JPH1027926A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本願発明は、発光素子からの発光を高負荷・高
出力で使用する場合においても、発光素子の熱的破壊や
寿命に及ぼす悪影響が極めて少ない光半導体装置に関す
る。 【解決手段】本願発明は、基板上に配した半導体発光素
子を電源からの電力によって発光させる光半導体装置に
おいて、前記基板上に配された発光素子と熱的に結合し
た、常温において固体である低融点の物質を含有する蓄
熱手段を有する光半導体装置である。である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、歯科用の光硬化
型コンポジットの硬化や画像出力装置などに利用できる
高出力の光半導体装置に係わり、特に発光素子からの発
光を高負荷・高出力で使用する場合においても、発光素
子の熱的破壊や寿命に及ぼす悪影響が極めて少ない光半
導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード（以下、ＬＥＤともい
う。）は、初期の小電力、低輝度の光源から高輝度、超
高輝度へと進歩した。また、発光波長においても赤外か
ら黄緑へ最近はさらに青、緑やＵＶ域まで広がり発光光
率ももはや電球かそれ以上に到達しようとしている。そ
うした状況の中でＬＥＤなどの発光素子を単なる点光源
や信号源としてではなく高効率の波長選択可能な光源と
して利用しようとする動きがでてきた。特に短波長域の
光を利用する用途にはタングステン電球に比べ遥かに理
にかなった用途といえる。

【０００３】例えば、歯科用の光硬化型コンポジットの
硬化にハロゲン電球が使われている。この硬化型コンポ
ジット装置の一例を図４に示す。コンポジットの硬化用
光源として４７０ｎｍ付近を透過するフィルターとハロ
ゲン電球を使用している。電池電源から供給された電力
をハロゲン電球に供給させることによって発光させる。
ハロゲン電球からの光は、レンズによって集光されつつ
波長を選択させるためのフィルターを介して集光され
る。このような機器は、大型であるので集光した光を光
ファイバーを介して口腔内に導いている。これによっ
て、所望のコンポジット配置部位にのみ照射させコンポ
ジットを硬化させることができる。

【０００４】コンポジット硬化機器は、高出力光源で短
時間に樹脂の硬化などに利用するものである。ハロゲン
電球を用いたコードレス型歯科用の光硬化型コンポジッ
トの硬化機器としてＮｉ−Ｃｄ電池などの電池電源で動
作させようとすると、３０〜５０Ｗが限度となる。この
場合、発熱が大きくハロゲン電球の光変換効率は約１０
％である。ハロゲンランプの光は非常に広い波長域を持
つ白色光でありそのうち波長を選択させるための青色の
フィルターを通した有効光がさらに１０％程度に減衰さ
れる。したがって、もとの電力に対する利用率は全体と
して１％近くとなり極めて低い。また消費電力が大きい
ため、電池電源の重量も重く体積も大きくならざるを得
ずコードレスの利点も半減してしまう。さらに、ハロゲ
ン電球用の集光部が必要であることやランプそのものが
高温になることから小型化にも限界があった。

【０００５】こうした用途には、ＬＥＤチップの狭いス
ペクトル、高い効率、低消費電力及び小型化が可能なこ
とはまさにうってつけである。例えば３０Ｗのハロゲン
電球を想定した場合は、有効光出力は３００ｍＷであ
る。これを単純に出力５ｍＷのＬＥＤチップに代用する
と６０個が必要となる。このような用途においては一体
型の光源として使用できるように光量も高く、しかもそ
の密度も高い必要がある。したがって、発光素子も高密
度に実装しなければならない。ＬＥＤチップは、１個あ
たりの大きさを３５０μｍ角程度のＬＥＤチップとして
構成させることができる。したがって、８×８個として
も最大３ｍｍ角程度もあれば十分でありハンディ用に小
型化することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、個々の
発光素子の発熱量がハロゲンランプと比較して少ないと
はいえ高密度に発光素子を配置させた光半導体装置は、
高出力で駆動させると発光素子自体が急激に昇温する。
半導体は一般的に熱に弱く、発光素子自体が、発生する
熱により発光波長のズレ、輝度の低下及び光度の不安定
化が生じたりする。また、発光素子自体が損傷してしま
う場合がある。したがって、長時間使用する或いは繰り
返し使用すると発光初期と発光後期とでは、その特性が
変化し所望通りに十分機能しない場合が生ずる。そのた
め発光素子の発光により生じた発熱を熱伝導率の高い良
熱伝導体であるヒートシンクやヒートパイプなどを利用
して外部に放出させることも考えられるが、ＬＥＤチッ
プを高密度に配置し高出力で駆動させる場合は、瞬時に
昇温し放熱部などを介して空気中等に放熱、拡散される
だけでは十分ではない。また、小型軽量化した場合、外
部に放熱部のみによって放熱させることは、放熱部近傍
に熱の影響を受ける部材などを配置することができな
い。さらに、冷却装置として送風ファン等新たな駆動手
段を用いることは、余分な電力を消費することとなる。
また、冷却のために高周波ノイズを発生する直流モータ
ーなどは、他の通信機器や医療用機器などの誤作動を引
き起こす要因として考えられるために好ましくない。

【０００７】一般的には、コードレスで使用することを
考慮すると軽量・小型化と高出力化は相反するものであ
るから当然のこととして連続的長時間に使用できるもの
ではない。半導体は熱的に弱く過大な電力の投入は極端
に半導体の寿命を縮めることになる。本願発明はこれら
の問題を解決するためになされたものであり、高出力で
長時間使用でき軽量小型化にすることが可能であると共
に、さらに光特性及び半導体特性に優れた光半導体装置
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明は、基板上に配
した半導体発光素子を電源からの電力によって発光させ
る光半導体装置において、前記基板上に配された発光素
子と熱的に結合した、常温において固体である低融点の
物質を含有する蓄熱手段を有する光半導体装置である。

【０００９】また、前記基板が、金属、セラミック、硝
子又はそれらを含むプラスチック複合体である光半導体
装置であり、前記発光素子と蓄熱手段との熱的結合をヒ
ートパイプによって接続させている光半導体装置であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本願発明は、発光素子が発熱した
熱を、比熱に比べて融解替熱が極めて大きい部材を利用
することによって蓄熱することにより、光特性及び半導
体特性に優れた軽量小型な光半導体装置とすることがで
きることを見いだした。

【００１１】即ち、発光素子の急激且つ大発熱量を有す
る発熱は、外部にのみ放出させるのでは十分ではない。
このような発光素子の発熱を低融点部材が含有された蓄
熱手段に一時的に蓄えておくことで、発光素子の昇温を
抑制し優れた光特性や半導体特性を維持しつつ光半導体
装置を小型軽量化することができるものである。

【００１２】以下、本願発明を詳述する。図１に本願発
明の概略模式図であり、高効率な波長選択可能な発光素
子としてＬＥＤチップをフィルム状の基板上或いは銅板
上に固定させている。ＬＥＤチップは、光出力として４
７０ｎｍの発光波長を有し５００ｍＷを得るために窒化
ガリウム系化合物を利用した青色ＬＥＤを８×８個のマ
トリックス状として計６４個を実装してある。蓄熱手段
は、常温において固体である金属ガリウムなどの低融点
の物質を含有する銅製フレームで構成されている。ＬＥ
Ｄチップが固定された基板は、蓄熱手段と熱的結合をさ
せるために蓄熱手段の銅製フレームから延長させた延長
部上に貼り付けられている。ＬＥＤチップは、電池電源
及び制御用の回路などとそれぞれ電気的に接続されるこ
とによって駆動可能に構成されている。このような構成
とすることによって、光半導体装置の駆動時において発
光素子から放出された熱は、銅製フレームによって常温
において固体である低融点の物質を含有する蓄熱手段に
熱伝導し、常温において固体である低融点の物質を加熱
する。伝導された熱により最初は比熱に反比例して温度
が上昇していくが充填物の融点に達するとそれ以上の温
度上昇はしなくなる。通常、融解替熱は比熱に比べて桁
違いに大きく少量の充填物でも相当な時間大電力の投入
に耐えるため大電力を投入したとしても発光素子からの
熱を十分吸収できる蓄熱手段とすることができる。昇温
を抑えられた発光素子は、安定した光特性及び半導体特
性を示すことができる。以下、本願発明の構成について
詳述する。

【００１３】（発光素子１０１）本願発明に用いられる
発光素子１０１としては、液相成長法やＭＯＣＶＤ法等
によりＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、Ｇａ
Ｐ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させ
たものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接
合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構
造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導
体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から
赤外光まで種種選択することができる。さらに、量子効
果を持たせるため発光層を単一量子井戸構造、多重量子
井戸構造とさせても良い。歯科用光半導体装置とするた
めには、歯科用コンポジットレンジの重合に最も有効で
あると考えられる４７０ｎｍから４８０ｎｍに高出力で
ピークを持つ窒化ガリウム系化合物半導体を利用したＬ
ＥＤチップを用いることが特に好ましい。

【００１４】こうしてできた半導体に真空蒸着法、スパ
ッタリングや熱、光、放電エネルギーなどを利用した各
種ＣＶＤ法を用いて所望の電極を形成させる。半導体の
電極は、半導体の一方の面側に設けてもよいし、両面に
それぞれ設けてもよい。電極が形成された半導体ウエハ
ーをダイヤモンド製の刃先を有するブレードが回転する
ダイシングソーにより直接フルカットするか、又は刃先
幅よりも広い幅の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、
外力によって半導体ウエハーを割る。あるいは、先端の
ダイヤモンド針が往復直線運動するスクライバーにより
半導体ウエハーに極めて細いスクライブライン（経線）
を碁盤目状などに引いた後、外力によってウエハーを割
り半導体ウエハーからカットさせるなどしてＬＥＤチッ
プを形成させる。

【００１５】発光素子としては、こうして形成されたＬ
ＥＤチップそのものを基板に直接固定し利用しても良い
し、リードフレーム上にＬＥＤチップを配置し、電気的
導通を取った後に樹脂保護体などを形成させたものを利
用することもできる。ＬＥＤチップを基板の導電性パタ
ーンなどと電気的に接続させるためには、導電性接着
剤、ハンダなどにより行っても良いし、金線、アルミニ
ウム線などを用いた導電性ワイヤーをワイヤーボンディ
ングさせても良い。

【００１６】光半導体装置をＲＧＢの各発光波長を選択
可能なように構成させるためには、ＲＧＢを発光する発
光素子を利用することができる。ＲＧＢが発光可能な発
光素子は、種々の半導体利用することができるが高輝度
な半導体材料として緑色及び青色の波長域には窒化ガリ
ウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤
色の波長域ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導
体やアルミニウム・インジウム・ガリウム・燐系の半導
体を用いることが好ましい。これにより、選択的に光照
射による露光加工などをさせることができる。

【００１７】発光素子の総照射時間や総照射量は、使用
するコンポジットなどの種類、量などにより選択でき
る。したがって、発光素子の出力を多く且つ、発光素子
の数を増やすことによって発光素子の照射時間を短縮す
ることができる。発光素子は、駆動手段として各種駆動
制御回路を介して制御させることもできる。この駆動制
御回路を設けることによって、発光素子の断続発光や発
光出力制御、さらには電池電源の残量や蓄熱手段の温度
などによって発光光量や時間を制御させることもでき
る。光重合に用いられる光半導体装置においては、光重
合型コンポジットレンジが表面だけ重合反応が促進し内
部が未反応になることを防止させるために発光時間に比
例して発光強度などを向上させることもできる。このよ
うな発光素子の制御は、光半導体に設けられた種々の制
御手段により容易に形成させることができる。

【００１８】発光素子は集積させた後、更にレンズを通
して光を収束させて用いることもできるし、個々の発光
素子ごとにレンズを用いて光を収束させると共に外部環
境から保護させても良い。また、レンズに染料及び／顔
料を含有させフィルター効果を持たせることによって発
光波長を更に選択させることもできる。

【００１９】（基板２０３）基板２０３は、発光素子１
０１を固定するために用いられるものであって、基板の
パターンによって発光素子１０１を種々所望の形状に配
置することができるものである。発光素子１０１からの
発熱を蓄熱手段に伝導させるために基板自体を熱伝導性
の良い部材として形成させても良いし、他の熱伝導がよ
い部材と組み合わせて構成しても良い。具体的な、基板
としては、金属、セラミック、硝子又はそれらを積層さ
せたプラスチック複合体などが好適に使用することがで
きる。絶縁性の基板の場合は、発光素子との電気的導通
を取るために導電性パターンがメッキなどにより形成さ
せている。金属基板の場合は、ＳｉＯ₂、ＳｉＮなどを
各種ＣＶＤ法などにより形成させた後、再び導電性パタ
ーンを形成させることもできる。熱伝導がよい金属部材
としては、銅、鉄、アルミニウム及びそれらの合金など
種々のものが挙げられる。また、ヒートパイプを利用し
て発光素子からの熱を蓄熱手段に伝熱させても良い。い
ずれにしても発光素子が配置された基板から効率よく蓄
熱手段に熱伝導できるものであればよい。なお、発光素
子をパルス駆動や交流駆動などさせたいときには、発光
素子などから生じる電磁波を吸収させる目的で金属製基
板を用いることがより好ましい。また、基板の形状は、
種々の形状とさせることができるが凹部形状とさせるこ
とによって発光素子からの光を容易に集光させることが
できる。

【００２０】（蓄熱手段）本願発明の蓄熱手段として
は、発光素子１０１からの熱を効率よく内部に蓄熱し発
光素子自体や発光素子の駆動に悪影響が生じないように
させるためのものである。したがって、発光素子の発熱
量によって種々のものや量が用いられる。蓄熱手段とし
ては、替熱を利用したものが効率よく発光素子からの熱
を効率よく吸収させることができるために常温（約２５
℃）で固体の低融点部材を内包したものを利用すること
が好ましい。このような低融点部材２０５は、発光素子
１０１の発熱を溶融することによって蓄熱し、発光素子
１０１の昇温を抑制する。蓄熱手段が加熱されると低融
点部材の融点に達するまでは、比熱に比例して温度が上
昇する。そのため発光素子が安定駆動できる温度までで
溶融する部材であることが必要である。したがって、発
光素子の種類にもよるが融点が８０℃以下のものが好ま
しく、より好ましくは５０℃以下である。一旦、蓄熱さ
れた熱は、発光素子の駆動を停止させる及び／又は液冷
や空冷などによって蓄熱手段を強制的に冷却させると放
熱され、再び低融点部材が凝固し蓄熱することができ
る。ＬＥＤチップ１０１を高密度に配置した歯科用のコ
ンポジット硬化機器などの場合、発光素子の照射時間が
１０秒から４０秒程度であるが急激に昇温する。したが
って、通常の空冷などによる放熱では発光素子を十分に
冷却することができず、本願発明が特に有効となる。

【００２１】蓄熱手段に蓄熱された熱の放熱は、室温に
戻すほかに空冷、強制空冷、水冷や油冷などの液冷で促
進させることもできるが、それらは光半導体装置から切
り離されて構成することができるため使用時の簡便さを
害することはない。具体的な蓄熱手段としては、熱伝導
性がよい銅、アルミニウムなどの容器中に金属ガリウム
やパラフィンなどを密閉封入させることなどによって形
成させることができる。 蓄熱手段中の低融点部材量
は、発光素子に投入される１回の電力より容易に算出で
きる。また、蓄熱手段の内部をひだ状などにすることに
より表面積を増やし熱伝導効率を向上させることもでき
る。なお、蓄熱手段の熱が使用時の制限とならないよう
に、所望に応じてセラミックや各種樹脂ケースなどの断
熱材で少なくとも一部を覆い使用することもできる。

【００２２】（電源２０６）電源２０６としては、少な
くとも光半導体装置の発光素子１０１を駆動させること
ができればよい。したがって、商用電力を利用したもの
や一次電池や二次電池など種々のものが利用できるが、
コードレスとさせるためには電池電源が好ましい。一次
電池としては、リチウム電池、マンガン電池など、二次
電池としては、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウ
ム電池など種々のものが用いることができる。これらを
種々所望に応じて直列及び／又は並列に接続させること
によって電池電源とすることができる。電池電源は、独
立で駆動させることもできるし系統電源などからの電源
と共同して利用させることもできる。

【００２３】（ヒートパイプ）ヒートパイプは、発光素
子の発光に伴う熱を蓄熱手段に効率よく熱伝導させるた
めのものである。このようなヒートパイプは、管の内壁
に毛細管構造を持たせた金属パイプの内部を真空にし、
作動液として少量の水・代替フロンなどを密封して形成
することができる。発光素子の熱は、ヒートパイプの一
端を加熱しその部分の作動液が蒸発する。蒸気流となっ
た作動液は、蓄熱手段と接触されている低温部へ高速移
動する。蒸気流が、低温部の管壁に接触し冷却されて凝
縮されると毛細管現象又は重力により発光素子と熱的に
接触された加熱部へと戻り繰り返し熱を連続的に輸送す
る。これによりＬＥＤチップの発熱を効率よく蓄熱手段
に熱伝導させることができる。なお、ヒートパイプを低
融点の物質を充填した蓄熱手段中に挿入させ構成するこ
とでより効率よく熱伝導させることができる。以下本願
発明の具体的実施例について説明するが本願発明が実施
例のみに限定されるものでないことは言うまでもない。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）青色ＬＥＤ（発光波長４５０ｎｍ）とし
て、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた。洗浄させた
サファイヤ基板上にＴＭＧガス、窒素ガス及びドーパン
トガスをキャリアガスと共に流し、ＭＯＣＶＤ法で窒化
ガリウム系化合物半導体を成膜させた。ドーパントガス
を切り替えることによってＮ型導電性を有する窒化ガリ
ウム半導体とＰ型導電性を有する窒化ガリウム半導体を
形成しＰＮ接合を形成させた。（なお、Ｐ型半導体とさ
せるために４００℃以上でアニールさせてある。）

【００２５】エッチングによりＰＮ各半導体表面を露出
させた後、スパッタリングにより電極を形成させた。こ
うして出来上がった半導体ウエハーを分割させ発光素子
としてＬＥＤチップを形成させた。銅パターンが形成さ
れたフレキシブル基板上にエポキシ樹脂を用いてＬＥＤ
チップを固定する。また、導電性ワイヤーとしてＡｕ線
を用いてＬＥＤチップの各電極と銅パターンとをワイヤ
ーボンディングしそれぞれ電気的に接続させる。これに
よって、青ＬＥＤチップが直並列に８×８個、計６４個
を３０mm角内に実装した。この基板を蓄熱手段として働
き内部に金属ガリウム（m.p２９．７℃）約１５ｇを充
填した銅製フレームの先端部に貼り付けた。なお、歯科
用としてＬＥＤチップが配列された基板を装置に対して
垂直に配置させ使用の簡便さを図っている。回路は図２
のように結線されている。各ＬＥＤチップは、順方向電
圧を６０ｍＡで０．１Ｖ以内に揃えてあり、個々の制限
抵抗は省略可能とした。電池電源としてＮｉ−Ｃｄ二次
電池４本直列、約５Ｖを用い発光素子が配置された基板
と電気的に接続させてある。全体で４Ａの電流を流し光
出力約５００ｍＷを得た。また電流１．３Ａで２００ｍ
Ｗの出力を得た。この光半導体装置を歯科用コンポジッ
トとしてコンポジットレンジ（３Ｍ社製Silux Plus）に
光を３０秒間照射させた。０．１ｇのコンポジットを完
全に硬化させた後でも、フレームの温度は３３℃を越え
ることはなかった。また、コップ一杯の水（２０℃）に
３分間付けることにより１００回以上反復使用しても初
期と全く変わらず使用することができた。

【００２６】（比較例１）金属ガリウムの代わりに金属
銅バルクを入れた以外実施例１と同様にして構成させ
た。実施例１と同様に使用した結果、ＬＥＤチップ周辺
が昇温し初期特性に比べて発光波長がずれ、ついには発
光しないものもあった。

【００２７】（実施例２）蓄熱手段に内包し、常温で固
体である低融点部材である金属ガリウムのかわりにパラ
フィン（m.p４２〜４４℃）を約１０ｇ使用し、金属ガ
リウムが内包された蓄熱手段内と発光素子の基板とをヒ
ートパイプにより接続させた以外は実施例１と同様に構
成させた。実施例１と同様、反復使用しても初期と全く
変わらず駆動させることができた。また、実施例１より
も安定したフレーム温度とすることができた。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明のように本願発明による光半
導体装置は、特定波長の強力な光を照射することがで
き、コンポジット樹脂の光硬化や各種感光材の露光、測
定器用の光源として紫外部から赤外部まで使用できる小
型照射装置とすることができる。

【００２９】また、ハロゲンランプなどに比べて装置を
小型化できると共に特定波長に対して遥かに効率が高い
光半導体装置とすることができる。熱を持たず安全で軽
く寿命が長い光半導体装置とすることができる。

【００３０】本願発明の請求項２の構成とすることによ
って、より温度上昇を低下させた光半導体装置とするこ
とができる。

【００３１】本願発明の請求項３の構成とすることによ
って、発光素子からの熱を効率よく蓄熱手段に伝導させ
ることにより発光素子を密集させ急激に昇温した場合に
おいても蓄熱させた光半導体装置とすることができる。

【００３２】本願発明の請求項４の構成とすることによ
って、発光素子を安定して駆動させることができる温度
内で溶融するため安定した光半導体装置とすることがで
きる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の光半導体装置を歯科用のコンポジッ
ト硬化機器に利用した模式図である。

【図２】本願発明の発光装置の概略上面図であり図１の
Ａ−Ａ断面図である。

【図３】本願発明の回路図の一例である。

【図４】本願発明と比較のために示したハロゲンランプ
を用いた歯科用のコンポジット硬化機器の模式的断面図
である。

【符号の説明】

１０１・・・基板上に配置されたＬＥＤチップ １０２・・・電池電源収容ケース ２０３・・・発光素子を配置した基板 ２０４・・・蓄熱手段の先端部 ２０５・・・蓄熱手段中の低融点部材 ２０６・・・電池電源 ４０１・・・ハロゲンランプ ４０２・・・コンポジット硬化機器本体 ４０３・・・反射鏡 ４０４・・・レンズ ４０５・・・光ファイバー ４０６・・・電池電源 ４０７・・・フィルター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に配した半導体発光素子を電源から
   の電力によって発光させる光半導体装置において、 前記基板上に配された発光素子と熱的に結合した、常温
   において固体である低融点の物質を含有する蓄熱手段を
   有することを特徴とする光半導体装置。
2. 【請求項２】前記基板が、金属、セラミック、硝子又は
   それらの少なくとも一つを積層したプラスチィク複合体
   である請求項１記載の光半導体装置。
3. 【請求項３】前記発光素子と蓄熱手段との熱的な結合を
   ヒートパイプによって行う請求項１記載の光半導体装
   置。