JP5193271B2 - 複数の発光セルが配列された発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、交流駆動型発光素子に関し、特に、ブリッジ整流回路が形成された交流駆動型発光素子に関する。

従来の交流駆動型発光素子は、図１に示すように、基板１０００上にそれぞれ直列で連結された複数個の発光セルからなる第１の発光セルブロック１２００ａと第２の発光セルブロック１２００ｂを有し、その第１の発光セルブロック１２００ａと第２の発光セルブロック１２００ｂは、互いに異なる方向に両電極１６００ａ、１６００ｂから２列で配列、すなわち、逆並列で連結されている。他の従来の交流駆動型発光素子は、図２に示すように、発光セルブロック１２００及び４個のダイオード１４００で構成されたブリッジ整流回路を有する。

図１に示すような従来の逆並列型発光素子は、整流回路を有さず、交流電圧印加時、第１の発光セルブロック１２００ａと第２の発光セルブロック１２００ｂが交互に点灯される。このような逆並列型発光素子は、第１の発光セルブロック１２００ａと第２の発光セルブロック１２００ｂのいずれか一つのみで点灯動作されるので、単位面積当たりの光放出効率が低いという問題があった。

図２に示すような従来の発光素子は、単位面積当たりの光効率を向上させるために、ブリッジ整流回路と発光セルブロック１２００が連結される。しかしながら、このような従来の発光素子は、ブリッジ整流回路のダイオード１４００に逆電圧印加され、それが過電圧である場合、その過電圧により損傷し、動作しなくなるという問題点があった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためのものであり、ブリッジ整流回路を備えるが、そのブリッジ整流回路に設けられたダイオードの大きさ及び／又は個数の調整を通じて、輝度及び／又は動作の信頼性を効果的に向上させることができる発光素子を提供することを技術的課題とする。

本発明の他の技術的課題は、ブリッジ整流回路を備えるが、ダイオードの大きさを定め、その定められた大きさの下で調整されたダイオードの個数により、輝度及び／又は動作の信頼性が効果的に向上することができる発光素子を提供することにある。

本発明による発光素子は、アレイ状に配置され且つ直列に連結された複数個の発光セルを有する発光セルブロックと、直列に接続された複数のダイオードをそれぞれ有する第１から第４ダイオードブロックを有するブリッジ整流回路とを備え、前記第１ダイオードブロックの一端のダイオードと前記第３ダイオードブロックの一端のダイオードと前記発光セルブロックの一端の発光セルとが接続され、前記第２ダイオードブロックの一端のダイオードと前記第４ダイオードブロックの一端のダイオードと前記発光セルブロックの他端の発光セルとが接続され、前記第１ダイオードブロックの他端のダイオード及び前記第２ダイオードブロックの他端と、前記第３ダイオードブロックの他端のダイオード及び前記第４ダイオードロックの他端と、の間に交流電源の順方向電圧が印加されると、前記第２ダイオードと前記第３ダイオードとがオン状態となり、前記交流電源の逆方向電圧が印加されると、前記第１ダイオードと前記第４ダイオードとがオン状態となり、前記第１から前記第４ダイオードブロックは前記発光セルブロックに隣接し前記発光セルブロックを取り囲んで配置されている。

好ましくは、前記複数のダイオードの個数は、前記発光セルブロック内の前記発光セルの個数の１００〜２００％である。

好ましくは、前記複数のダイオードの個数は、前記発光セルブロック内の前記発光セルの個数の１００〜１３０％である。

好ましくは、前記複数のダイオードの大きさは、前記発光セルの大きさの８０％以下である。

好ましくは、前記発光セルブロック及びブリッジ整流回路は、同一の基板上に形成される。

本発明によると、交流駆動型発光素子を作製するにあたって、ブリッジ整流回路に設けられるダイオードの大きさ及び個数の調整を通じて、前記交流駆動型発光素子の輝度の向上と、動作の信頼性の向上が容易に具現され、さらには、ダイオードの大きさを一定の大きさ以下にし、そのダイオードの個数を調整することにより、前記発光素子の輝度と信頼性を大きく向上させることができる。

従来の逆並列型発光素子の概念図である。 従来のブリッジ整流回路が形成された発光素子の概念図である。 本発明による発光素子の平面図である。 本発明による発光素子の等価回路図である。 本発明による発光素子の製造方法を説明するための図である。 本発明による発光素子の製造方法を説明するための図である。 本発明による発光素子の製造方法を説明するための図である。

以下、添付した図面に基づき、本発明の実施例について詳述する。
しかしながら、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態に具現され、但し、本実施例は、本発明の開示が完全になるようにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面上の同一の符号は、同一の要素を指す。

図３は、本発明による発光素子の平面図であり、図４は、図３の等価回路図である。
本発明による発光素子は、図３に示すように、基板１００と、発光セルブロック１４０と、ブリッジ整流回路１２０と、配線２６０とを備える。前記発光セルブロック１４０は
、前記基板１００上に設けられたまま、直列で連結された複数個の発光セル１４１からなる。前記ブリッジ整流回路１２０は、前記基板１００上に設けられたまま、前記発光セルブロック１４０の周辺部を取り囲む複数個のダイオード１２１からなる。前記発光セルブロック１４０とブリッジ整流回路１２０は、配線２６０により連結される。この際、前記発光素子は、前記ブリッジ整流回路１２０に外部電源を印加し、ブリッジ整流回路１２０により直流に整流された常時印加電流を、発光セルブロック１４０に印加するための電極１６０をさらに備えてもよい。

前記発光セルブロック１４０は、外部電源の印加の際に、光を放出する主発光源であり、複数個の発光セル１４１で構成される。前記発光セルブロック１４０は、発光素子の輝度増加のために、前記基板１００の略中央領域に形成されることが好ましい。また、前記発光セル１４１のそれぞれの横及び縦の長さは、略５０〜５００μｍである。

前記複数のダイオード１２１は、外部から印加される交流電源を常時印加正弦波に整流させるブリッジ整流回路１２０を構成し、このような複数のダイオード１２１としては、一般のダイオードのみならず、発光ダイオードが用いられ得る。

前記ブリッジ整流回路１２０内において、各ノードとノード間には、複数個のダイオード１２１が設けられる。すなわち、前記ブリッジ整流回路１２０は、ダイオード１２１の集合である第１のダイオードブロック１２０ａと、第２のダイオードブロック１２０ｂと、第３のダイオードブロック１２０ｃと、第４のダイオードブロック１２０ｄとを有して構成される。この際、前記ブリッジ整流回路１２０は、４つのダイオードブロックのうち、２つのダイオードブロックから光が放出されるので、発光セルブロック１４０よりも発光素子の全体の輝度に与える影響が少ない。したがって、前記ダイオード１２１の大きさが発光セル１４１の大きさの８０％以下となるようにすることにより、大きさが限定された基板１００上にさらに多数の発光セル１４１が形成され、発光セル１４１の個数の増加は、発光素子の全体の輝度を上昇させる。また、前記ブリッジ整流回路１２０は、発光セルブロック１４０よりも光量は少ないが、４つのうち２つのダイオードブロックから光を常時放出するので、発光素子の輝度をさらに上昇させることができる。

前記ダイオード１２１が、略前記発光セル１４１の個数の１００〜１３０％程度と、前記発光セル１４１の個数よりも多いと、発光素子に逆バイアス電圧がかかるとき、ダイオード１２１の破壊が効率的に防止され、それと同時に、ダイオード１２１の大きさが相対的に小さく維持されるとしても、全体の発光効率に及ぼす影響が相対的に少ないので、発光素子の適正発光効率は維持され得る。しかし、ダイオード１２１の数が発光セル１４１よりも多過ぎると、かえって発光素子の発光効率を減少させることができ、発光セルの駆動電圧があまりにも上昇し、消耗電力が上昇することもあり得る。したがって、前記ダイオード１２１の個数は、発光セル１４１の個数の２００％を越えないことが好ましい。

前記配線２６０は、発光セル１４１とダイオード１２１を連結するためのものであり、通常、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成される。この際、前記配線２６０は、ブリッジ工程、ステップカバレッジ又は一般のワイヤボンディング工程等で形成されてもよい。

以下、このように構成された発光素子の動作を、図３及び図３の等価回路図である図４を参照して説明する。
本発明によるブリッジ整流回路１２０が設けられた発光素子は、４つで構成された電極１６０のうち第１の電極１６０ａと第３の電極１６０ｃに外部の交流電源が印加されると、順方向電圧である場合、第２のダイオードブロック１２０ｂと第３のダイオードブロック１２０ｃは、オン状態となり、第１のダイオードブロック１２０ａと第４のダイオード
ブロック１２０ｄは、オフ状態となる。したがって、第１のダイオードブロック１２０ａは、第１の電極１６０ａに印加された電流に対して逆バイアスであるので、電流が流れず、電流は、前記第２のダイオードブロック１２０ｂに流れるようになる。また、前記第２のダイオードブロック１２０ｂに流れた電流は、第４のダイオードブロック１２０ｄに対して逆バイアスであるので、発光セルブロック１４０に流れるようになる。以降、発光セルブロック１４０に印加された電流は、第３のダイオードブロック１２０ｃに出るようになる。

前記第１の電極１６０ａと第３の電極１６０ｃに印加された電圧が逆方向電圧である場合、第１のダイオードブロック１２０ａと第４のダイオードブロック１２０ｄは、オン状態となり、第２のダイオードブロック１２０ｂと第３のダイオードブロック１２０ｃは、オフ状態となる。したがって、印加された電流は、第３のダイオードブロック１２０ｃに流れず、第４のダイオードブロック１２０ｄに流れる。第４のダイオードブロック１２０ｄに流れた電流に対して、第２のダイオードブロック１２０ｂは逆バイアスであるので、電流は、第２の電極１６０ｂを経て、発光セルブロック１４０に流れるようになる。以降、電流は、第１のダイオードブロック１２０ａに出るようになる。

すなわち、順方向電圧であるとき、第２のダイオードブロック１２０ｂと第３のダイオードブロック１２０ｃがオンされ、逆方向電圧を阻止し、逆方向電圧であるとき、第１のダイオードブロック１２０ａと第４のダイオードブロック１２０ｄがオンされ、逆方向電圧を順方向電圧に切り替えるようになる。それにより、外部から印加された交流電圧は、全波整流となる。

以下、このような構造の発光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。
以下、上述した発光素子の製造方法を、図５乃至図７を参照して説明する。先ず、基板１００上に、ドープされていない窒化ガリウム（ＧａＮ）層（図示せず）をバッファ層として形成する。前記バッファ層上に、Ｎ型半導体層２００、活性層２２０、及びＰ型半導体層２４０を順次に結晶成長させる（図５）。この際、Ｐ型半導体層２４０上に、透明電極層（図示せず）をさらに形成してもよい。それぞれの層は、上述した物質を蒸着するための様々な蒸着方法により形成させる。

以降、マスクを用いたフォトエッチング工程を行って基板１００を露出させ、それぞれのセルが電気的に分離されるようにする（図６）。すなわち、前記マスクをエッチングマスクとするエッチング工程を通じて、Ｐ型半導体層２４０、活性層２２０、Ｎ型半導体層２００の一部を除去し、基板１００を露出させる。この際、マスクは、感光膜を用いて形成し、基板１００の中央領域に横及び縦の長さがそれぞれ５０〜５００μｍである発光セル１４１を形成し、前記発光セル１４１を取り囲むダイオード１２１を発光セルの大きさの８０％以下にし、正方形又は長方形の形状に形成する。この際、前記ダイオード１２１の個数は、発光セル１４１の個数以上に形成し、好ましくは、発光セル１４１の個数の１００〜２００％に形成する。しかし、損失対比の発光素子の輝度を考慮して、発光セル１４１の個数の１２０〜１３０％に形成することがさらに好ましい。

一方、上記したエッチング工程は、ウェットエッチング、ドライエッチング工程を行うことができ、本実施例では、プラズマを用いたドライエッチングを行うことが好ましい。
前記工程を行った後、各発光セルのＮ型半導体層２００が露出するように、Ｐ型半導体層２４０及び活性層２２０をエッチングする。上述のように、単一のマスクを用いてエッチングを行ってもよいが、それぞれ異なるマスクを用いてエッチングを行ってもよい。すなわち、基板１００を露出させる第１のマスクを用いた第１のエッチングを行ってから、Ｎ型半導体層２００を露出させるために、Ｐ型半導体層２４０及び活性層２２０の所定の領域を露出させる第２のマスクを用いた第２のエッチングを行ってもよい。

前記マスクを除去してから、露出したＮ型半導体層２００上にＮ−電極（図示せず）を形成し、Ｐ型半導体層２４０上にＰ−電極（図示せず）を形成する。
以降、前記Ｎ型半導体層２００上のＮ−電極と、隣接したＰ型半導体層２４０上のＰ−電極を、所定のブリッジ工程又はステップカバレッジ等を用いて配線２６０で連結することにより、図３のような発光素子を完成する（図７）。この際、前記Ｐ型半導体層２４０上にＰ−電極が透明電極として形成される場合、透明電極の一部をフォト工程でエッチングし、Ｐ型半導体層２４０を露出させ、Ｐ型ボンディングパッド（図示せず）が形成されてもよい。

上述では、互いに同一の基板１００上に発光セル１４１とダイオード１２１を形成することを例示しているが、本発明は、これに限定されず、様々な変更が可能である。例えば、別途に作製された単位素子を基板上に実装して発光素子を作製してもよい。また、本発明の実施例による発光素子は、四角形の基板上に発光セル１４１とダイオード１２１を形成し、その全体的な形状が四角形であるが、これに限定されず、ひし形であってもよい。しかし、発光素子の用途及び製造上の便宜に応じて、様々な形状に作製され得る。

本発明の権利は、上述した実施例に限定されず、請求の範囲に記載内容により定義され、本発明の技術の分野における通常の知識を有する者が、請求の範囲に記載の権利範囲内で、様々な変形と改作を行うことができるのは自明である。

１００ 基板
１２０ ブリッジ整流回路
１２１ ダイオード
１４０ 発光セルブロック
１４１ 発光セル
１６０ 電極
２００ Ｎ型半導体層
２２０ 活性層
２４０ Ｐ型半導体層
２６０ 配線

Claims (5)

1. 基板上に、アレイ状に配置され且つ直列に連結された複数個の発光セルを有する発光セルブロックと、直列に接続された複数のダイオードをそれぞれ有する第１から第４ダイオードブロックを有するブリッジ整流回路と、がモノリシックに形成され、
   前記基板は、４つの頂点と４つの辺とを有し、前記４つの頂点それぞれは前記４つの辺のうちの２つの辺を隣接させ、
   前記第１ダイオードブロックの一端のダイオードと前記第３ダイオードブロックの一端のダイオードと前記発光セルブロックの一端の発光セルとが接続され、
   前記第２ダイオードブロックの一端のダイオードと前記第４ダイオードブロックの一端のダイオードと前記発光セルブロックの他端の発光セルとが接続され、
   前記第１ダイオードブロックの他端のダイオード及び前記第２ダイオードブロックの他端と、前記第３ダイオードブロックの他端のダイオード及び前記第４ダイオードロックの他端と、の間に交流電源の順方向電圧が印加されると、前記第２ダイオードと前記第３ダイオードとがオン状態となり前記発光セルブロックの前記他端から前記発光セルブロックの前記一端へ電流が流れ、前記交流電源の逆方向電圧が印加されると、前記第１ダイオードと前記第４ダイオードとがオン状態となり前記発光セルブロックの前記他端から前記発光セルブロックの前記一端へ電流が流れ、
   前記第１から第４ダイオードブロックのそれぞれは、前記基板の有する隣接する２つの辺に沿って配置され前記第１から前記第４ダイオードブロックは前記発光セルブロックに隣接し前記発光セルブロックを取り囲んで配置されていることを特徴とする発光素子。
2. 前記複数のダイオードの個数は、前記発光セルブロック内の前記発光セルの個数の１００〜２００％であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記複数のダイオードの個数は、前記発光セルブロック内の前記発光セルの個数の１００〜１３０％であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
4. 前記複数のダイオードの大きさは、前記発光セルの大きさの８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
5. 前記複数のダイオードの少なくとも１つ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４のいずれか一項に記載の発光素子。

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