JP4274536B2

JP4274536B2 - 半導体発光装置

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Publication number: JP4274536B2
Application number: JP2003290963A
Authority: JP
Inventors: 浩竹川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-08-08
Also published as: JP2005064163A

Description

本発明は、主に白色光を使用する、発光素子を用いた照明装置或いは液晶のバックライト等に使用される半導体発光装置に関する。

従来の半導体発光装置として、図３に示すものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。図３（ａ）は半導体発光装置の平面図、図３（ｂ）は図１（ａ）のＡ―Ａ線による模式的断面図である。なお、図３（ｂ）においては、ハッチングを省略している。

この半導体発光装置１ａは、一つのパッケージの中に青色（Ｂ）の発光ダイオード素子１ｂ、赤色（Ｒ）の発光ダイオード素子１ｃおよび緑色（Ｇ）の発光ダイオード素子１ｄがリードフレーム（または基板）上にダイボンドされており、これら三つの発光ダイオード素子１ｂ〜１ｄから構成される発光部の周りには、反射板１ｆが設けられた構成となっている。

上記半導体発光装置の駆動回路は、図４に示すように共通の電源電圧（Ｖｃｃ）から三つの発光ダイオード素子１ｂ〜１ｄに与えられる駆動電圧を、各発光ダイオード素子１ｂ〜１ｄに対してそれぞれ直列に挿入された保護用抵抗１ｇ、１ｈ、１ｉで適切な値になるように制御する構成となっている。

図５に、各発光ダイオード素子に関する駆動電流と駆動電圧との特性曲線を示す。

赤色の発光ダイオード素子の駆動電圧は、緑色及び青色の発光ダイオード素子の駆動電圧に対し、同じ駆動電流であっても大きく異なっている。そのために駆動回路においては、同じ電源電圧を使用する場合には、赤色の発光ダイオード素子１ｃに対応する抵抗１ｈの値を大きくし、これにより電圧降下を大きくするようにしている。

さらに、半導体発光装置の輝度、色調を調整する方法としては、各発光ダイオード素子の電流変化で輝度を変えて、半導体発光装置全体の輝度と色調を調整する方法がある。他の調整方法としては、各発光ダイオード素子を一定のピーク電流でパルス駆動する際のパルス幅或いはＤｕｔｙ比を各発光ダイオード素子に対して変化させる方法や、上記のような調整方法にて所定の調整が終わった後に、輝度と色調を一定に保つように外部のセンサでモニタしてフィードバック制御を行う方法もある。
特開平１０−１７３２４２号公報

ところで、近年における半導体発光装置は、従来のランプの代りやカメラのストロボ用としての機能を確保するために高出力化が要求されている。この要求への対応は、電流値を高くすることによってある程度可能である。

しかしながら、電流値を高くした場合には、電流増大化に伴う発熱により、光変換効率の低下や半導体発光装置自体の発熱が問題となる。また、上述したように赤色の発光ダイオード素子に関する抵抗は他の色の発光ダイオード素子に関する抵抗よりも抵抗値を大きくしているので、赤色の発光ダイオード素子に関する抵抗では、電力消費が多くなって発熱の原因となる。勿論、駆動電圧が高い緑色及び青色の各発光ダイオード素子に関しては、発光ダイオード素子内部での発熱が問題となる。

以上のように、高出力化のために駆動電流を上げることは、発熱の原因になるとともに光変換効率が低下するため、電源電力を効率的に光出力に変換することはできない。つまり、駆動回路や発光ダイオード素子で起こる発熱エネルギー分がロスとなっている。

また、発熱に伴い発光ダイオード素子の温度が上昇するために、発光波長及び光出力が変化する。これにより、一度輝度及び色調を調整しても、調整後に輝度及び色調が変動するという難点がある。

さらに、このような輝度及び色調は、経時変化によっても変動が起こる。そのために、半導体発光装置の外部にモニタ用のセンサを設置して、計測結果に基づいてフィードバック制御を行うことも実施されているが、その場合には、半導体発光装置とモニタ用のセンサとが一体ではないので、経時変化により位置がずれるという不具合や、汚れやゴミ付着等によってモニタの検出精度も変動するという難点がある。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、駆動電流の上昇化に伴う発熱を抑制し、特性の変動を減少させた状態で高出力化を図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。

本発明の半導体発光装置は、赤色，緑色，青色のそれぞれを発光する少なくとも三つの発光素子を内蔵する半導体発光装置において、該赤色，緑色，青色のうち少なくともいずれかの色の発光素子が半導体レーザ素子であり、前記３つの発光素子のうち、いずれかは発光ダイオード素子であり、該少なくとも三つの発光素子からなる発光部の中心付近に、該半導体レーザ素子の前面からの出射光を発光軸方向に反射させるための反射ミラーが配置されており、該発光部の周囲に反射板が設けられ、該反射ミラーは、放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を該反射板に到達させるように寸法規定がなされており、さらに、各発光素子の光出力をそれぞれ受光するフォトダイオード素子を備えるとともに、各フォトダイオード素子が捉えた電気出力に基づいて所定の輝度及び色調となるように各発光素子を制御する駆動回路を備え、該駆動回路は、半導体レーザ素子に対して電流値増減による制御を行い、発光ダイオード素子に対してパルス幅変調による制御を行い、そのことにより上記目的が達成される。
本願明細書に記載された発明は以下のとおりである。
第１発明の半導体発光装置は、赤色，緑色，青色のそれぞれを発光する少なくとも三つの発光素子を内蔵する半導体発光装置において、該赤色，緑色，青色のうち少なくともいずれかの色の発光素子が半導体レーザ素子であることを特徴とするものであり、そのことにより上記目的が達成される。発光素子の種類は３色あるが、３個とは限らず、実際に
、例えば輝度の小さい緑色の発光素子を２個使用して計４個の発光装置も可能である。また、半導体レーザも赤色が量産されており、このいずれかの色は赤色であるのが現実的であるが、青色なども将来的には変わる可能性がある。

この半導体発光装置にあっては、三つの色の少なくともいずれかの色の発光素子が、発光ダイオード素子よりも輝度の高い高出力化に適する半導体レーザ素子であるので、駆動電流の上昇化に伴う発熱を抑制し、特性の変動を減少させた状態で半導体発光装置の高出力化が容易になる。この場合において、緑及び青色の半導体レーザ素子は開発途中であるので、そのような緑及び青色の半導体レーザ素子を用いると非常に高価になってしまう。そこで、本発明のように特に赤色の発光素子に対して、現在量産されている赤色の半導体レーザ素子を使用すれば、コストを低廉化できるという効果がある。

第２発明の半導体発光装置は、第１発明の半導体発光装置において、前記半導体レーザ素子の近傍に、当該半導体レーザ素子からの出射光を受光するフォトダイオード素子が配置されていることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、半導体レーザ素子からの出射光をフォトダイオード素子が受光するので、そのフォトダイオード素子による検出値を、モニタ用に用いることでフィードバック制御化が可能となる。なお、フォトダイオード素子は、半導体レーザ素子からの出射光を反射させる機能をも有する。

第３発明の半導体発光装置は、第２発明の半導体発光装置において、前記フォトダイオード素子がサブマウント上に形成されているとともに、該サブマウント上に前記半導体レーザ素子のみがダイボンドされていることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、サブマウントの位置を変えることにより、フォトダイオード素子が捉える受光量を調整することが可能となる。

第４発明の半導体発光装置は、第１発明の半導体発光装置において、前記少なくとも三つの発光素子からなる発光部の中心付近に、前記半導体レーザ素子の前面からの出射光を発光軸方向に反射させるための反射ミラーが配置されていることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、反射ミラーにより半導体レーザ素子の前面からの出射光を発光軸方向に反射させることができるので、半導体発光装置の高出力化がより向上する。

第５発明の半導体発光装置は、第４発明の半導体発光装置において、反射ミラーの代わりにフォトダイオード素子が設置され、該フォトダイオード素子により放射光を受光すると共に反射させることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、該フォトダイオード素子により放射光を受光すると共に反射させるので、モニタとしての機能と反射ミラーとしての機能とをフォトダイオード素子により共用させ得、これにより小型化が図れる。

第６発明の半導体発光装置は、第４発明の半導体発光装置において、前記発光部の周囲に反射板が設けられ、前記反射ミラーは、放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を該反射板に到達させるように寸法規定がなされていることを特徴とする。

この半導体発光装置においては、反射ミラーが半導体レーザ素子からの放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を反射板に到達させるので、半導体発光装置の高出力化がより向上するとともに、他の色光との混色性が向上する。このとき、反射ミラーの寸法規定としては、反射ミラーの高さ及び大きさを適当な値に設定し、また、反射ミラーと半導体レーザ素子との距離を適当な値に設定することが含まれる。

第７発明の半導体発光装置は、第２発明又は第５発明の半導体発光装置において、前記フォトダイオード素子が捉えた電気出力に基づいて、前記半導体レーザ素子の光出力が一定となるように該半導体レーザ素子の電流値を制御する駆動回路を備えることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、元々駆動電圧が低くて輝度が低い赤色発光素子を発光ダイオード素子から半導体レーザ素子に換え、半導体レーザ素子の光出力が一定となるように半導体レーザ素子の電流値を制御する、所謂ＡＰＣ駆動を行うことによって、輝度が高く、温度変化や経時変化によって光出力が変動しない半導体発光装置を提供することができる。さらに、ＡＰＣによる電流駆動のために、半導体レーザ素子に直列に挿入された抵抗（保護抵抗）による電圧降下がなく、最適な電圧で駆動することができる。そのために電圧降下で消費される電力がなく、発熱による温度上昇も低減できる。

ところで、半導体レーザ素子の温度特性は、発光ダイオード素子よりも非常に厳しいために、別の駆動回路と光出力のモニタをしなければならない。しかし、従来技術でも赤色の発光ダイオード素子の駆動電圧が、他の色の発光ダイオード素子の駆動電圧と比べて大きく異なるために、他の青色や緑色の発光ダイオード素子の駆動回路とは別の回路で構成されている場合が多く、加えて、一般の半導体レーザ素子の駆動回路では外部或いは内部モニタによるフィードバック制御も行っているので、駆動制御に関しては特に新しい駆動回路を考案する必要は無く、従来技術の半導体レーザ素子の駆動回路を使用することができる。

第８発明の半導体発光装置は、第１発明の半導体発光装置において、各発光素子の光出力をそれぞれ受光するフォトダイオード素子を内蔵し、各フォトダイオード素子が捉えた電気出力に基づいて所定の輝度及び色調となるように各発光素子を制御する駆動回路を備えることを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、モニタ用のセンサとしてのフォトダイオード素子を半導体発光装置に内蔵して発光素子と一体化することによって、半導体レーザ素子の経時変化および半導体レーザ素子とセンサとの経時変化による位置ずれ、センサの汚れ等を防ぐことが可能となる。

第９発明の半導体発光装置は、第１発明の半導体発光装置において、前記３つの発光素子のうち、いずれかは発光ダイオード素子であり、さらに、各発光素子の光出力をそれぞれ受光するフォトダイオード素子を備えるとともに、各フォトダイオード素子が捉えた電気出力に基づいて所定の輝度及び色調となるように各発光素子を制御する駆動回路を備え、前記駆動回路は、半導体レーザ素子に対して電流値増減による制御を行い、発光ダイオード素子に対してパルス幅変調による制御を行うことを特徴とする。

この半導体発光装置にあっては、半導体レーザ素子の駆動に関しては発光ダイオード素子と異なり閾値電流があるので、デューテイ比やパルス幅を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）による制御よりも、電流値増減による制御の方がより簡単に制御することができる。

以上詳述したように本発明による場合には、三色の発光素子のうち少なくともいずれかの色の発光素子が、発光ダイオード素子よりも輝度の高い高出力化に適する半導体レーザ素子であるので、駆動電流の上昇化に伴う発熱を抑制し、特性の変動を減少させた状態で半導体発光装置の高出力化が容易になる。この場合において、緑及び青色の半導体レーザ素子は開発途中であるので、そのような緑及び青色の半導体レーザ素子を用いると非常に高価になってしまう。そこで、本発明のように赤色の発光素子に対して、現在量産されている赤色の半導体レーザ素子を使用すれば、コストを低廉化できるという効果がある。

以下に、本発明を具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光装置を示す図であり、（ａ）はその半導体発光装置の平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線における模式的断面図である。なお、図１（ｂ）においては、ハッチングを省略している。

この半導体発光装置４ａは、一つのパッケージとして組立てられたもので、このパッケージ内には、発光素子としての青色発光ダイオード素子４ｈと緑色発光ダイオード素子４ｇが所定のリードフレームに設けられている。また、リードフレーム４ｃの上には、サブマウント４ｊが形成され、そのサブマウント４ｊの上にはＳｉフォトダイオード素子４ｄが形成されているとともに、発光素子としての赤色半導体レーザ素子４ｅがダイボンドされている。

上記三つの素子４ｈ、４ｇ、４ｅを有する発光部の外側には、これらを包囲して円環状の反射板４ｉが設けられている。この反射板４ｉは、内側が低く外側が高くなるように形成され、入射した光を装置４ａの前面方向（図の上方）に反射されるようになっている。

また、青色発光ダイオード素子４ｈと緑色発光ダイオード素子４ｇとの間であって、発光部の中心付近には、反射ミラー４ｆが設けられており、この反射ミラー４ｆは、赤色半導体レーザ素子４ｅの前面から出射した放射光の一部が入射し、この反射ミラー４ｆで反射されなかった残りの放射光や赤色半導体レーザ素子４ｅの後方から出射した放射光は反射板４ｉにより、前記装置４ａの前面方向である発光軸方向（図の上方）に反射される。また、反射板４ｉには、青色発光ダイオード素子４ｈ及び緑色発光ダイオード素子４ｇから出射した放射光が入射して、上方に反射される。なお、半導体発光装置４ａの側面には、この図示例では６つの電気端子４ｂが設けられている。

上記反射ミラー４ｆは、放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を反射板４ｉに到達させるように寸法規定がなされている。その寸法規定としては、反射ミラー４ｆの高さ及び大きさを適当な値に設定し、また、反射ミラー４ｆと赤色半導体レーザ素子４ｅとの距離を適当な値に設定することが含まれる。

図２は、本発明の実施形態に係る半導体発光装置に備わった駆動回路を示す。

この駆動回路は、青色発光ダイオード素子４ｈ及び緑色発光ダイオード素子４ｇに対して、従来同様の駆動を行っている。即ち、共通の電源電圧（Ｖｃｃ）から二つの発光ダイオード素子４ｈ及び４ｇに与えられる駆動電圧を、各発光ダイオード素子４ｈ及び４ｇに対してそれぞれ直列に挿入された保護用抵抗４ｋ、４ｌで適切な値になるように駆動制御している。

一方、赤色半導体レーザ素子４ｅの駆動は、サブマウント４ｊ上のＳｉフォトダイオード素子４ｄで赤色半導体レーザ素子４ｅの放射光の一部が受光され、Ｓｉフォトダイオード素子４ｄで変換された電流信号が、Ｓｉフォトダイオード素子４ｄに直列に繋がれた抵抗４ｎで電圧信号として取り出されてアンプ４ｐを経てＡＰＣ（光出力一定）回路４ｑに入力され、このＡＰＣ回路４ｑによって半導体レーザ素子４ｅへの電流量を増減させることで、半導体レーザ素子４ｅの光出力が予め決められた一定値になるように行われる。このＡＰＣ回路４ｑによる駆動により、赤色半導体レーザ素子４ｅからの光出力は、温度変化や経時変化が有っても一定の光出力を保つ。

このように構成された本実施形態の半導体発光装置による場合には、三つの発光素子の一つが、発光ダイオード素子よりも輝度の高い高出力化に適する赤色半導体レーザ素子４ｅであるので、駆動電流の上昇化に伴う発熱を抑制し、特性の変動を減少させた状態で半導体発光装置の高出力化が容易になる。この場合において、青色及び緑色の半導体レーザ素子は開発途中であるので、そのような青色及び緑色の半導体レーザ素子を用いると非常に高価になってしまうが、本実施形態のように赤色発光素子に対して、現在量産されている赤色半導体レーザ素子４ｅを使用することで、コストを低廉化できる利点がある。但し、青色及び緑色の発光素子に半導体レーザ素子を用いるようにして、高出力化を図るようにしてもよい。

また、本実施形態においては、赤色半導体レーザ素子４ｅの近傍には、赤色半導体レーザ素子４ｅからの出射光をフォトダイオード素子４ｄが電気信号として受光するので、そのフォトダイオード素子４ｄによる検出値を、モニタ用に用いることでフィードバック制御化が可能となる。なお、フォトダイオード素子４ｄは、赤色半導体レーザ素子４ｅからの出射光を反射させる機能をも有する。

また、本実施形態においては、フォトダイオード素子４ｄがサブマウント４ｊ上に形成されているとともに、そのサブマウント４ｊ上に赤色半導体レーザ素子４ｅのみがダイボンドされているので、サブマウント４ｊの位置（または高さ）を変えることにより、フォトダイオード素子４ｄが捉える受光量を調整することが可能となる。

また、本実施形態においては、発光部の中心付近に、赤色半導体レーザ素子４ｅの前面からの出射光を発光軸方向に反射させるための反射ミラー４ｆが配置されているので、この反射ミラー４ｆにより赤色半導体レーザ素子４ｅの前面からの出射光を発光軸方向に反射させることができるので、半導体発光装置４ａの高出力化をより向上させ得る。

また、本実施形態においては、反射ミラー４ｆは、放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を反射板４ｉに到達させるように寸法規定がなされているので、半導体発光装置４ａの高出力化をより向上させ得るとともに、他の色光との混色性を向上させ得る。加えて、反射ミラー４ｆの有る半導体発光装置４ａの中心部と反射板４ｉの有る周辺とで、放射光が上方に反射されるために、半導体発光装置４ａの発光部全体で光ることになり、他の色の放射光との混色性を良くすることが可能となる。

また、本実施形態においては、フォトダイオード素子４ｄが捉えた電気出力に基づいて、赤色半導体レーザ素子４ｅの光出力が一定となるように、赤色半導体レーザ素子４ｅの電流値を制御する駆動回路としてのＡＰＣ回路４ｑを備えるので、輝度が高く、温度変化や経時変化によって光出力が変動しない半導体発光装置４ａを提供することができる。さらに、ＡＰＣ回路４ｑによる電流駆動のために、赤色半導体レーザ素子４ｅに直列に挿入された抵抗（保護抵抗）４ｍによる電圧降下がなく、最適な電圧で駆動することができる。そのために電圧降下で消費される電力がなく、発熱による温度上昇も低減できる。この場合において、半導体レーザ素子の温度特性は、発光ダイオード素子よりも非常に厳しいために、別の駆動回路と光出力のモニタをしなければならない。しかし、従来技術でも赤色の発光ダイオード素子の駆動電圧が、他の色の発光ダイオード素子の駆動電圧と比べて大きく異なるために、他の青色や緑色の発光ダイオード素子の駆動回路とは別の回路で構成されている場合が多く、加えて、一般の半導体レーザ素子の駆動回路では外部或いは内部モニタによるフィードバック制御も行っているので、駆動制御に関しては特に新しい駆動回路を考案する必要は無く、従来技術の半導体レーザ素子の駆動回路を使用することができる。

なお、上述した実施形態では、反射ミラーとフォトダイオード素子の両方を備える構成としているが、本発明はこれに限らず、反射ミラーを省略し、かつフォトダイオード素子により放射光を受光すると共に反射させる構成としてもよい。
この構成の場合には、フォトダイオード素子により放射光を受光すると共に反射させるので、モニタとしての機能と反射ミラーとしての機能とをフォトダイオード素子により共用させ得、これにより小型化が図れる。

また、上述した実施形態では、Ｓｉフォトダイオード素子をサブマウントに形成するようにしているが、本発明はこれに限らず、Ｓｉフォトダイオード素子に代えて反射ミラーを形成するようにしてもよい。このようにすることにより、構造を簡単にして小型化を図ることが可能となる。

また、上述した実施形態では、赤色半導体レーザ素子に対してのみＳｉフォトダイオード素子を配置した構成としているが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子の近傍にもＳｉフォトダイオード素子を配置させて、ＡＰＣ駆動を行うようにしてもよい。この場合において、半導体レーザ素子に対して電流値増減による制御を行い、発光ダイオード素子に対してパルス幅変調による制御を行うようにするのが好ましい。その理由は、半導体レーザ素子の駆動に関しては発光ダイオード素子と異なり閾値電流があるので、デューテイ比やパルス幅を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）による制御よりも、電流値増減による制御の方がより簡単に制御することができるからである。また、モニタ用のセンサとしてのフォトダイオード素子を半導体発光装置に内蔵して発光素子と一体化する構成とすることが好ましい。この構成とすることによって、半導体レーザ素子の経時変化および半導体レーザ素子とセンサとの経時変化による位置ずれ、センサの汚れ等を防ぐことが可能となる。

主に白色光を使用する、発光素子を用いた照明装置或いは液晶のバックライト等に使用される半導体発光装置の分野において、駆動電流の上昇化に伴う発熱を抑制し、特性の変動を減少させた状態で高出力化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る半導体発光装置を示す図であり、（ａ）はその半導体発光装置の平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線における模式的断面図である。本発明の実施形態に係る半導体発光装置に備わった駆動回路を示す図である。従来技術の半導体発光装置を示す図であり、（ａ）はその半導体発光装置の平面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線における模式的断面図である。従来技術の半導体発光装置に備わった駆動回路を示す図である。発光ダイオードの駆動電流と駆動電圧との関係を示す図である。

符号の説明

４ａ半導体発光装置
４ｂ電気端子
４ｃリードフレーム
４ｄＳｉフォトダイオード
４ｅ赤色半導体レーザ素子（発光素子）
４ｆ反射ミラー
４ｇ緑色発光ダイオード素子（発光素子）
４ｈ青色発光ダイオード素子（発光素子）
４ｉ反射板
４ｊサブマウント
４ｋ、４ｌ保護用抵抗
４ｍ、４ｎ抵抗
４ｐアンプ
４ｑＡＰＣ回路

Claims

赤色，緑色，青色のそれぞれを発光する少なくとも三つの発光素子を内蔵する半導体発光装置において、
該赤色，緑色，青色のうち少なくともいずれかの色の発光素子が半導体レーザ素子であり、
前記３つの発光素子のうち、いずれかは発光ダイオード素子であり、
該少なくとも三つの発光素子からなる発光部の中心付近に、該半導体レーザ素子の前面からの出射光を発光軸方向に反射させるための反射ミラーが配置されており、
該発光部の周囲に反射板が設けられ、該反射ミラーは、放射光の一部を発光軸方向に反射するとともに残りの一部を該反射板に到達させるように寸法規定がなされており、
さらに、各発光素子の光出力をそれぞれ受光するフォトダイオード素子を備えるとともに、各フォトダイオード素子が捉えた電気出力に基づいて所定の輝度及び色調となるように各発光素子を制御する駆動回路を備え、該駆動回路は、半導体レーザ素子に対して電流値増減による制御を行い、発光ダイオード素子に対してパルス幅変調による制御を行うことを特徴とする半導体発光装置。