JP4823563B2 - 脈動電流を利用してｌｅｄ素子の光出力を増加させる方法、そして前記方法を利用したｌｅｄ素子の駆動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体の発光素子（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：ＬＥＤ）の光出力を増加させる方法、そして前記半導体ＬＥＤの駆動ユニットに係り、より詳細には、脈動電流を利用して半導体ＬＥＤの光出力を増加させる方法、そして前記方法を利用した半導体ＬＥＤの駆動ユニットに関する。

ＬＥＤのように、化合物半導体の特性を利用して電気的な信号を光に変化させる半導体ＬＥＤは、他の発光体に比べて寿命が長く、駆動電圧が低く、かつ消費電力が少ないという長所がある。また、応答速度及び耐衝撃性が優秀なだけでなく、小型軽量化が可能であるという長所も持っている。このような半導体ＬＥＤは、使用する半導体の種類及び構成物質によって、それぞれ異なる波長の光を発生でき、必要に応じて色々な他の波長の光を作って使用できる。特に、生産技術の発達及び素子構造の改善により、非常に明るい光を出せる高輝度半導体ＬＥＤも開発されて、その用途が非常に広くなった。さらに、青色を発する高輝度半導体ＬＥＤが開発されることによって、緑色、赤色、青色の高輝度半導体ＬＥＤを使用して自然な総天然色の表示が可能になった。

図１は、一般的な半導体ＬＥＤの動作原理を概略的に図示する。図１に図示されたように、半導体ＬＥＤ １０は、サファイア基板１１上にｎ型半導体層１２、活性層１３及びｐ型半導体層１４を連続して積層し、前記ｎ型半導体層１２の一側及びｐ型半導体層１４上に、ｎ型電極１５及びｐ型電極１６をそれぞれ蒸着した構造をなしている。このような構造の半導体ＬＥＤ １０に順方向に電圧を印加すれば、ｎ型半導体層１２の伝導帯にある電子が、ｐ型半導体層１４の価電子帯にある正孔との再結合のために遷移されつつ、そのエネルギーほど活性層１３で光として発光される。前記活性層１３で発生した光は、半導体ＬＥＤの構造によって、活性層１３の上部に直接放出されるか、ｐ型電極１６により反射されて基板を通じて放出される。

前記のような構造を持つ半導体ＬＥＤ １０は、一般的に極性を持つために、これまでは、図２に示すように、直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）電源を使用して駆動された。印加される電圧の極性が逆である場合には、ｎ型半導体層１２の電子及びｐ型半導体層１４の正孔が活性層１３に移動せず、光が発光しないからである。ところが、直流電源を印加して半導体ＬＥＤを駆動する場合には、正孔の移動度に比べて電子の移動度がはるかに大きいために、ｎ型半導体層１２から出てきた電子の大部分が、ｐ型半導体層１４の近くに偏って分布する。これによって、発光効率が落ちるという問題がある。

半導体ＬＥＤを構成する半導体材料のうち、特に、III族窒化物（主に、ＧａＮと関連した化合物）半導体で正孔の移動度が落ちることが知られている。しかし、窒化物半導体は、光学的、電気的、熱的刺激に対して非常に安定性を示し、かつ青色領域から紫色領域まで広い範囲内で光を出すように製造できるために、最近注目されている。したがって、現在前記窒化物半導体を利用してさらに低電力で駆動され、かつ発熱量の少ない高効率高輝度の半導体ＬＥＤを開発するために、多くの研究が進行しつつある。そのような研究を行うためには、莫大なコスト及び時間が投入されねばならないが、これは、製造業者には大きい負担になる。

したがって、本発明の目的は、さらに簡単な方法で、活性層内の電子分布がｐ型半導体層の近くに偏ることを防止することによって、半導体ＬＥＤの発光効率を向上させることである。

また、本発明の他の目的は、さらに簡単かつ低コストで化合物半導体ＬＥＤの光出力を増加させ、かつ安定性を向上させる方法、及び前記方法を利用した半導体ＬＥＤの駆動ユニットを提供することである。

本発明の一実施形態によれば、半導体ＬＥＤの光出力を増加させる本発明による方法は、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体ＬＥＤに、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互し、逆方向電圧の絶対値が順方向電圧の絶対値より大きい脈動電流を印加することを特徴とする。

この時、前記半導体ＬＥＤに印加される逆方向電圧の絶対値は、０．１Ｖより大きいことを特徴とする。

また、前記脈動電流の周期は、少なくとも１ｋＨｚであることが望ましく、前記脈動電流のデューティー比は、１０％ないし９０％の範囲内にあることがよい。

前記逆方向電圧の大きさは、前記半導体ＬＥＤの降伏電圧より小さい。

また、半導体ＬＥＤの光出力を増加させる方法によれば、極性方向が互いに逆になるように並列に連結されて一対をなしている、少なくとも２つの半導体ＬＥＤに脈動電流を印加することを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態によれば、本発明による半導体ＬＥＤ駆動ユニットは、ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体ＬＥＤと、前記半導体ＬＥＤに、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互し、逆方向電圧の絶対値が順方向電圧の絶対値より大きい脈動電流を印加する電圧印加部と、を含むことを特徴とする。この時、前記半導体ＬＥＤに印加される逆方向電圧の絶対値は、０．１Ｖより大きく、前記脈動電流の周期は、少なくとも１ｋＨｚである。

そして、本発明によれば、前記電圧印加部で発生する脈動電流のデューティー比は、１０％ないし９０％の範囲内にあることが望ましい。

前記逆方向電圧の大きさは、前記半導体ＬＥＤの降伏電圧より小さい。

ここで、前記半導体ＬＥＤは、窒化物系半導体ＬＥＤである。

本発明によれば、半導体ＬＥＤの構造を根本的に変更せずとも、同じ電流を印加する時の光出力を大きく増加させることができる。したがって、本発明の電圧印加方法によれば、半導体ＬＥＤの発光効率が大きく向上する。さらに、連続電流が持続的に流れる場合に比べて、半導体ＬＥＤが周期的にオフとなるために、半導体ＬＥＤの発熱量が減少する。その結果、半導体ＬＥＤの安定性も大きく向上する。

また、脈動電流を半導体ＬＥＤに印加する方式であるために、家庭用交流電流（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＡＣ）を使用する時、ＡＣ−ＤＣコンバータを使用する必要がない。

さらに、本発明によれば、半導体ＬＥＤの発熱量が低いために、大容量のディスプレイ装置に応用する場合よりさらに高い効率を得ることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態による半導体ＬＥＤの光出力を増加させる方法、そして半導体ＬＥＤ駆動ユニットの構成及び動作について詳細に説明する。

本出願の発明者は、前述した従来の問題点を改善するために、図５のように、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互する脈動電流を、半導体ＬＥＤに印加してみた。また、この時に放出される光強度（すなわち、光出力）を比較するために、図４のように、逆方向の電圧なく順方向の電圧のみ周期的に発生する脈動電流を、同じ半導体ＬＥＤに印加した。この実験で使われた半導体ＬＥＤは、４０２ｎｍ波長の光を出すＵＶ ＬＥＤランプであり、脈動電流のデューティー比は、５０％であった。ここで、デューティー比は、図３に示すように、全体周期ｂに対する順方向の電圧が印加される時間ａの比率（ａ／ｂ）をいう。

前記実験結果、図６のグラフに示すように、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互する脈動電流を印加した場合、半導体ＬＥＤの光出力が向上するということを観察できた。図６のグラフで、○で表示されたものは、−３Ｖの逆電圧が存在する場合の光出力であり、□で表示されたものは、逆電圧が存在していない場合の光出力であり、△で表示されたものは、前記二つの場合についての光出力の比率を表す。図６のグラフをさらに具体的に説明すれば、順方向の電圧が２．９Ｖである時、逆電圧のない場合の光出力に比べて、逆電圧が存在する場合の光出力が大きく向上するということが分かる。また、順方向の電圧が益々高まることによって光出力の向上程度は低くなるが、逆電圧のない場合の光出力に比べて、逆電圧が存在する場合の光出力が、依然としてさらに高いということが分かる。一般的に半導体ＬＥＤは、約３．０Ｖないし３．２Ｖの電圧で駆動されるために、この区間内で、十分の光出力向上効果を得られる。

このように逆方向の電圧が存在する場合に観察される半導体ＬＥＤの光出力向上効果は、次のような２つのモデル、すなわち、電子密度変化モデルと量子閉じ込めシュタルク効果（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｎｆｉｎｅｄ Ｓｔａｒｋ Ｅｆｆｅｃｔ；ＱＣＳＥ）モデルとを利用して説明できる。

まず、図７は、電子密度の変化モデルを利用して本発明の原理を説明するための、エネルギーバンドを例示的に図示する。図７の上側にあるエネルギーバンドは、伝導帯を表し、下側にあるエネルギーバンドは、価電子帯を表す。また、図７のエネルギーバンドの左側は、ｐ型半導体層を、右側は、ｎ型半導体層を表し、中央部分は、活性層である。図７に示すように、前記活性層は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）構造である。ｐ型半導体層を構成する材料は、例えば、ＧａＮ：Ｍｇから形成され、ｎ型半導体層を構成する材料は、例えば、ＧａＮ：Ｓｉから形成される。ＭＱＷ構造を持つ活性層の場合、例えば、ＩｎＧａＮで量子井戸層を形成し、ＧａＮで障壁層を形成する。そして、ｐ型半導体層への電子の進入を防止するために、例えば、ＡｌＧａＮ：Ｍｇで電子阻止層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｌａｙｅｒ；ＥＢＬ）を形成することもある。

このような構造で、ｎ型半導体層に（−）極を連結し、ｐ型半導体層に（＋）極を連結して電圧を印加すれば、ｎ型半導体層で励起された電子が、伝導帯のエネルギー障壁を越えて、活性層を通じてｐ型半導体層に向かって移動する。また、ｐ型半導体層の正孔も、価電子帯で活性層を通じてｎ型半導体層に向かって移動する。この時、活性層の量子井戸にある電子が遷移しつつ正孔と再結合し、その結果、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差ほど光として放出される。ところが、前述したように、正孔の移動度が電子の移動度に比べてはるかに小さく、かつｐ型半導体層の伝導性が低いために、平衡状態で電子の分布密度が、曲線“I”のようにｐ型半導体層側に偏る。このような現象は、特に窒化物系半導体ＬＥＤで発生しやすい。その結果、活性層内での光の放出は、活性層の全体領域で均一に行われるものではなく、ｐ型半導体層との境界部分で大部分行われる。したがって、内部量子効率が減少して光出力が低下する。

この時、本発明で提示された方法によって周期的に逆方向の電圧をかければ、図７の曲線“II”のように、逆電圧が存在していない場合に比べて、平衡状態で電子の分布密度がｎ型半導体層側にさらに移動する。これは、ｎ型半導体層に印加される（＋）電圧により電子がｐ型半導体層に向かって移動できず、ｎ型半導体層側に力を受けるからである。したがって、逆電圧が存在していない場合に比べて、活性層全体領域で均一に光の放出が行われることができるために、内部効率が増加して光出力が向上すると予想できる。

一方、図８Ａないし図８Ｃは、ＱＣＳＥモデルを利用して本発明の原理を説明するためのエネルギーバンドを図示する。図７では、エネルギーバンドを水平に図示したが、実際にエネルギーバンドは、内部の応力により発生する自発分極効果（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｅｆｆｅｃｔ；ＳＰＥ）、及び順方向の電圧によって、図８Ａに図示されたように、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に向かって下方に傾いている。この場合、ｎ型半導体層に（−）極を連結し、ｐ型半導体層に（＋）極を連結して電圧を印加すれば、次のような現象が起きる。すなわち、図８Ａに示すように、ｎ型半導体層から越えてきた電子は、量子井戸の最低部に位置する。同様に、ｐ型半導体層から越えてきた正孔は、最高部に位置する。したがって、電子が正孔と再結合するために進行せねばならない距離が遠ざかりつつ、電子と正孔との間に地域的な分離が発生する。このような現象をシュタルク効果という。その結果、電子と正孔との再結合が難しくなって活性層の内部量子効率が落ち、光出力が低下する。

このような状態で、ｎ型半導体層に（＋）極を連結し、ｐ型半導体層に（−）極を連結して電圧を印加すれば、図８Ｂに示すように、量子井戸の底部が水平になる。したがって、周期的に逆方向の電圧をかければ、前述したシュタルク効果が一定部分減少する。その結果、電子が量子井戸内の束縛から解放されて、活性層の内部量子効率が増加し、光出力が向上すると予想できる。

前述した電子密度変化モデル及びＱＣＳＥモデルの原理によれば、図６の実験結果で、順方向の電圧が増加するほど本発明による光出力増加効果が減少する原因も説明できる。まず、ＱＣＳＥモデルによれば、次のように説明できる。すなわち、電圧が増加するほど、ｎ型半導体層から活性層に移動する電子の量も多くなる。それにより、活性層内の量子井戸にさらに多くの電子が存在する。図８Ｃは、このような状態を図示する。その結果、電子が量子井戸の最低部に位置することにより発生するシュタルク効果の影響がほぼ相殺され、量子井戸の底部が扁平になることとほぼ同じ効果が生じる。また、電子密度変化モデルによる場合、ｎ型半導体層から活性層に移動する電子の量が多くなれば、同じ逆方向の電圧により変化させねばならない電子の量が多くなるので、図７の△ｘのサイズが小さくなる。したがって、十分な効率の増加を見られない。

また、前述した電子密度変化モデル及びＱＣＳＥモデルの原理によれば、以下の実験結果も適切に説明できる。

まず、図９は、逆電圧の大きさによるＬＥＤの光出力の変化を図示するグラフである。ここで、順方向の電圧の大きさを３Ｖに固定し、脈動電流の周波数を１ＭＨｚ、デューティー比を５０％とした。そして、逆方向電圧の大きさを０Ｖから−５Ｖまで変化させつつ、半導体ＬＥＤの光出力を測定した。その結果、図９のグラフに図示されたように、逆方向電圧が大きくなるほど半導体ＬＥＤの光出力も増加するということが分かる。電子密度変化モデルによる場合、逆方向電圧が大きくなりつつ、ｎ型半導体層方向に向かって電子に作用する力がさらに大きくなる。したがって、電子の分布密度が活性層の中心部にさらに近くなるために、活性層全体領域でさらに均一に光が放出されて、光出力が向上すると説明できる。また、ＱＣＳＥモデルによる場合、逆方向電圧が大きくなるほど量子井戸の底部がさらに水平に近くなりつつ、シュタルク効果の減少幅が大きくなる。これによって、活性層の内部量子効率が増加し、光出力が向上すると説明できる。

このように、逆方向電圧が大きくなるほど半導体ＬＥＤの光出力が増加するので、本発明によれば、半導体ＬＥＤの光出力を増加させるために、周期的に少なくとも０．１Ｖ以上の逆電圧を印加する。また、図６のように、順方向の電圧が増加するほど光出力の増加効果が減少するので、このような場合には、逆方向電圧の絶対値大きさを順方向の電圧の絶対値大きさよりさらに大きくすることにより、光出力増加率の減少を克服できる。但し、逆方向電圧の大きさは、半導体ＬＥＤの降伏電圧より高くてはならない。一般的に、半導体ＬＥＤの降伏電圧は−２０Ｖ内外であるので、逆方向電圧は約−２０Ｖ程度が最大になる。

一方、図１０は、脈動電流の周波数変化による半導体ＬＥＤの光出力の変化を、逆電圧のない場合と逆電圧が存在している場合とに分けて、それぞれ比較して図示するグラフである。ここで、○で表示されたものは、−３Ｖの逆電圧が存在している場合の光出力であり、□で表示されたものは、逆電圧が存在していない場合（最小電圧が０Ｖ）の光出力である。この時、順方向の電圧は３．１Ｖに固定し、デューティー比は５０％であった。図１０のグラフに図示されたように、脈動電流の周波数が１ｋＨｚである場合には、半導体ＬＥＤの光出力が極めて少し増加したが、周波数が増加するほど光出力の増加効果もさらに大きくなった。このような現象は、もし、一周期が占める時間が長くなれば、活性層内で電子分布の再配列が一般的なＤＣ電流と同一になるためであると説明できる。

図１１は、脈動電流のデューティー比変化による半導体ＬＥＤの光出力の変化を、逆電圧のない場合と逆電圧が存在している場合とに分けて、それぞれ比較して図示するグラフである。ここで、○で表示されたものは、−３Ｖの逆電圧が存在する場合の光出力であり、□で表示されたものは、逆電圧が存在していない場合（最小電圧が０Ｖ）の光出力である。この時、順方向の電圧は３．１Ｖに固定し、脈動電流の周波数は１ＭＨｚであった。図１１のグラフから分かるように、デューティー比が小さいほど光出力の増加効果は大きくなり、デューティー比が大きくなるほど光出力増加の効果は減少した。デューティー比が大きくなれば、一周期で順方向の電流の量は増加する一方、逆方向の電流の量は減少する。したがって、ｎ型半導体層から活性層に移動する電子の量は多くなる一方、電子が活性層内に均一に分布されるようにｎ型半導体層に電子を再分布させるには、時間が不十分であるために、前記のような結果が生じると説明できる。仮に、デューティー比が小さい場合、ｎ型半導体層から活性層に移動する電子の量が少なく、電子が活性層内に均一に分布されるようにｎ型半導体層に電子を再分布させる時間も十分であるために、光出力が大きく増加する。したがって、半導体ＬＥＤに印加される脈動電流のデューティー比は、約１０％ないし９０％の範囲内にあることが適当である。

これまで本発明の原理及び前記本発明の原理による半導体ＬＥＤの光出力増加を詳細に説明した。前述した説明で分かるように、本発明によれば、半導体ＬＥＤの構造を変更せずとも光出力を大きく増加させることができた。しかし、半導体ＬＥＤに逆電圧が印加される間には光が放出されないために、時間平均的には光出力が減少すると見られることもある。

図１２は、このような点を補完できる半導体ＬＥＤの駆動ユニットの例を図示する。図１２に図示されたように、本発明による半導体ＬＥＤの駆動ユニットを見れば、少なくとも２つの半導体ＬＥＤと、前記半導体ＬＥＤに順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互する脈動電流を印加する電圧印加部と、を含む。ここで、前記２つの半導体ＬＥＤは、極性方向が互いに逆になるように並列に連結されて一対をなしている。

このような構成で、前記電圧印加部から（＋）電圧が発生する場合には、第１半導体ＬＥＤ Ｄ１が発光する。その間、第２半導体ＬＥＤ Ｄ２には逆電圧がかかるので、活性層内の電子分布が再配置される。ＱＣＳＥモデルにより説明する場合には、活性層内の量子井戸の底部が扁平になる。次いで、電圧印加部から（−）電圧が発生する場合には、第２半導体ＬＥＤ Ｄ２が発光する。その間、第１半導体ＬＥＤ Ｄ１には逆電圧がかかるので、活性層内の電子分布が再配置される。同様に、ＱＣＳＥモデルにより説明する場合には、活性層内の量子井戸底が扁平になる。本発明による駆動ユニットでは、このように二つの半導体ＬＥＤが交互に発光をするので、時間平均的にも光出力が増加する。但し、この場合には、二つの半導体ＬＥＤが同じ光出力を持つように、順方向の電圧と逆方向の電圧とが同じ大きさである必要があり、デューティー比も５０％であることが望ましい。

これまで、本発明は、ＬＥＤのような半導体ＬＥＤを中心に説明したが、それ以外の固体型照明技術にも、本発明と同じ原理が適用できる。

本発明は、半導体ＬＥＤの光出力を増加させるのに好適に用いられる。

一般的な化合物半導体ＬＥＤの層構造を図示する図面である。 ＤＣ電源を利用した従来の半導体ＬＥＤの駆動方法を図示する図面である。 一般的な脈動電流を説明するための図面である。 逆電圧のない脈動電流を利用した半導体ＬＥＤの駆動方法を図示する図面である。 逆電圧が存在する脈動電流を利用した、本発明による半導体ＬＥＤの駆動方法を図示する図面である。 脈動電流を印加した時、印加された電圧の大きさによる半導体ＬＥＤの光出力の変化を、逆電圧のない場合と逆電圧が存在する場合とに分けて、それぞれ比較して図示するグラフである。 電子密度の変化モデルを利用して本発明の原理を説明するための、エネルギーバンドを例示的に図示する図面である。 ＱＣＳＥモデルを利用して本発明の原理を説明するための、エネルギーバンドを例示的に図示する。 ＱＣＳＥモデルを利用して本発明の原理を説明するための、エネルギーバンドを例示的に図示する。 ＱＣＳＥモデルを利用して本発明の原理を説明するための、エネルギーバンドを例示的に図示する。 逆電圧の大きさによる半導体ＬＥＤの光出力の変化を図示するグラフである。 脈動電流の周波数変化による半導体ＬＥＤの光出力の変化を、逆電圧のない場合と逆電圧が存在する場合とに分けて、それぞれ比較して図示するグラフである。 脈動電流のデューティー比変化による半導体ＬＥＤの光出力の変化を、逆電圧のない場合と逆電圧が存在する場合とに分けて、それぞれ比較して図示するグラフである。 本発明による半導体ＬＥＤの駆動ユニットの例を図示する図面である。

Claims (10)

1. ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体発光素子に、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互し、逆方向電圧の絶対値が順方向電圧の絶対値より大きい脈動電流を印加することを特徴とする半導体発光素子の光出力を増加させる方法。
2. 前記半導体発光素子に印加される逆方向電圧の絶対値は、０．１Ｖより大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の光出力を増加させる方法。
3. 前記脈動電流の周期は、少なくとも１ｋＨｚであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子の光出力を増加させる方法。
4. 前記脈動電流のデューティー比は、１０％ないし９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の光出力を増加させる方法。
5. 前記逆方向電圧の大きさは、前記半導体発光素子の降伏電圧より小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の光出力を増加させる方法。
6. ｎ型半導体層、活性層及びｐ型半導体層を含む半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子に、順方向の電圧と逆方向の電圧とが交互し、逆方向電圧の絶対値が順方向電圧の絶対値より大きい脈動電流を印加する電圧印加部と、を含むことを特徴とする半導体発光素子の駆動ユニット。
7. 前記半導体発光素子に印加される逆方向電圧の絶対値は、０．１Ｖより大きいことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子の駆動ユニット。
8. 前記脈動電流の周期は、少なくとも１ｋＨｚであることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体発光素子の駆動ユニット。
9. 前記脈動電流のデューティー比は、１０％ないし９０％の範囲内にあることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の半導体発光素子の駆動ユニット。
10. 前記逆方向電圧の大きさは、前記半導体発光素子の降伏電圧より小さいことを特徴とする請求項６から９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の駆動ユニット。

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