JP2000349342A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単色及びフルカラーの液晶パネル等を一様に
高輝度で発光させることができる半導体発光装置を提供
すること。 【解決手段】 化合物半導体を利用した発光素子１と、
この発光素子１より大きな形状を持ち且つ発光素子１の
少なくとも主光取り出し面からの光を取り込んで発光先
へ配光する配光ヘッド３とを備え、配光ヘッド３には、
発光素子１の主光取り出し面のほぼ法線方向への配光分
布を、前記法線とほぼ直交する方向への配光分布より小
さく設定可能な光透過構造を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば携帯電話
等の液晶表示部のバックライトやビデオカメラのビュー
ファインダー等のバックライトとして好適に利用できる
ようにした半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】携帯電話等の小型機器の表示部には小型
で消費電力も小さい液晶ディスプレイが広く利用されて
いる。この液晶ディスプレイは、液晶表示パネルの下に
バックライトを配置し、暗い場所でも画像が見えるよう
にしたものが主流である。また、ビデオカメラのビュー
ファインダーに備えるフルカラーの液晶表示画面にも同
様にバックライトを設けるのが通常である。

【０００３】携帯電話の液晶表示部は単色液晶としたも
のが一般的であり、表示面の面輝度を高くすることより
もむしろ表示面の全体から明暗の差がないように一様に
発光させることが必要である。このことから、従来の携
帯電話の分野では、光源としてチップＬＥＤを備えると
ともに液晶表示パネルに一様に光を配光させるための導
光板が組み込まれる。図７にこのような導光板を備える
バックライト構造の概略を示す。

【０００４】図７の（ｂ）に示すように液晶表示パネル
５１の下に透明アクリル板を利用した導光板５２を配置
し、この導光板５２の左側面のほぼ中央に対峙する位置
にチップ型の発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と記
す）５３を配置している。このＬＥＤ５３はその主光取
り出し面を導光板５２の中央部に向けた姿勢とし、側方
から抜ける光を導光板５２に向けて反射させるための反
射板５４を備えている。

【０００５】一方、フルカラーの液晶表示の場合では、
表示面全体の明るさを一様化するだけでなく面輝度を高
くする必要があるので、たとえば白色発光のＬＥＤを複
数個備えたものが多い。そして、液晶表示パネルに対す
る配光は単色発光の場合と同様に導光板によるもので、
図８にフルカラー液晶表示部のバックライト構造を示
す。

【０００６】図７の例と同様に液晶表示パネル５５の下
に導光板５６を配置し、この導光板５６の左側面に沿っ
て複数のＬＥＤ５７を配置している。このように複数の
ＬＥＤ５７を備えるのは、前述のように面輝度を高くす
るためである。そして、ＬＥＤ５７からの光を取り込む
導光板５６は拡散による配光だけでなく、液晶表示パネ
ル５５の縦断面をエッジ状としてその底面で全反射する
光を液晶表示パネル５５に入射させるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようなバックライ
ト用の光源として用いられるＬＥＤ５３，５７は、近来
では高輝度化が進み、特にＧａＮ系化合物半導体を利用
した緑色発光のものも多用されるようになった。

【０００８】ところが、図７の単色発光の液晶表示パネ
ル５１の場合、反射板５４を備えるものの１個のＬＥＤ
５３を光源とするので、ＬＥＤ５３に近い部分の配光分
布が高くなる。このため、導光板５２の図中の破線で示
す部分からの配光分布の高い光量がそのまま液晶表示パ
ネル５１に入射されるので、表示画面も幅方向に左端側
であって高さ方向のほぼ中央部分がほかの部分よりも明
るく光る。したがって、表示画像が鮮明な部分とそうで
ない領域とに別れてしまい、画像が見にくくなる。

【０００９】これに対し、ＬＥＤの数を増やして導光板
５２の左端に沿って配置したり、右端にも備えたりすれ
ば、液晶表示パネル５１の画面全体は明るくなる。しか
しながら、ＬＥＤの配置数を増やしても、ＬＥＤに近い
部分の配光分布が高くなることに変わりはないので、液
晶表示パネル５１の画面全体の輝度の一様化はきわめて
難しい。また、複数のＬＥＤを組み込むのでは配線等も
含めて占有スペースが大きくなるため、表示画面の拡大
も図れず、機器の小型化にも制約を受けるほか、消費電
力も増えてしまう。

【００１０】また、図８の例では、導光板５６の側面か
ら入射した光の拡散と底面からの全反射を有効に活用し
て液晶表示パネル５５の輝度を上げるために、複数のＬ
ＥＤ５７を備えている。しかし、ビューファインダ用と
して用いる場合では、ＬＥＤ５７は白色発光として対応
させることが必要である。この白色発光のＬＥＤは、た
とえば高輝度の青色発光の素子に蛍光物質を利用して波
長変換した黄または黄緑の発光と素子自身の青色発光と
の合成によって白色を得るというものなので、発光効率
は低い。したがって、消費電力が増えるほか、ＬＥＤ５
７やその配線のためのスペースの確保の面で難点があ
る。また、ＬＥＤ５７自身の発光効率だけでなく、導光
板５６とＬＥＤ５７が一体化されていない場合は導光板
５６を介して間接的に液晶表示パネル５５に発光を入射
させるので、導光板５６の開口角すなわちＬＥＤ５７の
光が導光板５６に入る光量に制限があり、光の損失が生
じる。そして、導光板５６を通過する間の光量の減衰も
伴うので、高輝度化が損ねられることになる。

【００１１】このように、従来のバックライト構造では
チップ型のＬＥＤ５３，５７の光をそのまま導光板５
２，５６に入射させるので、液晶表示パネル５１，５５
の画面には輝度むらが発生し、画面全体を一様に高輝度
化できないという問題がある。

【００１２】本発明は、単色及びフルカラーの液晶表示
パネル等を一様に高輝度で発光させることができる半導
体発光装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、化合物半導体
を利用した発光素子と、前記発光素子より大きな形状を
持ち且つ前記発光素子の少なくとも主光取り出し面から
の光を取り込んで発光先へ配光する配光ヘッドとを備
え、前記配光ヘッドは、前記発光素子の主光取り出し面
のほぼ法線方向への配光分布を、前記法線とほぼ直交す
る方向への配光分布より小さく設定可能な光透過構造を
備えていることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、化合物半
導体を利用した発光素子と、前記発光素子より大きな形
状を持ち且つ前記発光素子の少なくとも主光取り出し面
からの光を取り込んで発光先へ配光する配光ヘッドとを
備え、前記配光ヘッドは、前記発光素子の主光取り出し
面のほぼ法線方向への配光分布を、前記法線とほぼ直交
する方向への配光分布より小さく設定可能な光透過構造
を備えていることを特徴とする半導体発光装置であり、
点光源状の発光素子からの光であっても配光ヘッドを通
して配光先へ均一な光の照射が得られるという作用を有
する。

【００１５】請求項２に記載の発明は、前記配光ヘッド
は、底面のほぼ中央に設けたキャビティに前記発光素子
を没入させて前記発光素子と一体化する光透過性のコア
と、前記コアの少なくとも上面を被覆するスクリーンと
を備え、前記スクリーンには、前記発光素子との間の距
離が大きくなるにつれて光透過面積を大きくした光透過
部を形成してなる請求項１記載の半導体発光装置であ
り、スクリーンに設ける孔やスリット等を光透過部とし
てその大きさを調整するだけで、発光先への光の照射量
を設定できるという作用を有する。

【００１６】以下に、本発明の実施の形態の具体例を図
面を参照しながら説明する。

【００１７】図１は本発明の半導体発光装置の詳細であ
って、（ａ）はプリント配線基板に実装したときの切欠
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向に見た切欠図で
ある。

【００１８】図において、半導体発光装置は発光素子１
と、これを搭載するサブマウント素子２と、配光ヘッド
３とから構成されたものである。

【００１９】発光素子１はたとえばＧａＮ系化合物半導
体を利用した緑色発光のもので、透明のサファイアを利
用した基板１ａにＧａＮのｎ型層及びｐ型層を積層形成
し、これらの層のそれぞれの表面にｎ側電極１ｂ及びｐ
側電極１ｃを形成したものである。そして、発光素子１
はフリップチップ型としてアセンブリされ、基板１ａ側
を主光取り出し面としてサブマウント素子２に実装され
ている。

【００２０】サブマウント素子２は、たとえばシリコン
ウエハーから形成されたシリコン基板２ａの表面にｎ電
極２ｂとｐ電極２ｃとをそれぞれ形成したものである。
このサブマウント素子２には、発光素子１のｎ側電極１
ｂをｐ電極２ｃに及びｐ側電極１ｃをｎ電極２ｂにそれ
ぞれバンプ電極４ａ，４ｂによって導通させて、発光素
子１が搭載固定される。

【００２１】配光ヘッド３は直方体状の透明のガラスを
利用したコア３ａと、左右の側面及び下端側を除いてコ
ア３ａを被覆するスクリーン３ｂと、コア３ａの底面に
貼り付けた２枚の電極３ｃ，３ｄとから構成されたもの
である。コア３ａは底面の中央部に円弧状に切欠したキ
ャビティ３ａ−１を形成したもので、このキャビティ３
ａ−１の中に発光素子１を埋没させて、キャビティ３ａ
−１の内面と発光素子１との隙間に樹脂を充填して埋め
る。また、電極３ｃ，３ｄはアルミニュウムの薄膜を用
いたもので、図２の（ｂ）の底面図に示すように、コア
３ａの長辺方向の中間で区分けして形成されている。そ
して、サブマウント素子２のｎ電極２ｂを一方の電極３
ｃ及びｐ電極２ｃを他方の電極３ｄに対応させ、それぞ
れ２個ずつのバンプ電極５ａ，５ｂによってサブマウン
ト素子２と配光ヘッド３とが一体に連結される。

【００２２】スクリーン３ｂは電極３ｃ，３ｄと同様に
アルミニュウムの薄膜層であり、コア３ａの上面とその
長辺側の両側面の下端部を除いてコア３ａを被覆してい
る。そして、図２の（ａ）の平面図に示すように、コア
３ａの上面を被覆している部分には発光素子１からの光
を通すための透過孔３ｂ−１を多数開けている。これら
の透過孔３ｂ−１は、スクリーン３ｂの長辺方向にみ
て、中央部では１個、その左右には２個、更にその左右
には４個ずつのものを２列配置したパターンとなってい
る。すなわち、スクリーン３ｂの中央部では透過孔３ｂ
−１の分布数が少なく、端部に向かうに連れて多くなる
分布であり、発光素子１に近い中央部では透過孔３ｂ−
１は１個であり、中央部から少し離れた左右の部分では
２個であり、端部側では４個ずつの２列の配置となって
いる。

【００２３】このようなスクリーン３ｂをコア３ａに被
膜することで、発光素子１の光は配光ヘッド３のコア３
ａの長手方向の両端面の全面から図１の（ａ）の矢印方
向に放射される。また、配光ヘッド３の上面の中央部で
は、発光素子１に近くてスクリーン３ｂに開けた透過孔
３ｂ−１の個数は少ないので、配光ヘッド３の中央部分
では小さい発光面積から強い光が放射される。そして、
配光ヘッド３の中央部から離れた部分では、発光素子１
から遠ざかる一方で透過孔３ｂ−１の分布数は増えてい
るので、大きな発光面積から弱い光が放射される。すな
わち、配光ヘッド３の上面の中央部では強い光であるが
光量分布は小さく、端部側では弱い光であるが光量分布
は大きい。したがって、発光素子１を配光ヘッド３の中
央の底面側に配置していても、配光ヘッド３の上面から
均一な光の照射分布として放射することができる。この
ように、発光素子１の主光取り出し面（図１の（ａ）及
び（ｂ）において発光素子１の上面）のほぼ法線方向へ
の配光分布に比べて、この法線方向とほぼ直交する向き
への配光分布を強くすることにより、配光先への光の照
射量を均一化することができる。

【００２４】発光素子１をサブマウント素子２に搭載
し、このサブマウント素子２を配光ヘッド３に一体化し
たアセンブリの半導体発光装置は、図１の（ａ）に示す
ようにプリント配線基板６の表面に実装される。このプ
リント配線基板６はサブマウント素子２を落とし込むた
めの装着孔６ａを開けるとともに導通用の配線パターン
（図示せず）を表面に形成したものである。そして、導
電性接着剤６ｂを配光ヘッド３の電極３ｃ，３ｄと配線
パターンとの間に介在させて、配光ヘッド３をプリント
配線基板６に導通固定し、これによりプリント配線基板
６と発光素子１とを導通させることができる。

【００２５】なお、プリント配線基板のかわりにリード
フレームを用いてもよい。

【００２６】図３は本発明の半導体発光装置を液晶表示
装置と組み合わせた例の概略であって、（ａ）は液晶表
示パネルを除いて示す要部の平面図、（ｂ）は（ａ）の
Ｂ−Ｂ線矢視方向に見た図である。

【００２７】従来例でも示したように、液晶表示パネル
７の下に導光板８が配置され、この導光板８の左側面の
中央部に対応する位置に半導体発光装置が配置されてい
る。なお、導光板８は透明のアクリル板であり、その底
面に発光素子からの入射光を液晶表示パネル７側に反射
させる微小な凹凸パターンを形成したものである。プリ
ント配線基板６に保持された半導体発光装置は、配光ヘ
ッド３を導光板８の左端面の一部を切り欠いた切欠の中
に埋め込まれ、この配光ヘッド３の長手方向の両端を挟
む位置にある導光板８の側面によって反射面９ａ，９ｂ
を形成している。

【００２８】以上の構成において、プリント配線基板６
からの通電によって発光素子１が発光し、その光はキャ
ビティ３ａ−１（図１の（ａ），（ｂ）参照）から透明
ガラス製のコア３ａに取り込まれる。コア３ａは、図１
の（ａ）で説明したように長手方向の両端面の全面、ス
クリーン３ｂの透過孔３ｂ−１、及びスクリーン３ｂが
被覆していないコア３ａの底面部のそれぞれを光の放出
部とする。コア３ａの両端面からの光は、反射面９ａ，
９ｂ側に向かいこの反射面９ａ，９ｂで反射されて配光
ヘッド３から離れた部分の導光板８内に送り込まれる。
また、スクリーン３ｂの透過孔３ｂ−１を抜けて導光板
８方向に向かう光は、先に説明したように、配光ヘッド
３の上面の中央部では強い光であるが光量分布は小さ
く、端部側では弱い光であるが光量分布は大きくなるの
で、均一な光の照射分布として放射される。そして、配
光ヘッド３の底面側に抜けようとする光は、アルミニュ
ウムの電極３ｃ，３ｄで反射される成分となるが、その
殆どはコア３ａの長手方向の両端面及び透過孔３ｂ−１
から放出される光に合流する。

【００２９】このような配光ヘッド３による光の配光性
では、発光輝度の高い発光素子１を用いても、導光板８
の中央部分だけが突出して明るくなるようなことはな
く、導光板８のほぼ全体に光を拡散させることができ
る。したがって、導光板８からの光によって照明される
液晶表示パネル７の画面にも明度のばらつきがなく、画
面全体を均一な明るさとして表示できる。

【００３０】図４及び図５はフルカラーの液晶表示に最
適な半導体発光装置の例である。なお、発光素子１，サ
ブマウント素子２，プリント配線基板６のそれぞれの構
成及び導通構造は図１に示したものと同様であり、同じ
部材については共通の符号で指示し、その詳細な説明は
省略する。

【００３１】サブマウント素子２を導通固定する配光ヘ
ッド１０は、キャビティ１０ａ−１を底面側の中心に形
成した透明ガラス製のコア１０ａを正方形の平面形状と
して形成したものである。コア１０ａの底面にはプリン
ト配線基板６とサブマウント素子２とを導通させるアル
ミニュウムの薄膜を利用した電極１０ｂ，１０ｃを形成
し、上面には同様にアルミニュウム薄膜によるスクリー
ン１０ｄを設けている。スクリーン１０ｄは図５の
（ａ）に示すように、発光素子１の中心に位置合わせし
たスポット状の透過孔１０ｄ−１とその周りに年輪状に
配列した環状及び円弧状の透過スリット１０ｄ−２を形
成し、これらの透過孔１０ｄ−１と透過スリット１０ｄ
−２をコア１０ａからの光の放出路としたものである。
透過孔１０ｄ−１はその開口面積が最小であり、透過ス
リット１０ｄ−２は中心から離れるにつれて開口面積が
増えるような関係としている。

【００３２】また、コア１０ａの四方の側面はいずれも
剥き出しとしたもので、これらの側面からそのまま光が
放出される。したがって、スクリーン１０ｄによる透過
路のパターンと合成すると、配光ヘッド１０の中心部で
は強い光が小さい発光面積から放射され、四方の側面に
いくに従い弱い光が大きな発光面積から放射され、先の
例と同様にスクリーン１０ｄの上面から均一な照射分布
として光が放射される。なお、コア１０ａの四方の側面
の前面からかなり強い光が放射される。

【００３３】図６は図４及び図５の半導体発光装置をフ
ルカラーの液晶表示装置と組み合わせた例の概略であっ
て、（ａ）は液晶表示パネルを除いて示す要部の平面
図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視による縦断面図であ
る。

【００３４】図６の（ｂ）に示すように、フルカラーの
液晶表示パネル１１の下方に、配光ヘッド１０の上面を
対向させて半導体発光装置が配置され、その周りに反射
フード１２を設けている。この反射フード１２は、配光
ヘッド１０の周りを囲む平面部１２ａと、配光ヘッド１
０の四方の側面に対向する配置とした４面の傾斜面１２
ｂとの組合せとしたものである。

【００３５】このような構成において、通電によって発
光素子１が発光すると、キャビティ１０ａ−１からの光
がコア１０ａに取り込まれる。コア１０ａは、スクリー
ン１０ｄの透過孔１０ｄ−１及び透過スリット１０ｄ−
２と、スクリーン１０ｄが被覆していないコア１０ａの
四方の側面を光の放出部とする。四方の側面からの光は
反射フード１２の傾斜面１２ｂに達してから液晶表示パ
ネル１１側へ反射され、透過孔１０ｄ−１及び透過スリ
ット１０ｄ−２からは直接光が液晶表示パネル１１に照
射される。このとき、透過孔１０ｄ−１及び透過スリッ
ト１０ｄ−２の分布により、先に説明したようにスクリ
ーン１０ｄの上面からは均一な照射分布として光が放射
される。そして、たとえば配光ヘッド１０及び反射フー
ド１２の寸法は形状を最適化することによって、コア１
０ａの四方の側面からの強い光が反射フード１２の傾斜
面１２ｂから反射した反射光の光量分布を、配光ヘッド
１０の上面からの光量分布と同じ程度に設定できる。し
たがって、液晶表示パネル１１の中央部分だけが突出し
て高輝度になることはなく、液晶表示パネル１１の画面
にも明度のばらつきがなく、画面全体を均一な明るさと
して表示できる。

【００３６】また、従来のように導光板の側面から光源
からの光を入射させるのではなく、発光素子１からの光
は配光ヘッド１０のコア１０ａを中間的な発光体として
液晶表示パネル１１に入射される。このため、発光素子
１の発光強度を減衰させることなく液晶表示パネル１１
の照明に充てることができ、高輝度の照明光が得られ
る。したがって、液晶表示パネル１１の画面全体を高輝
度でしかも一様な明るさで照明でき、高輝度が必要とさ
れるフルカラーの液晶表示装置に好適に利用できる。

【００３７】

【発明の効果】本発明では、発光素子からの光を液晶表
示装置などのバックライト用の光源として利用すると
き、液晶表示面を均一な明るさで照明することができ、
表示画像が見やすくなる。また、配光ヘッドからの光を
直に液晶表示装置の裏面側に入射させるようなアセンブ
リとすれば、画面の明るさの均一さだけでなく輝度も上
げることができ、フルカラーの液晶表示装置のバックラ
イトとして最適に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体発光装置の詳細であって （ａ）はプリント配線基板に実装したときの切欠図 （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向に見た切欠図

【図２】（ａ）は図１の半導体発光装置の平面図 （ｂ）は図１の半導体発光装置の底面図

【図３】図１及び図２の半導体発光装置を液晶表示装置
に組み込んだときの概略図であって （ａ）は液晶表示パネルを除いて示す平面図 （ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視方向に見た図

【図４】フルカラーの液晶表示装置に好適な半導体発光
装置の例を示す切欠図

【図５】（ａ）は図４の半導体発光装置の平面図 （ｂ）は底面図

【図６】図４及び図５の半導体発光装置をフルカラーの
液晶表示装置に組み込んだときの概略であって （ａ）は液晶表示パネルを除いて示す要部の平面図 （ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視による要部の縦断面図

【図７】導光板による配光の従来例であって （ａ）は要部の概略平面図 （ｂ）は液晶表示パネルを含めて示す正面図

【図８】フルカラーの液晶表示装置における導光板によ
る配光の従来例であって （ａ）は概略平面図 （ｂ）は液晶表示パネルを含めて示す正面図

【符号の説明】

１ 発光素子 １ａ 基板 １ｂ ｎ側電極 １ｃ ｐ側電極 ２ サブマウント素子 ２ａ シリコン基板 ２ｂ ｎ電極 ２ｃ ｐ電極 ３ 配光ヘッド ３ａ コア ３ａ−１ キャビティ ３ｂ スクリーン ３ｂ−１ 透過孔 ３ｃ，３ｄ 電極 ４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ バンプ電極 ６ プリント配線基板 ６ａ 装着孔 ６ｂ 導電性接着剤 ７ 液晶表示パネル ８ 導光板 ９ａ，９ｂ 反射面 １０ 配光ヘッド １０ａ コア １０ａ−１ キャビティ １０ｂ，１０ｃ 電極 １０ｄ スクリーン １０ｄ−１ 透過孔 １０ｄ−２ 透過スリット １１ 液晶表示パネル １２ 反射フード １２ａ 平面部 １２ｂ 傾斜面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体を利用した発光素子と、前
   記発光素子より大きな形状を持ち且つ前記発光素子の少
   なくとも主光取り出し面からの光を取り込んで発光先へ
   配光する配光ヘッドとを備え、前記配光ヘッドは、前記
   発光素子の主光取り出し面のほぼ法線方向への配光分布
   を、前記法線とほぼ直交する方向への配光分布より小さ
   く設定可能な光透過構造を備えていることを特徴とする
   半導体発光装置。
2. 【請求項２】 前記配光ヘッドは、底面のほぼ中央に設
   けたキャビティに前記発光素子を没入させて前記発光素
   子と一体化する光透過性のコアと、前記コアの少なくと
   も上面を被覆するスクリーンとを備え、前記スクリーン
   には、前記発光素子との間の距離が大きくなるにつれて
   光透過面積を大きくした光透過部を形成したことを特徴
   とする請求項１記載の半導体発光装置。