JP2007142152A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体を使用した場合の白色光の色度ばらつきを小さくすることが可能な半導体発光装置を提供する。
【解決手段】半導体発光装置１０は、蛍光体１と、導光体２と、パッケージ３と、発光素子４とを備える。発光素子４から放射される第１の色の光は、導光体２の一部である凹レンズ部２Ｌを通過して拡散され、導光体２の表面に層状に塗布または貼り付けられた蛍光体１に入射する。入射した第１の色の光は蛍光体１を励起し、入射光より波長の長い第２の色の光が蛍光体１から放射される。半導体発光装置１０は、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、第１の色の光と第２の色の光との混合光の色度を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体発光装置に関し、特に、液晶表示装置のバックライトユニットなどに用いられる半導体発光装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）を用いて、照明用、バックライトユニット用などの白色光源を作り出す研究開発が進められている。ＬＥＤによって白色光源を作る方法の例として、蛍光材を用いる方法、単色発光のＬＥＤを複数用いる方法などが挙げられる。蛍光材を用いる方法では、青紫色または青色のＬＥＤ（Ｂチップ）の放射光を黄色、緑色、赤色等に変換する蛍光体を使用して白色を作り出す。単色発光のＬＥＤを複数用いる方法では、例えば、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤのうち、複数のＬＥＤを点灯させて白色を作り出す。

しかしながら、どちらの方法においても、所望の色度および発光強度を得ることは実際には困難である。

前者の蛍光材を用いる方法では、紫外から青色の発光ダイオードの輝度にばらつきがあるのに加えて、蛍光体の塗布ばらつきによって色度が大きく異なってくる。さらに、蛍光材を用いた白色光源がいったん製品化されると、色度の調整は事実上不可能である。後者の複数の発振波長を用いる方法については、たとえば特許文献１〜４に開示されている。

特許文献１は、単色の発光ダイオードに流れる順方向電流を制御して発光色調を制御することにより、発光ダイオードの個々の色調のばらつきを補正することができる色調調整回路およびその回路を備えた発光ダイオード表示装置を開示している。

特許文献２は、発光ダイオードに供給する電流のレベルおよびオン時間とオフ時間との比率を制御することによって、照明光の色度および輝度を調整することができる照明装置を開示している。

特許文献３は、複数個の発光ダイオードの発光時間を記憶する時間メモリ回路と、時間メモリ回路の記憶情報に基づいて発光ダイオードの発光時間を変化させる制御部とを含み、複数個の発光素子が発光して得られる光の白色バランスを時間メモリ回路の記憶情報を書き換えることによって調整するカラー表示装置を開示している。

特許文献４は、それぞれ別個の電源を備える赤色、緑色および青色の各複数のＬＥＤと、すべてのＬＥＤの光出力を測定するように構成されたフォトダイオードとを含み、白色光を発するＬＥＤ照明器具を開示している。

また、特許文献５では、パルス電流で駆動する駆動回路を含み、パルス電流の平均電流値および／またはデューティ比を変化させて、放射する光の色温度および／または輝度を調整する白色発光ダイオードの駆動装置について述べられている。しかし、蛍光体を使用した白色発光ダイオードにおいて、駆動電流が変化すると色温度が変化する具体的な説明がなされていない。また、駆動電流が変化すると色温度が変化することを示す測定データは開示されているものの、測定データのばらつきが大きい。

ここでは、特許文献１に開示された従来の色調調整回路について、図面を参照して詳しく説明する。図５は、従来の色調調整回路１００の構成を示した回路図である。

図５を参照して、従来の色調調整回路１００は、ＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）を用いた発光ダイオード１０１と、可変抵抗１０２と、トランジスタ１０３と、パルス幅変調回路（以下、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路と称す）１０４とを備える。発光ダイオード１０１、可変抵抗１０２およびトランジスタ１０３は、この順番で電源ノードＶｃｃと接地ノードとの間に直列接続されている。ＰＷＭ回路１０４は、トランジスタ１０３のベースに接続され、当該ベースを介してトランジスタ１０３にパルス幅が変調された駆動電圧を印加する。

従来の色調調整回路１００は、可変抵抗１０２の抵抗値を調整することで、発光ダイオード１０１に流れる順電流の値を調整している。これにより、発光ダイオード１０１の色調を調整することができる。また、色調調整回路１００は、ＰＷＭ回路１０４により上記順電流のパルス幅（時間幅）を変化させてディーティ比を調整している。これにより、発光ダイオード１０１の光度を調整することができる。

以上のように、特許文献１〜５に開示された従来技術では、発光素子ごとに流れる電流量を調整して所望の色度を作り出し、駆動電圧のパルス幅またはデューティ比を変化させて発光強度を調整している。これは、一般的な発光ダイオードの特性として、流れる電流量が変化すると発振波長の変動が起こり、その結果として色度が変化するためである。そのため、いったん色度を決めると電流値は変化させず、代わりに点灯時間を変化させて発光素子の輝度を変えるのが一般的である。

なお、発光強度は調整せずに色度だけを調整するのであれば、各発振波長の発光ダイオードの点灯時間の割合を変えることによっても可能である。特許文献６は、色度補正用の発光ダイオードを別に設け、その発光強度を電流値で変化させて色度を調整する照明装置および液晶表示装置を開示している。
特開２００１−２７２９３８号公報 特開２００２−３２４６８５号公報 特開２００４−８６０８１号公報 特表２００２−５３３８７０号公報 特開２００２−１３４２８４号公報 特開２００１−２０９０４９号公報

しかしながら、従来技術のように蛍光体の励起スペクトル（すなわち発光効率）を考慮しないで蛍光体を用いる方法では、変換効率が波長に依存するため、蛍光体の励起波長と発光素子の波長とが適当でないと放射光の強度に大きなばらつきが生じる。

図６は、ＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet）蛍光体の代表的な励起スペクトルおよび放射スペクトルを示した図である。図６において、横軸は励起光または放射光の波長（ｎｍ）、縦軸は励起光または放射光の強度（任意単位）を示している。

図６を参照して、点線の曲線Ｅ１はＹＡＧ蛍光体の励起スペクトルを示し、実線の曲線Ｅ２はＹＡＧ蛍光体の放射スペクトルを示す。ここで、励起スペクトルとは、ＹＡＧ蛍光体による波長の変換効率、すなわち励起波長に対するＹＡＧ蛍光体の放射光の強度を表わしている。なお、曲線Ｅ１のＥｍａｘは励起スペクトルのピークを示す。

図６において、ＹＡＧ蛍光体の励起スペクトルを示す曲線Ｅ１が変化すると、励起光源の第１の色である青色の割合が変化する。この結果、ＹＡＧ蛍光体の放射スペクトルを示す曲線Ｅ２において、緑色中心の放射光から黄色や赤色の光度の割合が変わり、放射光の色に変化が生じる。

実際には、励起光源の一例である発光ダイオードおよび半導体レーザは、駆動電流の増減や光出力の増減によって発光部の温度が変わり、エネルギー準位が変動して発光波長が変化する。発光波長が変動すると、放射光の光度の割合が変わるだけでなく、励起光源の波長も変わってくる。そのため、色の変動はより顕著となる。

したがって、蛍光体を用いた白色ＬＥＤでは、単に駆動電流値を変えて発光素子の波長変動を調整するだけでは、波長の変換効率を考慮していないため、所望の色度を得ることは非常に難しい。すなわち、白色ＬＥＤを用いた場合、駆動電流値を変えるだけでなく、波長の変換効率も考慮して波長変動を制御しなければならない。

上述したように、特許文献５は、発光素子の波長の変化および変化方向と波長の変換効率を考慮せず、測定データにより色温度の調整をしている。この場合、色温度の調整ばらつきが大きくなり、所望の色温度を得ることは難しい。特に、白色を構成する色成分の発光スペクトルの幅が狭い場合、色温度のような１つのパラメータで光度を制御するのは、色度のようにＸ，Ｙの２つのパラメータで制御するのに比べて困難である。

それゆえに、この発明の目的は、蛍光体を使用した場合の白色光の色度ばらつきを小さくすることが可能な半導体発光装置を提供することである。

この発明による半導体発光装置は、第１の色の光を放射する発光素子と、第１の色の光を受けて励起され、第２の色の光を放射する蛍光体とを備え、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、第１の色の光と第２の色の光との混合光の色度を調整する。

好ましくは、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、第１の色の光と第２の色の光との混合光の色度座標の変動範囲内に白色点を含むように調整する。

好ましくは、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、発光素子の波長シフトの範囲を蛍光体の励起スペクトルのピーク波長の短波長側か長波長側かのどちらかに対応するように設定する。

好ましくは、発光素子の駆動電流の値を変えることにより、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させる。

好ましくは、発光素子の駆動電流は、パルス駆動の電流である。
好ましくは、発光素子の駆動電流は、平均電流を一定に保ちながらピーク電流値および／またはパルス幅を変化させたパルス駆動電流である。

好ましくは、発光素子と蛍光体との間に設けられ、第１の色の光および第２の色の光を伝搬させる導光体をさらに備える。

好ましくは、発光素子は、複数の発光素子を含む。
好ましくは、発光素子は、第１の色が青色または青紫色の半導体レーザである。

好ましくは、発光素子は、第１の色が青色または青紫色の発光ダイオードである。
この発明の他の局面による半導体発光装置は、第１の色の光を放射する発光素子と、第１の色の光を受けて励起され、第２の色の光を放射する蛍光体とを含む半導体発光ユニットを複数備える。半導体発光ユニットの各々は、第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、第１の色の光と第２の色の光との混合光の色度を調整する。

好ましくは、半導体発光ユニットごとに異なる材料で構成されている。
好ましくは、半導体発光ユニットの各々は、発光素子と蛍光体との間にそれぞれ設けられ、第１の色の光および第２の色の光を伝搬させる導光体をさらに備える。導光体は、第１の色の光および第２の色の光を蛍光体の方向だけでなく他の導光体の方向にも伝搬させる。

この発明によれば、蛍光体を使用した場合の白色光の色度ばらつきを小さくすることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、この発明の実施の形態による半導体発光装置１０の概略的な構造を示した断面図である。

図１を参照して、半導体発光装置１０は、蛍光体１と、導光体２と、パッケージ３と、発光素子４とを備える。蛍光体１は、導光体２上に層状に配置されており、異なる発光スペクトルをもつ異なる材料を複数重ね合わせても良い。導光体２は、蛍光体１とパッケージ３との間に設けられ、発光素子４から放射される第１の色の光および蛍光体１から放射される第２の色の光を伝搬させる。発光素子４は、たとえば半導体レーザまたは発光ダイオードであって、パッケージ３上にダイボンドされている。

発光素子４から放射される第１の色の光は、導光体２の一部である凹レンズ部２Ｌを通過して拡散され、導光体２の表面に層状に塗布または貼り付けられた蛍光体１に入射する。入射した第１の色の光は蛍光体１を励起し、入射光より波長の長い第２の色の光が蛍光体１から放射される。パッケージ３は、発光素子４が配置されるくぼみに傾斜面３Ｍ，３Ｎを有する。

この傾斜面３Ｍ，３Ｎには、反射率の高い材料（Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔなど）でめっきや蒸着が施されている。これにより、発光素子４の側方より放射された光が傾斜面３Ｍ，３Ｎで反射され、蛍光体１に入射する光の量が多くなる。この結果、導光体２の側方へ放射される光を少なくすることができる。なお、反射率の高い材料のめっきや蒸着は、傾斜面３Ｍ，３Ｎの導光体２側でもパッケージ３側でもよい。

半導体発光装置１０は、蛍光体１の励起に用いられなかった第１の色の光と蛍光体１から放射される第２の色の光とを混色させることによって、白色の発光を実現している。半導体発光装置１０の発光の光度を大きくするために、パッケージ３のくぼみに発光素子４を複数配置してもよい。

図２は、図１の半導体発光装置１０の発光動作を説明するための色度図である。
図２を参照して、点Ｎ４６０は波長４６０ｎｍの青色の点、点Ｎ４７０は波長４７０ｎｍの青色の点、点Ｎ５８０は波長５８０ｎｍの黄色の点をそれぞれ示している。第１の色の青色（４７０ｎｍ）を励起波長とし第２の色が黄色（５８０ｎｍ）中心となるような蛍光体材料を半導体発光装置１０の蛍光体１に選んだ場合を考える。

上記の場合、半導体発光装置１０の発光に対応する図２のＸＹ座標は、点Ｎ４７０と点Ｎ５８０とを結んだ線上にあり、青色と黄色との光度の割合で座標が決められる。すなわち、青色成分が大きければ、上記の線上の点Ｎ４７０寄りに座標が定まる。通常、白色と呼ばれる位置のＸＹ座標は、Ｘ＝Ｙ＝０．３３の点ＷＴである。

図３は、図２のＣＬ部分を拡大して示した図である。
図３を参照して、第２の色の黄色（５８０ｎｍ）への変換効率は同じで第１の色の青色（青紫色）を４７０ｎｍから４６０ｎｍへシフトさせた蛍光体材料を半導体発光装置１０の蛍光体１に選んだ場合を考える。この場合、半導体発光装置１０の発光に対応する図２，３のＸＹ座標は、点Ｎ４７０と点Ｎ５８０とを結んだ線上から点Ｎ４６０と点Ｎ５８０とを結んだ線上へ矢印Ａ１の方向に色度の直線がシフトする。

上記の場合、実際には波長の変換効率も減少するので、半導体発光装置１０の発光は青色成分の割合が多くなり、矢印Ａ２の方向に色度の直線がシフトする。このように、第１の色を変化させると、第１の色だけでなく第２の色の光度も変化するため、場合によっては第１の色と第２の色との光度の割合の変化が大きくなり、色度座標のシフトも大きくなる。矢印Ａ３は、第１の色の光の波長が短い波長に変化する際に波長の変換効率が増加する場合の色度座標の変化を示している。

以上のように、この発明の実施の形態の半導体発光装置１０は、色度座標の変動範囲内に白色の点ＷＴ（Ｘ＝Ｙ＝０．３３）を含むように蛍光体１の発光波長および／または発光量を最適に決めることによって、製品に色度のばらつきが起こったとしても、駆動電流を調整することによって白色のばらつきを抑えることができる。色度だけでなく光度のばらつきも抑えるためには、発光素子４の駆動電流をパルス駆動とすればよい。

半導体発光装置１０において発光素子４の駆動電流を上げることにより、ＧａＮで作製された発光素子４の発光波長は短波長側にシフトする。仮に、発光素子４の波長が図６に示す点線の曲線Ｅ１の励起スペクトルのピークＥｍａｘの長波長側にあれば、励起波長が短波長側にシフトすることによって発光素子４の波長がピークＥｍａｘに近づき、発光素子４からの第１の色の光が蛍光体１の放射光へ変換される効率が大きくなる。

上記の結果、波長だけシフトして光量は変化しない第１の色の光である青色の光量に対して、波長が変換された第２の色の光の黄緑色の光量の割合が大きくなる。発光波長の変化と光量の割合とにより、上記の場合の色度座標の変化は図３の矢印Ａ３に沿った変化となる。逆に、発光素子４の波長が図６に示す点線の曲線Ｅ１の励起スペクトルのピークＥｍａｘの短波長側にあれば、色度座標の変化は図３の矢印Ａ２に沿った変化となる。

このように、発光素子４の波長シフトの範囲を励起スペクトルすなわち変換効率のピーク波長の短波長側か長波長側かのどちらかに対応するように設定することで、蛍光体１から放射される第２の色の光量は単調に増減する。この第２の色の光量の増減を利用することによって、半導体発光装置１０の発光を白色に調整することが可能となる。

半導体発光装置１０で使用する蛍光体１は、図６で説明したＹＡＧ蛍光体のように励起スペクトル幅が広いものではなく、励起スペクトルの幅がある程度小さくピークが１つのものがより適している。また、半導体発光装置１０の出射光の全体の光度を一定する場合には、発光素子４をパルス電流で駆動することにより、駆動電流のピーク値を変えずに光度を変化させることができる。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、駆動電流による励起光源の波長変動による第２の色の光への変換効率の変動を積極的に利用し、駆動電流の変化に対して色度が大きく変化するようにすることで、発光素子間のばらつきを抑えて所望の色度となるように光度を調整することができる。さらに、光度が変化しないように、平均電流を一定に保ちながらピーク電流値および／またはパルス幅を変化させたパルス駆動を行なうこともできる。

この発明の実施の形態の半導体発光装置では、蛍光体を使用した白色光の色度ばらつきを小さくすることが可能となる。このため、品質の高い照明やバックライトの光源などに用いることができる。また、蛍光体の励起波長に発光素子の波長を合わせることで、最も効率よく蛍光体を発光させることができる。これにより、半導体発光装置の全体としての発光強度の効率も上がり、明るい照明やバックライトを作ることができる。

図４は、この発明の実施の形態の変形例である半導体発光装置２０の概略的な構造を示した断面図である。

図４を参照して、半導体発光装置２０は、半導体発光ユニット１０Ａ〜１０Ｃを横に並べた構成を有する。半導体発光ユニット１０Ａ〜１０Ｃの各々は、図１の半導体発光装置１０の構造に対応しており、蛍光体１Ａ〜１Ｃと、導光体２Ａ〜２Ｃと、パッケージ３Ａ〜３Ｃと、発光素子４Ａ〜４Ｃとをそれぞれ含む。

半導体発光装置２０は、導光体２Ａ〜２Ｃの各周縁部の厚みを大きくすることにより、図１の半導体発光装置１０とは異なって、発光素子４Ａ〜４Ｃから放射される光が導光体２Ａ〜２Ｃに沿って横方向に伝搬しやすくなり、半導体発光装置２０の周辺まで発光するようになる。さらに、導光体２Ａ〜２Ｃが近接することにより、半導体発光装置２０の発光面が途切れることなく、広範で一様な面発光を実現することができる。

また、蛍光体１Ａ〜１Ｃの種類を半導体発光ユニット１０Ａ〜１０Ｃごとに変えることで、半導体発光装置２０をユニットごとに異なる色の面発光光源とすることもできる。もちろん、半導体発光ユニット１０Ａ〜１０Ｃの各々において、平面的に異なる蛍光体を配置したり、異なる蛍光体を層状に積み重ねて蛍光体からの放射光を複数にすることも可能である。

以上の構成により、この発明の実施の形態の変形例である半導体発光装置２０は、発光素子を底部に配置した直下型のバックライトに適しているとともに、面発光光源として照明器具にも用いることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の半導体発光装置は、携帯電話、自動車等の計器パネル、液晶モニタ、テレビなどの様々な表示装置用のバックライトユニットに適用可能である。

この発明の実施の形態による半導体発光装置１０の概略的な構造を示した断面図である。 図１の半導体発光装置１０の発光動作を説明するための色度図である。 図２のＣＬ部分を拡大して示した図である。 この発明の実施の形態の変形例である半導体発光装置２０の概略的な構造を示した断面図である。 従来の色調調整回路１００の構成を示した回路図である。 ＹＡＧ蛍光体の代表的な励起スペクトルおよび放射スペクトルを示した図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｃ 蛍光体、２，２Ａ〜２Ｃ 導光体、２Ｌ 凹レンズ部、３，３Ａ〜３Ｃ パッケージ、３Ｍ，３Ｎ 傾斜面、４，４Ａ〜４Ｃ 発光素子、１０，２０ 半導体発光装置、１０Ａ〜１０Ｃ 半導体発光ユニット、１００ 色調調整回路、１０１ 発光ダイオード、１０２ 可変抵抗、１０３ トランジスタ、１０４ パルス幅変調（ＰＷＭ）回路。

Claims (13)

1. 第１の色の光を放射する発光素子と、
   前記第１の色の光を受けて励起され、第２の色の光を放射する蛍光体とを備え、
   前記第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、前記第１の色の光と前記第２の色の光との混合光の色度を調整する、半導体発光装置。
2. 前記第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、前記第１の色の光と前記第２の色の光との混合光の色度座標の変動範囲内に白色点を含むように調整する、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、前記発光素子の波長シフトの範囲を前記蛍光体の励起スペクトルのピーク波長の短波長側か長波長側かのどちらかに対応するように設定する、請求項１に記載の半導体発光装置。
4. 前記発光素子の駆動電流の値を変えることにより、前記第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させる、請求項１に記載の半導体発光装置。
5. 前記発光素子の駆動電流は、パルス駆動の電流である、請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記発光素子の駆動電流は、平均電流を一定に保ちながらピーク電流値および／またはパルス幅を変化させたパルス駆動電流である、請求項４に記載の半導体発光装置。
7. 前記発光素子と前記蛍光体との間に設けられ、前記第１の色の光および前記第２の色の光を伝搬させる導光体をさらに備える、請求項１に記載の半導体発光装置。
8. 前記発光素子は、複数の発光素子を含む、請求項１に記載の半導体発光装置。
9. 前記発光素子は、前記第１の色が青色または青紫色の半導体レーザである、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. 前記発光素子は、前記第１の色が青色または青紫色の発光ダイオードである、請求項１〜８のいずれかに記載の半導体発光装置。
11. 第１の色の光を放射する発光素子と、前記第１の色の光を受けて励起され、第２の色の光を放射する蛍光体とを含む半導体発光ユニットを複数備え、
    前記半導体発光ユニットの各々は、前記第１の色の光の発光波長および／または発光量を変化させることにより、前記第１の色の光と前記第２の色の光との混合光の色度を調整する、半導体発光装置。
12. 前記蛍光体は、前記半導体発光ユニットごとに異なる材料で構成されている、請求項１１に記載の半導体発光装置。
13. 前記半導体発光ユニットの各々は、前記発光素子と前記蛍光体との間にそれぞれ設けられ、前記第１の色の光および前記第２の色の光を伝搬させる導光体をさらに備え、
    前記導光体は、前記第１の色の光および前記第２の色の光を前記蛍光体の方向だけでなく他の前記導光体の方向にも伝搬させる、請求項１１に記載の半導体発光装置。

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