JP2004134633A

JP2004134633A - 照明装置

Info

Publication number: JP2004134633A
Application number: JP2002298811A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Morioka; 森岡　達也
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】垂直共振型面発光レーザ素子を用いかつ光強度分布の均一性の良好な照明装置を提供する。
【解決手段】発光素子１１２とこの発光素子から放射される励起光を異なる波長の光に変換する蛍光体層１１１とを含む照明装置において、発光素子は活性層１０４を含む複数の半導体層１０２−１０６を２つの反射鏡１０１、１０７で挟むことによって透光性基板１００の第１主面上に垂直に共振器構造が形成された垂直共振器型面発光レーザを含み、これら２つの反射鏡１０１、１０７の反射率は基板１００の第１主面に対向する第２主面の方向に励起光が放射されるようにそれぞれ設定され、基板１００の第２主面側方向の適当な位置の少なくとも１領域に蛍光体層１１１が配置されていることを特徴としている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は照明装置に関し、特に、蛍光体層とこれを励起するための垂直共振器型半導体レーザとを含む面型照明装置に関する。
【０００２】
なお、このような面型照明装置は、たとえば薄型で低消費電力が要求される携帯電話器用表示器や薄型で大面積が要求される液晶表示パネルなどのバックライトとして好ましく用いられ得るものである。
【０００３】
【従来の技術】
蛍光体層とこの蛍光体層を励起する光源としての発光素子とを含む照明装置の一例は、たとえば特許文献１の特開平１１−３４０５１６号公報に開示されている。より具体的には、この特許文献１は、励起子ボーア半径の２倍以下の粒径の蛍光結晶を含む蛍光体層と、この蛍光体層を励起する光源としてＧａＮ系半導体発光素子のアレイとを含む照明装置または表示装置を開示している。
【０００４】
また、蛍光体層とこの蛍光体層を励起する光源としての垂直共振器型面発光レーザ素子とを含む表示装置の一例が、たとえば特許文献２の特開平１０−３２１９４３号公報に開示されている。より具体的には、この特許文献２は、各々の垂直共振器型面発光レーザ素子から放射される光を波長変換する蛍光体層がそれら各々のレーザ素子に対応して設けられた表示装置を開示している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３４０５１６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１０−３２１９４３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
蛍光照明装置の励起光源として特許文献２におけるような垂直共振型面発光レーザ素子を応用する利点としては、個別の発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子の多数個をアレイ状に配置する場合に比べて、基板上のエピタキシャルウエハ形成プロセスを用いて複数の発光素子を一括に形成することができ、また垂直にレーザ共振器が形成されるので数十μｍ程度の微小間隔で各素子（各素子の発光点）を配置し得ることがある。なお、通常の発光ダイオードや半導体レーザの素子長は２００〜３００μｍ程度であるので、それらの素子配列ピッチも必然的に２００〜３００μｍ程度以上となる。
【０００８】
また、特許文献１に記載されている発光ダイオードアレイでは、蛍光体層へ向かう方向以外にも励起光が放射されて、この放射成分は励起光の損失となってしまう。これに対して、基板上でアレイ状に配置された垂直共振型面発光レーザから放射される励起光は集光性がよく、基板面と垂直な方向に放射される。したがって、この放射方向の適当な位置に蛍光体層を設けることにより、励起光の損失を低減させることができる。以上のような理由からは、垂直共振型面発光レーザは、照明装置中の蛍光体層の励起光源として好ましいものである。
【０００９】
しかしながら、特許文献１の照明装置において、励起光源として発光ダイオードの代わりに特許文献２のような垂直共振器型面発光レーザ素子を用いた場合、蛍光体層から放射される光強度分布が不均一になる。この理由は、各々の垂直共振器型面発光レーザ素子から放射される励起光の集光性が良好であり、この励起光によって蛍光体層から放射される光強度分布にもこの影響が現われるからである。そして、この光強度分布の不均一性は、照明装置を薄型化した場合には垂直共振型面発光レーザから放射される励起光の広がりがより狭くなるので、さらに顕著となる。
【００１０】
上述のように本発明者が従来技術について検討した結果に鑑み、本発明は、垂直共振型面発光レーザ素子を用いかつ光強度分布の均一性の良好な照明装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、発光素子とこの発光素子から放射される励起光を異なる波長の光に変換する蛍光体層とを含む照明装置において、発光素子は活性層を含む複数の半導体層を２つの反射鏡で挟むことによって透光性基板の第１主面上に垂直に共振器構造が形成された垂直共振器型面発光レーザを含み、これら２つの反射鏡の反射率は基板の第１主面に対向する第２主面の方向に励起光が放射されるようにそれぞれ設定され、基板の第２主面側方向の任意の位置の少なくとも１領域に蛍光体層が配置されていることを特徴としている。このことによって、蛍光体層から放射される光強度分布の均一な照明装置が実現され得る。なお、蛍光体層は、基板の第２主面上の少なくとも１領域に形成されることが好ましい。
【００１２】
また、基板の第２主面と蛍光体層との間の少なくとも１領域において、励起光の１部を拡散させる光拡散構造を形成することがさらに好ましい。基板の第２主面と蛍光体層との間の少なくとも１領域において、励起光の強度の１部を反射する光学特性を有する光学膜を形成してもよい。その光学膜は、蛍光体層により波長変換された光を反射する光学特性を有し得る。さらに、蛍光体層の表面のうちで基板と反対側の表面上の少なくとも１領域において、励起光を反射する光学特性を有する光学膜が形成されてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による照明装置が、図１の模式的な断面図と図２の模式的な平面図によって図解されている。図２は、図１の照明装置を蛍光体層の下側から見た状態を表わしている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を示しており、重複する説明は繰り返されない。
【００１４】
図１の照明装置においては、励起光として利用されるレーザ光に対して５０％の反射率を有するように設定された３０周期のＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ（ＧａＮ層とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ層の繰り返し）反射膜１０１が、サファイア基板１００の上面上に形成されている。この反射膜に含まれる各層の厚さの設定は、膜中の光の多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法を用いて行なうことができる。
【００１５】
ＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１上には、Ｓｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、０．５μｍ厚のＳｉドープｎ型Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６Ｎ下クラッド層１０３、０．２μｍ厚のＳｉドープｎ型Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ光ガイド層と３ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ発光層と０．２μｍ厚のＭｇドープｐ型Ｉｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ光ガイド層とを含む活性層１０４、０．５μｍ厚のＭｇドープｐ型Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６Ｎ上クラッド層１０５、およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１０６が順次形成されている。
【００１６】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０６上には、レーザ光に対して反射率が９０〜１００％となるように構成層の周期と厚さを設定したＳｉＯ_２／ＺｒＯ反射膜１０７が形成されている。そして、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０６の１領域上には、それぞれｎ型電極１０９およびｐ型電極１０８が形成されている。また、各垂直共振器型面発光レーザ１１２の水平方向（基板面内の方向）の光と電流を狭窄するために、各レーザ素子の側面部にはＳｉＯ_２膜１１０が形成されている。
【００１７】
なお、このような垂直共振器型面発光レーザ１１２は、一般的なＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いてエピタキシャル多層構造を形成した後に、ドライエッチングなどのウエハプロセスを利用して作製することができる。
【００１８】
以上の構成により、活性層１０４から放射される励起光に対してＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１とＳｉＯ_２／ＺｒＯ反射膜１０７が共振器構造として機能し、波長４００ｎｍで発振する垂直共振器型面発光レーザ１１２のアレイ構造を得ることができる。
【００１９】
ここで、ＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１とＳｉＯ_２／ＺｒＯ反射膜１０７の反射率をそれぞれ５０％と９０％〜１００％にしているので、活性層１０４から放射される励起光のほとんどがサファイア基板１００方向に向けられて、その基板１００内に入射する。
【００２０】
サファイア基板１００内に入射した励起光の強度成分の１部は、その基板の下面において、サファイアと空気との界面の屈折率差によって反射される（図１中の基板１００内の矢印参照）。この反射された励起光は、サファイア基板１００の上面上にあるＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１によって再反射される。こうして、複数の垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射された励起光がサファイア基板１００の上面側と下面側で多重反射されることにより、その光強度分布が均一にされ得る。
【００２１】
サファイア基板１００の下面側方向の適当な位置において、所望の色度が得られるように赤色蛍光体Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋、緑色蛍光体ＺｎＳ：Ｃｌ_２，Ａｌ、および青色蛍光体（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋が混合されてアクリル樹脂中に分散された蛍光体層１１１が配置されている。サファイア基板１００から放射される均一な励起光がこの蛍光体層１１１に照射されて、均一な光強度分布を有する照明光を得ることができる。
【００２２】
他方、垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射される励起光は、目に対して安全上で問題となる空間的コヒーレンシー（可干渉性）を有している。そして、この励起光の１部は、蛍光体層で吸収されないで空間に放射され得る。このような場合の空間的コヒーレンシーは、垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射される励起光の対象物（例えば、人間の目）までの光路長を長くすることによって、低減させることができる。すなわち、図１中のサファイア基板１００内の矢印で示されているように、励起光をその基板１００内で多重反射させて光路長を長くすることによって、この空間的コヒーレンシ−を低減させることができる。
【００２３】
なお、垂直共振器型面発光レーザ素子１１２中の層構造は図１に示されたものに限られず、様々な層構造を採用することができる。例えば、サファイア基板上に良質のＧａＮ系半導体層を形成するために、そのサファイア基板上にまずバッファ層となるＧａＮ厚膜またはＡｌＮ厚膜を形成し、その後に、所望の反射率となるような周期と層厚を含むＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜と、その上の残りの層構造を形成してもよい。
【００２４】
（実施形態２）
図３において、本発明の実施形態２による照明装置が模式的な断面図で示されている。なお、ここに示されている垂直共振器型面発光レーザ１１２の構造は実施形態１の場合と同じであるので、その詳細な説明は繰り返されない。実施形態２が実施形態１と異なる点は、蛍光体層１１１がサファイア基板１００の下面上に直接形成されていることである。
【００２５】
実施形態２においても、ＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１とＳｉＯ_２／ＺｒＯ反射膜１０７の反射率がそれぞれ５０％と９０％〜１００％に設定されることにより、実施形態１と同様に活性層１０４から放射される励起光のほとんどがサファイア基板１００方向に放射されて、その基板１００内に入射する。そして、複数の垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射される励起光がサファイア基板１００の下面と上面で多重反射されることにより、その励起光の強度分布が均一にされ得る。
【００２６】
他方、実施形態２においては、３原色の蛍光剤を含むアクリル板を基板１００の下面に接して配置してもよいし、３原色の蛍光剤を含むアクリル樹脂を基板１００の下面に塗布して固化させてもよい。実施形態２においては、蛍光体層１１１と基板１００が一体に形成され得るので、照明装置の機械的安定性が高められ得る。また、実施形態２においては蛍光体層１１１が基板１００の下面に接しているので、実施形態１の場合に比べて、照明装置を薄型化することができる。
【００２７】
（実施形態３）
図４において、本発明の実施形態３による照明装置が模式的な断面図で示されている。なお、実施形態３の場合においても、垂直共振器型面発光レーザ１１２の構造は実施形態１の場合と同じである。実施形態３が実施形態１と異なる点は、活性層１０４から放射される励起光を散乱反射するための凹凸構造（光拡散構造）３００がサファイア基板２００の下面に形成されていることである。
【００２８】
このような凹凸構造３００は、サファイア基板に対してリン酸系エッチャントによる化学的処理または酸素スパッタや研磨による物理処理を施すことによって容易に形成され得る。
【００２９】
なお、凹凸構造３００中の各凹または凸の大きさが入射励起光の波長に対して大きければその光散乱が不均一に成り易く、逆に小さすぎれば散乱効率が低下する。したがって、それらの凹凸の大きさは、波長と同程度のサイズであるサブμｍ程度にすることが好ましい。こうすることによって、凹凸構造３００は励起光を効率よく散乱させることができる。
【００３０】
垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射されてサファイア基板２００内に入射した励起光の１部は、サファイア基板２００の下面側に設けられた凹凸部３００とＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１との間で多重反射する。これにより、サファイア基板２００の下面側から蛍光体層１１１に入射する励起光の強度分布の均一性を向上させることができ、均一な光強度分布を有する照明装置を得ることができる。
【００３１】
なお、凹凸構造３００の形態は図４に記載されているような三角状断面形状に限られず、様々な形状で形成され得る。また、光拡散構造はサファイア基板上に形成されたものに限られず、エポキシ樹脂中で光散乱材となる石英ガラス粒子が分散された光拡散体が基板の下面側と蛍光体層との間に形成されてもよい。
【００３２】
（実施形態４）
図５において、本発明の実施形態４による照明装置が模式的な断面図で示されている。なお、実施形態４の場合においても、垂直共振器型面発光レーザ１１２の構造は実施形態１の場合と同じである。実施形態４が実施形態１と異なる点は、活性層１０４から放射される励起光を部分的に反射する光学膜４００がサファイア基板１００の下面上に形成されていることである。
【００３３】
この光学膜４００においては、厚さ７０ｎｍのシリコン酸化物層と厚さ６０ｎｍのシリコン窒化物層の周期的繰り返しを含む多層膜が、励起光に対して反射率２５％を有するようにその周期構造が設定されている。この光学膜の周期構造の設定も、膜中での光多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法を用いて行なうことができる。
【００３４】
なお、光学膜４００の反射率が高過ぎれば、この光学膜によって反射される励起光量が多くなり、反射された励起光の１部がＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１を上方に透過してしまうことにより生じる損失成分が大きくなる。したがって、光学膜４００の反射率は、サファイア基板１００内で励起光が多重反射して蛍光体層１１１に放射される励起光強度の均一性が良好になるように、また励起光の損失が大きくならないように、５％〜３０％程度に設定しておくことが好ましい。
【００３５】
以上により、垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射された励起光が、サファイア基板１００内に入射し、その基板１００の下面と上面にそれぞれ設けられた光学膜４００とＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１との間で多重反射する。そして、多重反射後の光強度分布の均一な励起光がサファイア基板１００の下面側から蛍光体層１１１に放射され、均一な光強度分布を持つ照明光を得ることができる。
【００３６】
なお、この光学膜４００の構成としては、本実施形態４の構成に限定されず、蛍光体層１１１から放射する可視光に対して光吸収のない誘電体や有機物からなる単層または多層の膜により形成することが可能である。
【００３７】
（実施形態５）
本発明の実施形態５は、実施形態４に類似している。実施形態５が実施形態４と異なる点は、図５のサファイア基板１００の下面側に形成されている光学膜４００に関連する。すなわち、実施形態５においては、図６のグラフに示すように、光学膜４００の光学特性は垂直共振器型面発光レーザ１１２から放射される波長４００ｎｍの励起光の約７５％を透過して、蛍光体層１１１から放射される波長４３０ｎｍ以上の可視光の実質的に１００％を反射するように設定される。なお、この光学膜４００の設定も、膜中での光の多重干渉の原理を用いた一般的な光学膜の設計手法を用いて行なうことができる。
【００３８】
そして、実施形態５の光学膜４００によっても、実施形態４と同様に、サファイア基板１００の下面側から放射される均一な光強度分布を持つ励起光が蛍光体層１１１に照射されるので、均一な光強度分布を有する照明装置を得ることができる。これに加えて、実施形態５では、蛍光体層１１１内で生じた可視光が光学膜４００によって反射されるので、より明るい照明装置を得ることができる。
【００３９】
（実施形態６）
図７において、本発明の実施形態６による照明装置が模式的な断面図で示されている。なお、実施形態６の場合においても、垂直共振器型面発光レーザ１１２の構造は実施形態１の場合と同じである。実施形態６においては、基板６００としてＧａＮ基板が用いられている。なお、基板６００はＧａＮ基板に限られず、活性層から放射される励起光の波長に関して透明な（吸収係数がほぼ０％の）ＳｉＣ基板やＣ基板を用いることもできる。
【００４０】
活性層１０４から放射される励起光が基板６００の上面上と下面上にそれぞれ設けられたＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜１０１と光学膜（４００）との間で多重反射することにより、基板下面側から蛍光体層１１１へ強度分布の均一な励起光が放射され、均一な光強度分布を持つ照明光を得ることができる。
【００４１】
さらに、このＧａＮ基板６００の下面側の光学膜４００上には蛍光体層１１１が形成され、この蛍光体層１１１の下面上には励起光を１００％反射して蛍光体層からの可視光の８０％を透過するように厚さ５０ｎｍのシリコン酸化物層と厚さ３０ｎｍのシリコン窒化膜とを含むの多層構造からなる光学膜６０１が形成されている。
【００４２】
この実施形態６では、蛍光体層１１１から放射される可視光が、ＧａＮ基板６００の下面側の光学膜４００と蛍光体層１１１の下面側の光学膜６０１との間で多重反射するので、その可視光の強度分布をさらに均一にすることができる。
【００４３】
また、蛍光体層１１１の下面上に設けた光学膜６０１は、目に対して安全上の問題となる空間的コヒーレンシー（可干渉性）を有する励起光を１００％反射するので、この励起光が空間に放射されるのを防ぐこともできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、垂直共振器型面発光レーザからの励起光を透光性基板の方へ放射させ、この励起光を基板内で多重散乱させることによって、基板内から蛍光体層へ放射される励起光の光強度分布の均一性を向上させることができる。この光強度分布の均一な励起光に基づいて、光強度分布の均一性の良好な照明装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による照明装置を示す模式的な断面図である。
【図２】図１の照明装置を蛍光体層の下面側から見た模式的な平面図である。
【図３】実施形態２による照明装置を示す模式的な断面図である。
【図４】実施形態３による照明装置を示す模式的な断面図である。
【図５】実施形態４による照明装置を示す模式的な断面図である。
【図６】実施形態５による照明装置に含まれる光学膜の反射特性を示すグラフである。
【図７】実施形態６による照明装置を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００、２００　サファイア基板、１０１　ＧａＮ／Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ反射膜、１０２　ｎ型ＧａＮコンタクト層、１０３　ｎ型Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６Ｎ下クラッド層、１０４　ｎ型Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ光ガイド層／Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ発光層／ｐ型Ｉｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ光ガイド層を含む活性層、１０５　ｐ型Ｇａ_０．４Ａｌ_０．６Ｎ上クラッド層、１０６　ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０７　ＳｉＯ_２／ＺｒＯ反射膜、１０８　ｐ型電極、１０９　ｎ型電極、１１０　シリコン酸化膜、１１１蛍光体層、１１２　垂直共振器型半導体レーザ、３００　凹凸構造（光拡散構造）、４００　光学膜、６００　ＧａＮ基板、６０１　光学膜。

Claims

発光素子とこの発光素子から放射される励起光を異なる波長の光に変換する蛍光体層とを含む照明装置であって、
前記発光素子は活性層を含む複数の半導体層を２つの反射鏡で挟むことによって透光性基板の第１主面上に垂直に共振器構造が形成された垂直共振器型面発光レーザからなり、
前記２つの反射鏡の反射率は前記基板の前記第１主面に対向する第２主面側方向に励起光を放射するようにそれぞれ設定され、
前記基板の前記第２主面側方向の任意の位置の少なくとも１領域に前記蛍光体層が配置されていることを特長とする照明装置。
前記基板の前記第２主面上の少なくとも１領域に前記蛍光体層が形成されていることを特長とする請求項１に記載の照明装置。
前記基板の前記第２主面と前記蛍光体層との間の少なくとも１領域において前記励起光の１部を拡散させる光拡散構造が形成されていることを特長とする請求項１または２に記載の照明装置。
前記基板の前記第２主面と前記蛍光体層との間の少なくとも１領域において前記励起光の強度の１部を反射する光学特性を有する光学膜が形成されていることを特長とする請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
前記光学膜は前記蛍光体層により波長変換された光を反射する光学特性を有することを特長とする請求項４に記載の照明装置。
前記蛍光体層の表面のうちで前記基板と反対側の表面上の少なくとも１領域において前記励起光を反射する光学特性を有する光学膜が形成されていることを特長とする請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。