等価回路
図が示されているように、LEDチップ3と並列にツェ
ナーダイオードチップ5がその極性がLEDチップ3と
逆になるように接続されている。そのため、LEDチッ
プ3を駆動する電源が交流電源であっても、LEDチッ
プ3に順方向の電圧になる位相のときは、ツェナーダイ
オードチップ5には逆方向電圧でツェナー電圧より低い
電圧であるため電流は流れず、LEDチップ3に電流が
流れて発光する。また、交流電源がLEDチップ3に逆
方向の電圧になる位相のときは、ツェナーダイオードチ
ップ5を介して電流が流れる。そのため、交流電圧がL
EDチップ3に対して逆方向の電圧の位相となるときで
も、LEDチップ3には逆方向の電圧は殆ど印加されな
い。また、静電気が印加される場合、その静電気がLE
Dチップ3の逆方向であればツェナーダイオードチップ
5を介して放電し、LEDチップ3に順方向である場合
はその電圧がツェナー電圧より高ければツェナーダイオ
ードチップ5を介して放電するためLEDチップ3を保
護し、ツェナー電圧より低ければLEDチップ3を介し
て放電するが、その電圧は低い電圧であるためLEDチ
ップ3を損傷することはない。その結果、逆方向の電圧
や静電気のサージに対して弱いLEDチップ3であって
もLEDチップ3に高い電圧が印加されず、LEDチッ
プ3を破損したり、劣化させたりすることがない。
【0023】一方、本発明の半導体発光素子では、ツェ
ナーダイオードチップ5が第1および第2のリード1、
2の先端部の両方に跨がって、または第1のリード1の
みに平面形状が楕円形状で大きく形成された凹部7、1
1内にLEDチップ3と共にマウントされているため、
LEDチップ3のダイボンディングおよびワイヤボンデ
ィングと一緒に、同じ工程で行うことができる。しか
も、両方のリードに跨がって凹部7が設けられている場
合は、全体を大きくすることなくその凹部7を大きくす
ることができ、両方のチップおよびワイヤが接触する虞
れはなく、余裕をもってダイボンディングおよびワイヤ
ボンディングをすることができる。さらに、両方のリー
ドに亘って凹部が設けられることにより、凹部7の側壁
を越えて他のリードとのワイヤボンディングをする必要
がないため、一層ワイヤボンディングの信頼性も向上す
る。またLEDチップ3の横方向から出射する光は凹部
の内壁で反射して上方に進み、大きくした凹部全体で発
光しているように放射され、明るい発光素子が得られ
る。その結果、コスト上昇や発光特性の低下をもたらす
ことなく保護素子を内蔵した半導体発光素子が得られ
る。
【0024】前述の例では、保護素子としてツェナーダ
イオードチップを用いたが、チップでなくてパッケージ
ングされた製品状のものを使用してもよい。また、ツェ
ナーダイオードでなくても通常のダイオードでも、LE
Dチップに対する逆方向の電圧に対して保護することが
できる。さらに、ダイオードでなくても、トランジスタ
をダイオード接続したものや、MOSFETのゲートと
ソースまたはドレインとを接続したもの、またはこれら
を組み合わせてツェナーダイオードと同様に両方向に保
護する複合素子またはICなど、ダイオードと同様にL
EDチップを保護することができる素子であればよい。
【0025】また、前述の例では、発光素子としてチッ
化ガリウム系化合物半導体を用いた青色系の半導体発光
素子であったが、チッ化ガリウム系化合物半導体はとく
に逆方向の電圧や高電圧により破壊されやすいため効果
が大きい。しかし、これに限定されるものではなく、G
aAs系、AlGaAs系、AlGaInP系、InP
系などの赤色系や緑色系の発光素子についても、保護素
子が設けられることにより同様に逆方向電圧や静電気に
対して強い半導体発光素子が得られる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、発光素子を構成する2
本のリードの端部の両方に跨って、または1本のリード
で平面形状が楕円状の凹部が形成され、その凹部内にL
EDチップと保護素子とがマウントされているため、製
造工数増や、素子サイズの増加を伴うことなく、また発
光素子の発光特性に何等の変化を来すことなく保護素子
を内蔵した半導体発光素子が得られる。その結果、逆方
向電圧の印加や静電気による高電圧の印加に対しても損
傷することがなく、信頼性が大幅に向上すると共に、半
製品や製品の状態での取扱もアースバンドの使用や静電
気除去の特別な注意を払う必要がなくなり、作業効率が
大幅に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体発光素子の一実施形態の平面お
よび断面の説明図である。
【図2】本発明の半導体発光素子の他の実施形態の断面
説明図である。
【図3】本発明の半導体発光素子のさらに他の実施形態
の説明図である。
【図4】図1のLEDチップの一例の断面説明図であ
る。
【図5】図1の半導体発光素子の接続関係の等価回路図
である。
【図6】従来の半導体発光素子の一例の斜視説明図であ
る。
【符号の説明】
1 第1のリード 2 第2のリード 3 LEDチップ 4 金線 5 ツェナーダイオードチップ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 並置して設けられる第1および第2のリ
    ードと、該第1および第2のリードの両方に亘ってその
    先端部に設けられた湾曲状の凹部と、該凹部内の前記第
    1のリードにマウントされる発光素子チップと、該発光
    素子チップの2つの電極をそれぞれ前記第1および第2
    のリードと電気的に接続する接続手段と、前記凹部内の
    第2のリードにマウントされ、前記第1および第2のリ
    ード間に電気的に接続されて前記発光素子チップに印加
    され得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チ
    ップを保護する保護素子とからなる半導体発光素子。
  2. 【請求項2】 並置して設けられる第1および第2のリ
    ードと、該第1のリードの先端部に設けられた平面形状
    が楕円状で湾曲状に形成された凹部と、該凹部内に並置
    してマウントされる発光素子チップおよび保護素子と、
    該発光素子チップおよび保護素子の電極をそれぞれ前記
    第1および第2のリードと電気的に接続する接続手段と
    を有し、前記保護素子は前記発光素子チップに印加され
    得る少なくとも逆方向電圧に対して前記発光素子チップ
    を保護するように前記第1および第2のリード間に電気
    的に接続されてなる半導体発光素子。
  3. 【請求項3】 前記保護素子は、該保護素子の表面が前
    記発光素子チップの表面より低くなるように設けられて
    なる請求項1または2記載の半導体発光素子。
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