特許 6029053 半導体発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6029053

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】半導体発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/00 20100101AFI20161114BHJP

   H01L 51/50 20060101ALI20161114BHJP

   H01S 5/062 20060101ALI20161114BHJP

   H05B 37/02 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 J

   H05B33/14 A

   H01S5/062

   H05B37/02 J

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-167104(P2012-167104)

(22)【出願日】2012年7月27日

(65)【公開番号】特開2013-55330(P2013-55330A)

(43)【公開日】2013年3月21日

【審査請求日】2015年7月27日

(31)【優先権主張番号】特願2011-171598(P2011-171598)

(32)【優先日】2011年8月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】501061319

【氏名又は名称】学校法人 東洋大学

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(72)【発明者】

【氏名】佐野 勇司

【審査官】 佐藤 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０８８２１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８８２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０４５４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１２２７８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ３３／００−３３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子に流れるパルス電流を遮断して前記半導体発光素子の発光量を制御し且つ前記パルス電流の遮断に伴って発生する前記半導体発光素子の拡散容量の放電が終了する前に前記半導体発光素子にパルス電流を流すように、前記半導体発光素子に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御するパルスタイミング制御部と、
を備え、
前記パルスタイミング制御部は、前記拡散容量をＣｄ、前記拡散容量に並列に接続された等価抵抗をＲｄとした場合に、前記パルス信号のオフ時間Ｔｏｆｆを、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく前記半導体発光素子の残光時間よりも大きくしたことを特徴とする半導体発光装置。

【請求項2】

前記パルスタイミング制御部は、前記パルス信号に対してパルス幅変調又はパルス周波数変調又はパルス振幅変調を行い、変調されたパルス信号を前記半導体発光素子に印加することを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。

【請求項3】

前記パルスタイミング制御部は、電流源からなり、該電流源から前記半導体発光素子にパルス電流を流すことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体発光装置。

【請求項4】

前記パルスタイミング制御部は、前記パルス信号に対してパルス幅変調とパルス振幅変調とを行い、変調されたパルス信号を前記半導体発光素子に印加することを特徴とする請求項１又は請求項３記載の半導体発光装置。

【請求項5】

前記パルスタイミング制御部は、前記パルス信号に対してパルス周波数変調とパルス振幅変調とを行い、変調されたパルス信号を前記半導体発光素子に印加することを特徴とする請求項１又は請求項３記載の半導体発光装置。

【請求項6】

パルス電流が流れることにより発光する第１の半導体発光素子と、
前記第１の半導体発光素子と対向して配置され、パルス電流が流れることにより発光する第２の半導体発光素子と、
前記第１及び第２の半導体発光素子の一方の半導体発光素子にパルス電流を流して発光させ、この光を他方の半導体発光素子に照射することにより、前記他方の半導体発光素子に含まれる拡散容量を充電した後、前記他方の半導体発光素子にパルス電流を流すように、前記第１及び第２の半導体発光素子に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御するパルスタイミング制御部と、
を備えることを特徴とする半導体発光装置。

【請求項7】

前記パルスタイミング制御部は、前記パルス信号に対してパルス幅変調又はパルス周波数変調又はパルス振幅変調を行い、変調されたパルス信号を前記第１及び第２の半導体発光素子に印加することを特徴とする請求項６記載の半導体発光装置。

【請求項8】

前記パルスタイミング制御部は、第１電流源と第２電流源とからなり、前記第１電流源から前記第１の半導体発光素子にパルス電流を流し、前記第２電流源から前記第２の半導体発光素子にパルス電流を流すことを特徴とする請求項６又は請求項７記載の半導体発光装置。

【請求項9】

前記第１及び第２の半導体素子は、同一部材内に互いに対向し且つ隣接して配置されることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の半導体発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザー発光ダイオード，有機ＥＬ素子などの半導体発光素子、およびこれらを用いた半導体発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＥＤやレーザー発光ダイオード，有機ＥＬ素子などの半導体発光素子は、半導体中の電荷キャリアである自由電子と正孔の再結合の際に生じる発光現象を利用することによって発熱を抑えた、発光電力効率の高い素子である。従来の発光素子を半導体発光素子に置き換えることにより、照明機器や電子ディスプレイ、電子サインなどの消費電力が低減できる。また、製造の際に地球の希少資源の消費を抑えると共に、環境汚染物質の排出も抑えられるため、地球環境に優しい素子として近年、世界中で爆発的に普及している。

【0003】

半導体発光素子は原理的に駆動電流に概ね比例した光量の光を発光する。しかし、実際には再結合の効率変化や温度依存性があるため、駆動電流値の変化に伴い発光光量に非線形性が現れたり、発光ピーク波長がシフトする。このため、半導体発光素子の制御には一定のピーク電流のパルス電流を流して、電流の流通時間幅を可変するＰＷＭ（パルス幅変調）が主に用いられている。

【0004】

図２３は従来の半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図２４は従来の半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。図２３において、直流電源Ｖｄｄの両端には、抵抗ＲｏとＬＥＤＤ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。パルス発生部１０は、図２４に示す時刻ｔ１０において、パルス信号ＶINをスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加する。すると、Ｖｄｄ→Ｒｏ→Ｄ１→Ｑ１の経路で、ＬＥＤＤ１に電流ＩLEDが流れて、ＬＥＤＤ１の両端間には電圧ＶLEDが発生する。この電圧ＶLED及び電流ＩLEDは急激に増加した後、一定値になる。その後、ＬＥＤＤ１が発光して、光Ｌが出力される。

【0005】

このときのＬＥＤの動作を図２５に示すＬＥＤの等価回路を用いて説明する。ＬＥＤＤ１のアノードＡとカソードＫの間には、抵抗ｒと拡散容量Ｃｄとの直列回路が接続されるとともに、拡散容量Ｃｄには並列に電流源ＩLEDと抵抗Ｒｄとが接続されて構成されている。この構成において、パルス発生部１０からのパルス信号によりスイッチング素子Ｑ１がオン／オフすると、ＬＥＤＤ１もオン／オフする。図２４の時刻ｔ１１においてＬＥＤＤ１がオフした時には、拡散容量Ｃｄの電荷（電圧ＶLED）が抵抗Ｒｄを介して自己放電する。時刻ｔ１２においてＬＥＤＤ１がオンした時には、電流源ＩLEDに電流が流れるととともに拡散容量Ｃｄが充電される。その後、自由電子と正孔とのキャリアが再結合してＬＥＤＤ１から光Ｌが出力される。

【0006】

なお、この種の従来の技術として、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１は、液晶表示器の表示部を照明する光源の輝度レベルを記憶する記憶手段と、記憶手段が記憶している輝度レベルに応じた幅のパルス信号を連続して発生するパルス発生手段と、発生した連続したパルス信号によりオン・オフを繰り返し光源（ＬＥＤ）に流れる電流を制御することで輝度調整を容易に行え、さらに高い発光効率を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０００−１３２１１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、従来のパルス電流制御では、パルス電流の流通（オン）及び遮断（オフ）タイミングにおいて、キャリアが再結合する前に、ＬＥＤＤ１の拡散容量Ｃｄを充放電していた。この充放電により、電圧ＶLEDと電流ＩLEDとの立ち上がりタイミング（例えば、時刻ｔ１０、時刻ｔ１２の直後）において、電圧ＶLEDと電流ＩLEDとによる電力損失が発生していた。即ち、ＬＥＤＤ１の発光に寄与しない余分な電力を消費すると共に、ＬＥＤＤ１の発光量が減少していた。この現象が半導体発光素子の発光効率を低下させていた。

【0009】

本発明の課題は、半導体発光素子の発光効率を向上することができる半導体発光装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子に流れるパルス電流を遮断して前記半導体発光素子の発光量を制御し且つ前記パルス電流の遮断に伴って発生する前記半導体発光素子の拡散容量の放電が終了する前に前記半導体発光素子にパルス電流を流すように、前記半導体発光素子に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御するパルスタイミング制御部とを備え、前記パルスタイミング制御部は、前記拡散容量をＣｄ、前記拡散容量に並列に接続された等価抵抗をＲｄとした場合に、前記パルス信号のオフ時間Ｔｏｆｆを、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく前記半導体発光素子の残光時間よりも大きくしたことを特徴とする。

【0011】

また、本発明は、パルス電流が流れることにより発光する第１の半導体発光素子と、前記第１の半導体発光素子と対向して配置され、パルス電流が流れることにより発光する第２の半導体発光素子と、前記第１及び第２の半導体発光素子の一方の半導体発光素子にパルス電流を流して発光させ、この光を他方の半導体発光素子に照射することにより、前記他方の半導体発光素子に含まれる拡散容量を充電した後、前記他方の半導体発光素子にパルス電流を流すように、前記第１及び第２の半導体発光素子に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御するパルスタイミング制御部とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、パルスタイミング制御部は、拡散容量をＣｄ、拡散容量に並列に接続された等価抵抗をＲｄとした場合に、パルス信号のオフ時間Ｔｏｆｆを、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく半導体発光素子の残光時間よりも大きくし、パルス信号のオン／オフのタイミング制御により、パルス電流の遮断に伴って発生する半導体発光素子の拡散容量の放電が終了する前に半導体発光素子にパルス電流を流すので、拡散容量の放電が減少し、パルス電流を半導体発光素子のキャリアの再結合に有効に活用することができる。従って、半導体発光素子での消費電力を低減でき、発光量を増加することができるので、半導体発光素子の発光効率や半導体発光装置の電力効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施例１に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の実施例１に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。

【図3】半導体発光装置に設けられたＬＥＤの立ち上がり立下り波形を示す図ある。

【図4】従来の半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち上がり波形を示す図である。

【図5】従来の半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち下がり波形を示す図である。

【図6】本発明の実施例１に係る半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち上がり波形を示す図である。

【図7】本発明の実施例１に係る半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち下がり波形を示す図である。

【図8】ＬＥＤの立ち上がり時の損失領域及び理想の光の領域と立下り時の利得領域とを示す図である。

【図9】ＬＥＤの発光損失の改善を示す図である。

【図10】ＬＥＤの充放電損失の解析を示す図である。

【図11】１パルスあたりの充放電電力と低減率を示す図である。

【図12】本発明の実施例２に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図13】本発明の実施例２に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。

【図14】本発明の実施例２に係る半導体発光装置の具体例の構成を示すブロック図である。

【図15】本発明の実施例３に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図16】本発明の実施例４に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図17】本発明の実施例５に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図18】本発明の実施例５に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。

【図19】本発明の実施例５に係る半導体発光装置の構造を示す図である。

【図20】本発明の実施例６に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図21】本発明の実施例７に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図22】本発明の実施例８に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図23】従来の半導体発光装置の構成を示すブロック図である。

【図24】従来の半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。

【図25】半導体発光装置に設けられたＬＥＤの等価回路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施の形態の半導体発光装置を図面を参照しながら詳細に説明する。

【実施例1】

【0015】

図１は本発明の実施例１に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図１において、直流電源Ｖｄｄの両端には、抵抗ＲｏとＬＥＤＤ１（半導体発光素子）とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。

【0016】

パルスタイミング制御部１は、ＬＥＤＤ１に流れるパルス電流を遮断してＬＥＤＤ１の発光量を制御し且つパルス電流の遮断に伴って発生するＬＥＤＤ１の拡散容量Ｃｄの放電が終了する前にＬＥＤＤ１にパルス電流を流すように、ＬＥＤＤ１に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御する。パルスタイミング制御部１は、制御されたパルス信号ＶINをスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加する。

【0017】

パルスタイミング制御部１は、ＬＥＤＤ１の拡散容量をＣｄ、拡散容量Ｃｄに並列に接続された等価抵抗をＲｄとした場合に、パルス信号ＶINのオフ時間ｔｏｆｆを、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく、ＬＥＤＤ１の残光時間Ｔｚよりも大きく設定している。

【0018】

また、パルスタイミング制御部１は、パルス信号に対してパルス幅変調（ＰＷＭ）を行い、ＰＷＭ変調されたパルス信号をスイッチング素子Ｑ１に印加することで、ＬＥＤＤ１をパルス制御している。

【0019】

なお、パルス信号に対してパルス幅変調を行う代わりに、パルス周波数変調（ＰＦＭ）又はパルス振幅変調（ＰＡＭ）を行い、変調されたパルス信号をスイッチング素子Ｑ１に印加することで、ＬＥＤＤ１の発光を制御しても良い。

【0020】

図２は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。図２に示す各部の波形図を参照しながら半導体発光装置の動作を説明する。

【0021】

まず、パルスタイミング制御部１が、時刻ｔ０において、図２に示すパルス信号ＶINをスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、Ｖｄｄ→Ｒｏ→Ｄ１→Ｑ１の経路で、ＬＥＤＤ１に電流ＩLEDが流れて、ＬＥＤＤ１の両端間には電圧ＶLEDが発生する。この電圧ＶLED及び電流ＩLEDは急激に増加した後、一定値になる。その後、ＬＥＤＤ１が発光して、光Ｌが出力される。

【0022】

時刻ｔ１〜ｔ２の時間ｔｏｆｆにおいて、パルス信号ＶINがオフされると、ＬＥＤＤ１がオフし、拡散容量Ｃｄの電荷（電圧ＶLED）が抵抗Ｒｄを介して自己放電するが、ＬＥＤＤ１の電圧ＶLEDはわずかに減少する。この場合には、パルス信号のオフ時間ｔｏｆｆは、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく設定されているので、時刻ｔ２においても拡散容量Ｃｄの電荷は完全放電しないため、ＶLEDは正電圧となる。

【0023】

そして、拡散容量Ｃｄの電荷の放電が終了する前に、時刻ｔ２において、パルス信号のオンによりＬＥＤＤ１にパルス電流を流す。このため、拡散容量Ｃｄから放出される電荷量が減少するので、残りの電荷量を用いることにより、パルス電流をＬＥＤＤ１のキャリアの再結合に有効に活用して迅速に発光を再開することができる。

【0024】

従って、ＬＥＤＤ１の拡散容量の充放電電力を減らして、ＬＥＤ自体と駆動回路での消費電力を低減できると共に、発光量を増加することができるので、ＬＥＤＤ１の発光効率や半導体発光装置の電力効率を向上させることができる。

【0025】

図３〜図６に受光器によりＬＥＤを検出した結果を示す。図３は、半導体発光装置に設けられたＬＥＤＤ１の立ち上がり立下り波形を示す図ある。図３において、ＶLEDはＬＥＤＤ１の両端電圧、ＩLEDはＬＥＤＤ１に流れる電流、ＬはＬＥＤＤ１からの光を示す。

【0026】

図４は、従来の半導体発光装置により駆動されたＬＥＤＤ１の立ち上がり波形を示す図である。図５は、従来の半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち下がり波形を示す図である。図５において、光Ｌの波形のゼロ値に対して１０％〜９０％の時間Ｔｚを残光時間とする。

【0027】

図６は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち上がり波形を示す図である。図７は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置により駆動されたＬＥＤの立ち下がり波形を示す図である。実施例１の時間Ｔｏｆｆは、残光時間Ｔｚよりも大きく設定されている。

【0028】

図４と図６とのＬＥＤＤ１の立ち上がり波形を比較すると、図６に示すＶLEDのオフ期間の電圧は正電圧であり、しかも立ち上がり時間ｔｓｓが図４に示すそれよりも短い。即ち、拡散容量Ｃｄから放出される電荷量が減少するので、パルス電流をＬＥＤＤ１のキャリアの再結合に有効に活用することができる。また、図６に示す光Ｌの立ち上がり時間ｔｓｄも図４に示すそれよりも短いので、発光量を増加できる。

【0029】

なお、本出願人の発明者は、以下の考えに着目しこの考えに基づいてＬＥＤの発光に関する実験を行ったので、これらについて以下に述べる。

【0030】

まず、ＬＥＤがＬＥＤからの光強度とほとんど独立している拡散容量を充電するための電力を消費するという実験的な結果からそれが考えられる。このため、電力消費は、拡散容量を充電することなしに、ＬＥＤにパルス電流を流すことによって減少できることが考えられる。また、発光において、パルス電流が損失なしにキャリア再結合のために効率的に使用できることから発光量も増加する。

【0031】

発光効率の改善は、以上述べられたＬＥＤドライブ方法を用いることにより期待される。実験の結果として、ＬＥＤの発光の損失は、以下のようにその拡散容量を充電することなしに、駆動されることで減少できる。

【0032】

図８（ａ）にＬＥＤの立ち上がり時の損失領域及び理想の光の領域を示す。図８（ｂ）にＬＥＤの立下り時の利得領域を示す。立ち上がり時の発光の損面積とは、電流が流れ始めた時間から発光がピークに達するまでの面積から、実際に発光している面積を引いたものである。損失比の計算方法を式（１）に示す。

【0033】

{(立ち上り時の損失)−(立ち下り時の損失)}×100/(理想の光)‥(1)
また、光源として、赤ＬＥＤ、緑ＬＥＤ、青ＬＥＤ、白ＬＥＤを用いたときの従来のＬＥＤと本発明のＬＥＤとの発光損失の改善結果を図９に示す。図９からもわかるように、減少される損失（図９の改善効果）は、赤ＬＥＤでは１０．２％、緑ＬＥＤでは６．２％、青ＬＥＤでは５．３％、白ＬＥＤでは、７．９％改善される。

【0034】

また、出願人は、ＬＥＤの拡散容量の充放電電力の影響を調べるために回路素子測定器による測定を各色行った。測定は、ＬＥＤの両端にインピーダンスアナライザを接続して行なった。図１０にＬＥＤの充放電損失の解析を示す。図１０において、横軸はＬＥＤ電圧ＶLED、縦軸は電荷Ｑ（ｐＣ）である。ＬＥＤの拡散容量は電圧依存性があるため、図１０に示すように、ＬＥＤ電圧ＶLEDの測定値から電荷Ｑ（ｐＣ）を求めることにより、ＬＥＤの容量がわかる。容量測定時の印加電圧範囲を調整して充電電荷の電圧依存性を測定することにより、電圧依存性のある拡散容量の充電電荷量と充電エネルギーを正確に求めることができる。

【0035】

図１１に、１パルスあたりの充放電電力と低減率を示す。拡散容量の充電時に駆動回路の電源から供給される〔電源電圧〕×〔充電電荷〕のエネルギーがパルス電流の流れる度に消費される。この全消費エネルギーは、拡散容量の充電時に駆動回路で消費されるエネルギーと、充電時に拡散容量に充電され放電時に駆動回路で消費されるエネルギーとの合計になる。図１１の低減率からもわかるように、拡散容量の充放電の度に消費される駆動電力は、赤ＬＥＤでは２６．５％に、緑ＬＥＤでは４０．９％に、青ＬＥＤでは２５．０％に、白ＬＥＤでは、３０．０％にそれぞれ低減した。

【実施例2】

【0036】

図１２は、本発明の実施例２に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図１２に示す実施例２の半導体発光装置は、ＬＥＤＤ１の両端に接続された電流源Ｉｏ（ｔ）を設けたことを特徴とする。

【0037】

電流源Ｉｏ（ｔ）は、ＬＥＤＤ１にパルス電流を供給するもので、図１に示すパルスタイミング制御部１と同一機能を有する。即ち、電流源Ｉｏ（ｔ）は、ＬＥＤＤ１に流れるパルス電流を遮断してＬＥＤＤ１の発光量を制御し且つパルス電流の遮断に伴って発生するＬＥＤＤ１の拡散容量Ｃｄの放電が終了する前にＬＥＤＤ１にパルス電流を流すように、ＬＥＤＤ１に流すべきパルス電流のオン／オフのタイミングを制御する。

【0038】

また、電流源Ｉｏ（ｔ）は、ＬＥＤＤ１の拡散容量をＣｄ、拡散容量Ｃｄに並列に接続された等価抵抗をＲｄとした場合に、パルス電流のオフ時間ｔｏｆｆを、時間Ｔｄｉｓ＝２．２×Ｃｄ×Ｒｄよりも小さく、ＬＥＤＤ１の残光時間Ｔｚよりも大きく設定している。

【0039】

図１３は、本発明の実施例２に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。このような実施例２の半導体発光装置によれば、電流源Ｉｏ（ｔ）を用いても実施例１の半導体発光装置と同様に動作し、同様な効果が得られる。

【0040】

図１４は、本発明の実施例２に係る半導体発光装置の具体例の構成を示すブロック図である。図１４において、直流電源Ｖｄｄの両端には、ＬＥＤＤ１とスイッチング素子Ｑ１と電流検出抵抗Ｒｓとの直列回路が接続されている。パルスタイミング制御部１の出力ＶINのタイミングは、図１に示すパルスタイミング制御部１と同様であるが、パルス振幅を発光量に応じて増減する。

【0041】

図１４に示す半導体発光装置によれば、パルスタイミング制御部１がパルス信号ＶINをスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加することで、スイッチング素子Ｑ１がオンオフして、電流制限抵抗Ｒｓに振幅が制御された定電流が流れるので、スイッチング素子Ｑ１が定電流回路、即ち、電流源Ｉｏ（ｔ）を構成することができる。従って、実施例１の半導体発光装置と同様に動作し、同様な効果が得られる。

【実施例3】

【0042】

図１５（ａ）は、本発明の実施例３に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図、図１５（ｂ）は、実施例３の半導体発光装置のＰＷＭ／ＰＡＭ制御部２のパルス信号の波形図である。

【0043】

図１５に示す実施例３に係る半導体発光装置は、ＰＷＭ／ＰＡＭ制御部２を用いたことを特徴とする。ＰＷＭ／ＰＡＭ制御部２は、スイッチング素子Ｑ１のゲートに印加すべきパルス信号のデューティサイクルＤ＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）を制御（ＰＷＭ）するとともに、パルスのピーク電流値ＩLED(PEAK)を制御（ＰＡＭ）する。なお、ＰＷＭ／ＰＡＭ制御部２としては、ＰＷＭ制御のみ又はＰＡＭ制御のみにしても良い。

【0044】

即ち、発光量Ｌ∝Ｄ・ＩLED(PEAK)であるので、ＰＷＭ／ＰＡＭ制御部２は、例えば、図１５（ｂ）に示すようにＩLEDを可変制御したパルス信号によって発光量Ｌを任意に変化させることができる。

【0045】

但し、ＬＥＤＤ１の拡散容量Ｃｄの放電時間はピーク電流値ＩLED(PEAK)の増減に伴って変化する可能性があるので、ピーク電流値ＩLED(PEAK)の可変範囲に応じて、パルス信号のオフ時間ＴOFFは、放電時間よりも短くなるように設定又は制御する必要がある。

【実施例4】

【0046】

実施例３以外のもう一つの制御方法としては、ＬＥＤＤ１の拡散容量Ｃｄが放電して、ＬＥＤ電圧が低下し過ぎないように、パルス電流が遮断されるオフ時間ＴOFFの短さを維持したままで、パルス電流が導通するオン時間ＴONの長さを可変して、パルスの繰り返し周波数ｆ（Ｈｚ）＝（１／（ＴON＋ＴOFF））を制御する方法がある。

【0047】

図１６に示す本発明の実施例４に係る半導体発光装置は、パルスの繰り返し周波数ｆ（Ｈｚ）＝（１／（ＴON＋ＴOFF））を制御するものである。図１６（ａ）は、本発明の実施例４に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図、図１６（ｂ）は、実施例４の半導体発光装置のＰＷＭ／ＰＡＭ制御部３のパルス信号の波形図である。

【0048】

図１６に示すＰＦＭ／ＰＡＭ制御部３は、スイッチング素子Ｑ１のゲートに印加すべきパルス信号のパルスの繰り返し周波数ｆを制御（ＰＦＭ）するとともに、パルスのピーク電流値ＩLED(PEAK)を制御（ＰＡＭ）する。なお、ＰＦＭ／ＰＡＭ制御部３としては、ＰＦＭ制御のみ又はＰＡＭ制御としても良い。

【0049】

即ち、発光量Ｌ∝Ｄ・ＩLED(PEAK)＝｛１−（ｆ×ＴOFF）｝・ＩLED(PEAK
)であるので、ＰＦＭ／ＰＡＭ制御部３は、例えば、図１６（ｂ）に示すようにオフ時間ＴOFFを一定にしたままでオン時間ＴONを制御して、パルスの繰り返し周波数ｆを変えることによって発光量を変化させることができる。

【0050】

なお、本発明におけるＬＥＤ駆動回路には、簡単な例として図示した抵抗とスイッチ素子から成る回路構成に限らず、一般的なコイルやコンデンサとスイッチ素子から成る低電力駆動回路が含まれることは言うまでもない。

【実施例5】

【0051】

図１７は、本発明の実施例５に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図１７において、直流電源Ｖｄｄ１の両端には、ＬＥＤ１（第１の半導体発光素子）と抵抗Ｒｄ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。直流電源Ｖｄｄ２の両端には、ＬＥＤ２（第２の半導体発光素子）と抵抗Ｒｄ２とスイッチング素子Ｑ２との直列回路が接続されている。

【0052】

ＬＥＤ１とＬＥＤ２とは、対向して配置され、相互に一方のＬＥＤで発光した光を他方のＬＥＤに照射するようになっている。

【0053】

パルスタイミング制御部１ａは、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２の一方のＬＥＤにパルス電流を流して発光させ、この光を他方のＬＥＤに照射することにより、誘起されたキャリアを用いて他方のＬＥＤが発光する前に他方のＬＥＤに含まれる拡散容量を充電した後、他方のＬＥＤにパルス電流を流すように、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御する。パルスタイミング制御部１ａは、制御されたパルス信号Ｖｉｎ１をスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加し、パルス信号Ｖｉｎ２をスイッチング素子Ｑ２のゲートに印加する。

【0054】

図１８は、本発明の実施例５に係る半導体発光装置の動作を説明するための各部の波形図である。図１８に示す各部の波形図を参照しながら半導体発光装置の動作を説明する。

【0055】

まず、パルスタイミング制御部１ａが、時刻ｔ１２において、パルス信号Ｖｉｎ２をスイッチング素子Ｑ２のゲートに印加すると、スイッチング素子Ｑ２がオンして、Ｖｄｄ２→ＬＥＤ２→Ｑ２の経路で、ＬＥＤ２に電流ＩLED2が流れて、ＬＥＤ２が発光し始めて、時刻ｔ１３において、光Ｌ２が最大強度になって出力される。

【0056】

ＬＥＤ２で発光した光Ｌ２は、ＬＥＤ１を照射するので、ＬＥＤ１は光Ｌ２を受光する。この光Ｌ２によりＬＥＤ１の電圧ＶLED1が上昇する。即ち、ＬＥＤ２からの光Ｌ２によりＬＥＤ１にキャリアが誘起され、誘起されたキャリアによりＬＥＤ１の拡散容量が充電される。

【0057】

パルスタイミング制御部１ａが、時刻ｔ１４において、パルス信号Ｖｉｎ１をスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、Ｖｄｄ１→ＬＥＤ１→Ｑ１の経路で、ＬＥＤ１に電流ＩLED1が流れて、ＬＥＤ１が発光遅延なく急峻に発光して、光Ｌ１が出力される。時刻ｔ１５でパルス信号Ｖｉｎ１をオフさせると光Ｌ１は残光を伴って徐々に消灯する。

【0058】

次に、パルスタイミング制御部１ａが、時刻ｔ１６において、パルス信号Ｖｉｎ１をスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加すると、スイッチング素子Ｑ１がオンして、Ｖｄｄ１→ＬＥＤ１→Ｑ１の経路で、ＬＥＤ１に電流ＩLED1が流れて、ＬＥＤ１が発光し始めて、時刻ｔ１７において、光Ｌ１が最大強度になって出力される。

【0059】

ＬＥＤ１で発光した光Ｌ１は、ＬＥＤ２を照射するので、ＬＥＤ２は光Ｌ１を受光する。この光Ｌ１によりＬＥＤ２の電圧ＶLED2が上昇する。即ち、ＬＥＤ１からの光Ｌ１によりＬＥＤ２にキャリアが誘起され、誘起されたキャリアによりＬＥＤ２の拡散容量が充電される。

【0060】

パルスタイミング制御部１ａが、時刻ｔ１８において、パルス信号Ｖｉｎ２をスイッチング素子Ｑ２のゲートに印加すると、スイッチング素子Ｑ２がオンして、Ｖｄｄ２→ＬＥＤ２→Ｑ２の経路で、ＬＥＤ２に電流ＩLED2が流れて、ＬＥＤ２が発光遅延なく急峻に発光して、光Ｌ２が出力される。

【0061】

このような駆動制御を繰り返し行う。即ち、ＬＥＤ１とＬＥＤ２との間で、光照射を交互に行ない、相互に拡散容量を充電してから、ＬＥＤを発光させる。特に、図１８に示した時刻ｔ１８を早めて時刻ｔ１５と同タイミングにすると共に、再び時刻１４を時刻ｔ１９と同タイミングにした繰返し駆動波形を用いることによって、両ＬＥＤの発光遅延と消費電力を最小限に抑えることができる。

【0062】

このように実施例５に係る半導体発光装置によれば、パルスタイミング制御部１ａが、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２の一方のＬＥＤにパルス電流を流して発光させ、この光を他方のＬＥＤに照射することにより、誘起されたキャリアを用いて他方のＬＥＤが発光する前に他方のＬＥＤに含まれる拡散容量を充電した後、他方のＬＥＤにパルス電流を流すように、ＬＥＤ１及びＬＥＤ２に印加すべきパルス信号のオン／オフのタイミングを制御するので、パルス電流をＬＥＤ１，ＬＥＤ２のキャリアの再結合にのみに活用できる。

【0063】

従って、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２で消費される電力を低減したり、発光量を増加することができる。これにより、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２の発光効率や半導体発光装置の電力効率をさらに向上させることができる。

【0064】

また、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２に光を照射することで任意のタイミングで拡散容量を充電することができるので、発光前の拡散容量の充電のためＬＥＤ１，ＬＥＤ２に駆動電流（パルス電流）を流す必要がなくなり、任意の波形の駆動電流によって高効率に半導体発光素子を駆動することができる。

【0065】

なお、各ＬＥＤの各波長に対する発電特性について、発光波長の長い赤ＬＥＤから緑ＬＥＤにおいては、実験の結果、照射した光の波長が長いほど高い発電特性を示す傾向がある。化合物半導体の組成が大きく異なり発光波長の最も短い青ＬＥＤにおいては、実験の結果、照射した光の波長が短いほど高い発電特性を示す傾向がある。

【0066】

従って、ＬＥＤ１とＬＥＤ２とのペアで、交互に光を照射させながら高効率で発光させるためには、同じ波長のＬＥＤを用いるか、あるいは、発光波長の長い赤ＬＥＤから緑ＬＥＤにおいては、異なる波長のＬＥＤと一緒に交互に発光させても効率を向上することができる。

【0067】

実施例として、２つ以上のｎ色のＬＥＤを組み合わせると、２色ならば３種類の色、３色ならば７種類の色、４色ならば１５種類の色というふうに、nＣ1＋nＣ2＋nＣ3＋‥nＣ(n-1)＋nＣnの種類の発色が得られる。その内、ＬＥＤが単独で発光した場合を除けば、nＣ2＋nＣ3＋‥nＣ(n-1)＋nＣnの種類の発色においては発光効率が向上する。

【0068】

また、発光波長の最も短い青色ＬＥＤにおいても、黄色の蛍光体を併用すれば、長い発光波長も得られるので、異なる波長のＬＥＤと一緒に交互に発光させても効率が向上する。

【0069】

図１９は、本発明の実施例５に係る半導体発光装置の構造の例を示す図である。図１９（ａ）はＬＥＤ１とＬＥＤ２との構造を示す配置図、図１９（ｂ）はＬＥＤ１とＬＥＤ２との回路図である。ＬＥＤ１とＬＥＤ２とは、同一部材からなる例えば金属材料４上に、ｎ型半導体層５ａと活性層６ａとｐ型半導体層７ａとが積層されたものと、ｎ型半導体層５ｂと活性層６ｂとｐ型半導体層７ｂとが積層されたものとが対向配置して構成されている。

【0070】

従って、ＬＥＤ１とＬＥＤ２との間で、光照射を交互に行ない、相互に拡散容量を充電してから、ＬＥＤを発生させることができる。

【実施例6】

【0071】

図２０は、本発明の実施例６に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図２０に示す実施例６の半導体発光装置は、ＬＥＤ１の両端に接続された電流源Ｉ１（ｔ）と、ＬＥＤ２の両端に接続された電流源Ｉ２（ｔ）とを設けたことを特徴とする。

【0072】

電流源Ｉ１（ｔ）は、ＬＥＤ１にパルス電流を供給するもので、図１７に示すパルスタイミング制御部１ａのパルス信号Ｖｉｎ１と同一機能を有する。電流源Ｉ２（ｔ）は、ＬＥＤ２にパルス電流を供給するもので、図１７に示すパルスタイミング制御部１ａのパルス信号Ｖｉｎ２と同一機能を有する。

【0073】

このような電流源Ｉ１（ｔ）、電流源Ｉ２（ｔ）を用いても、実施例５に係る半導体発光装置の効果と同様な効果が得られる。また、電流値を調整することにより、それぞれのＬＥＤの発光量を正確に制御することができる。特に、異なる発光色や発光面積の異なるＬＥＤを各ＬＥＤに最適な異なる電流によって制御する場合などには有効な駆動方法となる。

【実施例7】

【0074】

図２１は、本発明の実施例７に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図２１に示す実施例７に係る半導体発光装置は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートにパルス信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２を出力するＰＦＭ制御部８を設けたことを特徴とする。ＰＦＭ制御部８は、パルス信号に対してパルス周波数変調を行い、変調されたパルス信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に印加することで、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２の発光を制御することができる。

【実施例8】

【0075】

図２２は、本発明の実施例８に係る半導体発光装置の構成を示すブロック図である。図２２に示す実施例８に係る半導体発光装置は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートにパルス信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２を出力するＰＡＭ制御部９を設けたことを特徴とする。ＰＡＭ制御部９は、パルス信号に対して振幅変調を行い、変調されたパルス信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２をスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に印加することで、ＬＥＤ１，ＬＥＤ２のそれぞれの発光量を制御することができる。

【0076】

なお、本発明は、上述した実施例１乃至８に係る半導体発光装置に限定されるものではない。例えば、図１７に示す実施例５に係る半導体発光装置のＬＥＤ１，ＬＥＤ２のタイミング制御に、さらに、実施例１に係る半導体発光装置で用いた図２に示すタイミング制御を加えても良い。これによれば、更に効果が大である。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、ＬＥＤ点灯装置、有機ＥＬ点灯装置等に利用することができる。

【符号の説明】

【0078】

Ｖｄｄ，Ｖｄｄ１，Ｖｄｄ２ 直流電源
Ｒｏ，Ｒｓ，Ｒｄ 抵抗
Ｄ１ ＬＥＤ
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｉｏ（ｔ），Ｉ１（ｔ），Ｉ２（ｔ） 電源源
１ パルスタイミング制御部
２ ＰＷＭ／ＰＡＭ制御部
３ ＰＦＭ／ＰＡＭ制御部
５ａ，５ｂ ｎ型半導体層
６ａ，６ｂ 活性層
７ａ，７ｂ ｐ型半導体層
８ ＰＦＭ制御部
９ ＰＡＭ制御部
１０ パルス発生部
Ｃｄ 拡散容量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】