JP2006286783A - 発光素子とその製造方法および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも、環境温度変化による蛍光の光量の変動が極めて小さく、また単純で安価な構成を有しかつレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供する。
【解決手段】 発光素子は、第１と第２の端面（Ｍ１、Ｍ２）に挟まれたファブリペロー型共振器を有する半導体レーザ部（Ｌ１２）と、レーザ光出射端面として作用し得る少なくとも第１の端面（Ｍ２）に隣接して設けられていてレーザ光を吸収して可視光を放出する蛍光体含有部（１１０）と、その蛍光体含有部を通過したレーザ光を半導体レーザ部に帰還させるためのレーザ光帰還機構（Ｍ３）とを備えていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子とその製造方法およびそれを利用した照明装置の改善に関する。

近年では、白熱電球や蛍光灯のような従来からの照明装置に代って、半導体発光素子と蛍光体を用いた照明装置が開発されている。半導体発光デバイスの一例としてはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光層を含む発光ダイオードを挙げることができ、赤色から青色さらには白色で発光する素子が実用化されている。発光ダイオードを用いた照明装置は、小型かつ安価であって消費電力が少なくて寿命が長く、従来の照明装置にない特徴を有している。他方、発光ダイオードを用いた照明装置は、白熱電球や蛍光灯ほどの大きな光出力を有し得ないことから、現在のところでは主としてディスプレイのバックライト、イルミネーション、インジケータなどとして利用されるに留まっている。

半導体発光デバイスとしては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による半導体レーザを用いた照明装置も考案されている。特許文献１の特開平７−２８２６０９号公報には、半導体レーザ素子と、その素子からのレーザ光を拡散させるレンズと、そこからの拡散レーザ光を励起光として可視光に変換する蛍光体とを備えた照明装置が開示されている。また、特許文献１には、赤、緑、および青の三色の半導体レーザの出力光を重ね合わせることによって白色照明を得る構成が開示されている。半導体レーザを光源に用いた場合、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高く、また大幅な高出力化が可能となることが期待される。
特開平７−２８２６０９号公報

半導体レーザを用いた照明装置は電気−光変換効率が極めて高くて高出力化が可能であるという利点があるものの、発光ダイオードと比べて構成が複雑化する問題がある。半導体レーザの出力光は指向性が強くて一方向に高密度で放射されるので、特許文献１に開示されているような拡散レンズやコリメータレンズのように光の拡がりを調節するための光学系が必要となる。さらに、半導体レーザからの自然放出光成分は、上述のようなレンズには光学的に結合しなくて、損失または迷光となる。

さらに、本発明者の検討によれば、半導体レーザを蛍光体に対する励起光源とした場合、光源の光強度が非常に強いので、蛍光体で吸収され切らずにそのまま外部に出てくる場合があり、安全性に問題が生じ得ることがわかった。特に、環境温度の変化によってレーザの発振波長がシフトした場合には、蛍光体によるレーザ光の吸収量が大きく変動し、レーザ光がそのまま外部に出てきたり、さらには蛍光の光量が大きく変動する問題が生じる。

上述ような問題に鑑み、本発明の目的は、電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも、環境温度変化による蛍光の光量の変動が極めて小さく、また単純で安価な構成を有しかつレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供することである。そして、このような発光素子は、照明装置の光源として好ましく利用され得るものである。

本発明による発光素子は、第１と第２の端面に挟まれたファブリペロー型共振器を有する半導体レーザ部と、レーザ光出射端面として作用し得る少なくとも第１の端面に隣接して設けられていてレーザ光を吸収して可視光を放出する蛍光体含有部と、その蛍光体含有部を通過したレーザ光を半導体レーザ部に帰還させるためのレーザ光帰還機構とを備えていることを特徴としている。

なお、レーザ光帰還機構として、レーザ光出射端面と対向するように設けられた外部反射鏡を利用することができる。また、半導体レーザ部と蛍光体含有部とは一つの半導体積層構造チップ内に形成され、レーザ光出射端面と外部反射鏡とは半導体積層構造チップ内に掘り込まれた穴における一対の対向する垂直な壁面で形成することができ、蛍光体含有部はその穴に蛍光体含有物質を充填することによって形成され得る。その穴の内面は、レーザ光出射端面に相当する壁面を除いて、金属の反射コーティングがなされていることが好ましい。その金属反射コーティングは、アルミニウムまたは銀を含むことが好ましい。

半導体レーザ部は一つの半導体積層構造チップ内に形成され、レーザ光出射端面は半導体積層構造チップの劈開面Ａとして形成され、外部反射鏡は半導体積層構造チップとは別に設けられた半導体部品の劈開面Ｂとして形成され、半導体積層構造チップと半導体部品とは劈開面Ａと劈開面Ｂとが対向するように配置され、そして蛍光体含有部は劈開面Ａと劈開面Ｂとの間に蛍光体含有物質を配置することによって形成されてもよい。劈開面Ｂは、金属コーティングがなされていることが好ましい。その金属コーティングも、アルミニウムまたは銀を含むことが好ましい。

半導体レーザ部と外部反射鏡との間の距離は、半導体レーザ部の共振器長よりも短いことが好ましい。また、半導体レーザ部と外部反射鏡部との間隔は、２μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。

半導体レーザ部と外部反射鏡との間に配置された蛍光体含有物質は屈折率が異なる複数の材料層が積層された導波路構造を含むことができ、相対的に高い屈折率の材料層の高さが半導体レーザ部中の活性層の高さに適合させられていることが好ましい。外部反射鏡は、半導体レーザ部から蛍光体含有物質中に放射されるレーザ光の拡がりに基づいて設定された凹面鏡であることが好ましい。半導体レーザ部の第２の端面上は、金属のコーティングを含むことが好ましい。その金属コーティングも、アルミニウムまたは銀を含むことが好ましい。

半導体レーザ部はＡｌＧａＩｎＮからなるダブルへテロ構造を含むことができ、レーザ光の波長は３８０ｎｍから４３０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。蛍光体は、波長３８０ｎｍから４３０ｎｍのレーザ光を吸収して白色の蛍光を発することが好ましい。

発光素子において、半導体レーザ部の複数をアレイ状に配列することもできる。

本発明による照明装置は、上述のような発光素子を光源として含むことを特徴としている。

本発明による発光素子の製造方法は、ダブルへテロ構造を有する半導体レーザ部を含む半導体積層構造を形成する工程と、その積層構造内において前記半導体レーザ部に隣接して一対の対向する垂直な壁面を有する穴を形成する工程と、その穴内に蛍光体含有物質を充填する工程とを含むことを特徴としている。その穴の内面において、半導体レーザ部の端面に相当する部分を除いて、金属のコーティングを施す工程をさらに含むことが好ましい。その金属コーティングも、アルミニウムまたは銀を含むことが好ましい。

以上のような本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を発する発光素子が得られる。特に、本発明による発光素子は、環境温度の変化に対して蛍光の光量の変動が小さく、また蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。さらに、本発明による発光素子では、線状発光を容易に得ることができる。そして、本発明による発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を構成することができる。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１による発光素子の模式的断面図を示している。この発光素子１００は半導体レーザのダブルヘテロ構造を含んでいる。すなわち、半導体基板１０１上において、下クラッド層１０２、活性層１０３、および上クラッド層１０４が順次積層されており、それらはＡｌＧａＩｎＮ系材料によって形成されている。活性層１０３は、波長４３０ｎｍの発光が生じる多重量子井戸構造として形成され得る。

図１中の高反射率ミラーＭ１は、厚さλ／２（λ：レーザ光波長）のＡｌ₂Ｏ₃絶縁層１０７とアルミニウムの金属コーティング膜１０８とを含んでいる。高反射率ミラーＭ３としては、アルミニウムの金属コーティング膜１０９が施されている。ミラーＭ２とＭ３との間には蛍光体含有物質１１０が配置されている。ここで、蛍光体含有物質１１０としては、赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺｝の蛍光を発するそれぞれの蛍光体が分散されたシリコーン樹脂を利用し得る。また、レーザ部の長さＬ１２はたとえば２５０μｍに設定することができ、蛍光体部１００の長さＬ２３はたとえば１０μｍに設定することができる。

図１の発光素子において、正負の電極１０５、１０６を通して活性層１０３に電流を注入するれば、蛍光体含有物質１１０から強い白色発光１１１が得られる。すなわち、発光素子１００では、高反射率ミラーＭ１とハーフミラーＭ２とからなる半導体レーザ部が共振器長Ｌ１２を有し、波長４３０ｎｍのレーザ光がハーフミラーＭ２に隣接する蛍光体１１０内へ出射される。そして、そのレーザ光の一部が蛍光体１１０に吸収されて赤色、緑色、および青色の蛍光が放出され、それらの蛍光が混合して白色発光１１１が得られる。

ここで、蛍光体１１０内に入射されたレーザ光の全てが吸収されるのではなくて、その一部は高反射率ミラーＭ３に達する。そのミラーＭ３にて反射されたレーザ光のうちで再び蛍光体１１０を通過した部分は、ハーフミラーＭ２を通して半導体レーザ部内に帰還させられる。したがって、レーザ発振時の縦モードは、ミラーＭ１、Ｍ２からなるレーザ部分の共振器の縦モードと、蛍光体１１０が介在しているミラーＭ２、Ｍ３からなる外部共振器の縦モードとの重畳によって決定される縦モードにおいて発振状態に至ることになる。

この場合、レーザ共振器長Ｌ１２に比べて蛍光体含有物質１１０の長さＬ２３を十分に小さくしておけば、外部共振器の縦モード間隔はレーザ共振器の縦モード間隔よりも一桁程度以上広くすることができる。本実施例１の場合、レーザ共振器部の縦モード間隔が０．１４ｎｍとなって、蛍光体１１０が介在する外部共振器部の縦モード間隔は６．６ｎｍとなり得る。したがって、これら二つの共振器部の重畳によって決まるレーザ発振波長に関して環境温度の変化によるモードホップが生じにくくなり、発振波長が安定化することになる。

図２の模式的なグラフは、発光素子１００の内部で生じるレーザ発振波長の温度依存性を例示している。上段のグラフ（ａ）はレーザ光が蛍光体１１０を通過後に半導体レーザ部に帰還させられる場合を示しており、下段のグラフ（ｂ）はそのような帰還が生じない場合を示している。蛍光体１１０を通過したレーザ光が半導体レーザ部に帰還させられない場合、図２のグラフ（ｂ）に示されているように、僅かな環境温度の変化においても細かなモードホップを伴いながら約０．３ｎｍ／℃で発振波長が大きく変動している。他方、蛍光体１１０を通過したレーザ光が半導体レーザ部に帰還させられる場合、図２のグラフ（ａ）に示されているように、０〜４０℃における温度の変化に対する波長の変動は約０．０６ｎｍ／℃に収まっている。

ここで、外部共振器を構成するミラーＭ２とＭ３との間隔が狭いほど縦モードの間隔が広くなると共にレーザ素子部へ帰還させられる光量が多くなるので、より広い温度範囲にわたって波長変動が生じにくくなる。他方、ミラーＭ２とＭ３との間隔を狭くし過ぎれば、蛍光体１１０の体積が減るので、得られる蛍光量が少なくなる。本発明者の検討によれば、ミラーＭ２とＭ３との間隔が２μｍから２０μｍの範囲内にあればレーザ光を蛍光体１１０からレーザ素子部ヘ帰還させることができ、たとえば１０μｍに設定することが好ましい。

図３の模式的なグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、左の縦軸は蛍光体の吸収係数（％）を表し、そして右の縦軸はレーザ光の相対的強度を表している。すなわち、図３のグラフは、赤色の蛍光を発する蛍光体（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）の吸収スペクトル（破線）と、半導体レーザ部の発振波長スペクトル（実線）との関係を示している。上段のグラフ（ａ）はレーザ光が蛍光体１１０を通過後に半導体レーザ部に帰還させられる場合を表し、下段のグラフ（ｂ）はそのような帰還が生じない場合を表している。また、半導体レーザのスペクトルとして実線Ａ、Ｂ、およびＣの三種類が図示されているが、それぞれ０℃、室温、および＋４０℃におけるスペクトルを表している。

図３中の破線の曲線から分かるように、蛍光体の吸収スペクトルは波長依存性が大きく、その吸収スペクトル分布は温度が変化してもほとんど変化しない。他方、半導体レーザの発振波長スペクトル幅は数ｎｍ程度の狭いものであり、レーザ光が蛍光体通過後に半導体レーザ内へ帰還しない場合、レーザ素子の発振波長は約０．３ｎｍ／℃程度の温度依存性で変動する。したがって、環境温度が４０℃（０〜４０℃）の幅で変化する場合には、図３のグラフ（ｂ）に示されているように、発振波長は約１２ｎｍ程度の範囲内で変化する。このような半導体レーザ素子の温度変化による発振波長の変動によって、蛍光体において励起光として吸収されるレーザ光の光量（蛍光体の吸収スペクトルと半導体レーザの発振スペクトルとの重なり部分の積分量に相当）は、室温時の３０〜５０％程度にまで減少し得る。その結果、蛍光体から放射される蛍光量も、蛍光体に吸収される励起光量の減少に応じて３０〜５０％程度にまで減少し得る。

他方、レーザ光が蛍光体を通過した後に半導体レーザ内に帰還させられる場合、図３のグラフ（ａ）から分かるように、環境温度が０〜４０℃の範囲で変動しても蛍光体に対する励起効率の変化が少なくなる。その結果、安定した蛍光光量が得られるようになる。特に、本実施例１の場合のように赤色、緑色、および青色の各色で発光する複数種の蛍光体を混在させて白色光を得ようとする場合、環境温度の変化による混合色の変化が小さくなり、安定した白色が得られるようになる。

本実施例１の発光素子１００においては、蛍光体に対する励起光はレーザ発振状態となっているので極めて光密度が高く、蛍光体含有層で吸収される以外にはほとんど損失を受けないので、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高い。したがって、白色蛍光も、非常に高い効率かつ非常に強い強度で得られる。また、励起光である波長４３０ｎｍのレーザ光は、外部共振器を含む共振器構造内に完全に閉じ込められるので、外部に漏れることがない。特に、レーザ共振器におけるレーザ光の進行方向と蛍光体からの蛍光の出射方向とが９０度異なっているので、蛍光励起に利用されるレーザ光が人体、特に眼球に悪影響を与えることがなくて安全である。さらに、発光素子１００ではレーザ発振機構と蛍光体部とが一体となっているので、特許文献１におけるようにレーザ光を拡散させたり反射させるための光学系が不要となり、発光素子１００は小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。

図４は、発光素子１００を模式的斜視図で図解している。この発光素子１００の半導体レーザ部は、幅ｗが２μｍのダブルチャネル型リッジ導波路構造を含んでいる。ハーフミラーＭ２とレーザ光帰還用ミラーＭ３とは、半導体レーザのための積層構造体において、Ｍ２およびＭ３に相当する部分が垂直壁面となるように掘込み部１１２をドライエッチングすることによって形成し得る。図４には示されていないが、この掘込み部１１２の内面はＭ２に相当する部分を除いてアルミニウム蒸着でミラーにされており、その掘込み部１１２内に蛍光体含有樹脂（図４には図示せず）が充填されている。

蛍光体含有物質１１０から発せられる蛍光は、必ずしも発光素子１００の外部方向のみに放射されるわけではなく、あらゆる方向へ放射され得る。しかし、発光素子１００では、蛍光体含有物質１１０が充填された掘込み部１１２の内面は、ハーフミラーＭ２の領域を除いてアルミニウムが蒸着されている。したがって、蛍光の大部分が発光素子１００の上方すなわち外部へ取り出されることになり、蛍光の取り出し効率が極めて高くなる。掘込み部１１２の内面に蒸着する金属コーティングとしては、可視光に対して高い反射率を有する任意の金属を使用し得る。しかし、Ｍ３に対応する内面は青色光または紫外光のレーザ光を帰還させるためのミラーを兼ねるので、青色光または紫外光の波長域で高い反射率を有するアルミニウムまたは銀などを用いることが好ましい。

なお、図１におけるミラーＭ３として垂直壁面上の金属コーティングが例示されたが、ミラーＭ３はレーザ光を帰還させ得ることを条件として種々の変形が可能である。たとえば、ミラーＭ３は、誘電体の多層膜反射鏡またはレーザ光波長に適合するフォトニックバンドギャップを利用した全反射ミラーなどであってもよい。

図１における反射鏡Ｍ１も、アルミニウムコーティングを含む高反射率鏡であり得る。しかし、ミラーＭ１として半導体積層体の端面上にアルミニウムを直接コーティングすれば、レーザ素子部における上下の電極１０５、１０６が電気的にショートする。したがって、半導体積層体の端面とアルミニウム膜１０８との間に厚さλ／２のＳｉＯ₂コーティング膜１０７を設けて絶縁している。この反射鏡Ｍ１に用いる金属膜１０８としても、青色光または紫外光に対して高い反射率を有するアルミニウムまたは銀などを用いるのが好ましい。また、ミラーＭ１も、ミラーＭ３の場合と同様に、誘電体の多層膜反射鏡またはレーザ光波長に適合するフォトニックバンドギャップを利用した全反射ミラーなどであってもよい。

（実施例２）
図５は、本発明の実施例２による発光素子の模式的斜視図を示している。この発光素子２００においては、図４の発光素子における半導体レーザ部のリッジ型導波路が３μｍ間隔で３つ並べられており、それ以外の部分は発光素子１００と同様である。すなわち、図５の発光素子２００中の部分２０１から２１２は、それぞれ図４の発光素子１００中の部分１０１から１１２に対応している。この素子発光素子２００におけるリッジに沿った断面図は図１と同様となり、掘込み部２１２内に蛍光体含有物質（図５には図示せず）が埋め込まれている。

図５の発光素子対してに正負の電極２０５、２０６を通して電流を注入すれば、白色蛍光が得られる。その蛍光は非常に強度が強く、環境温度の変化に対して強度変化も色変化も小さい。発光素子２００におけるこれらの特徴は、実施例１の場合と同様である。本実施例２では、リッジ型導波路を複数本設けて蛍光体含有物質を励起するので、実施例１に比べてはるかに強い白色蛍光を得ることができる。

なお、図５の例ではリッジ型導波路が３本並べられているが、その本数に制限はなくて任意の数にすることができる。リッジの本数を増やして掘込み部２１２を幅方向に長くすれば、線状の発光を得ることができる。また、本実施例２および実施例１においてはリッジ型導波路構造が例示されているが、他の導波路構造である埋め込みヘテロ型、電極ストライプ型などのように公知の任意の導波路構造を選ぶことができる。またリッジなどのストライプの幅やその間隔なども、任意に設定することができる。

（実施例３）
図６は、本発明の実施例３による発光素子の模式的断面図を示している。この発光素子３００は半導体レーザのダブルヘテロ構造を含んでいる。すなわち、半導体基板３０１上に、下クラッド層３０２、活性層３０３、および上クラッド層３０４が順次積層されており、それらの層はＡｌＧａＩｎＮ系材料によって形成されている。活性層３０３は、波長４００ｎｍの発光を生じる多重量子井戸構造を有し得る。高反射率ミラーＭ１は、厚さλ／２のＳｉＯ₂絶縁層３０７とアルミニウムの金属コーティング膜３０８を含んでいる。高反射率ミラーＭ３としてはアルミニウムの金属コーティング膜３１０が施され、これによって、レーザ光が蛍光体３１１を通過した後に半導体レーザ部に帰還させられ得る。

すなわち、ミラーＭ２とＭ３との間には、蛍光体含有物質３１１が配置されている。この蛍光体含有物質３１１として、赤色（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）₁₀（ＰＯ₄）₆Ｃｌ₂：Ｅｕ²⁺｝の蛍光を発する蛍光体が分散されたガラス系材料を用いることができる。そして、半導体レーザチップの長さＬ１２はたとえば１０００μｍに設定し、蛍光部材３１１の長さＬ２３はたとえば５０μｍに設定し得る。

図６の発光素子に対して正負の電極３０５、３０６を通して活性層３０３に電流を注入すれば、蛍光体含有物質３１１から赤色、緑色、および青色の蛍光が発せられ、それらの蛍光が混合することによって強い白色発光３１２が得られる。その蛍光３１２は非常に強度が強く、環境温度の変化に対して強度変化も色変化も小さい。発光素子３００におけるこれらの特徴は、実施例１の場合と同様である。

本実施例３では、ヒートシンク３１３上において、部分３０１−３０８からなる半導体レーザチップと半導体部品３０９とが劈開面Ｍ２とＭ３を向き合わせるように並置されていることに特徴がある。

図７において、発光素子３００の主要部が模式的斜視図で示されている。半導体レーザチップはリッジ幅ｗが１．８μｍのダブルチャネル型リッジストライプ導波路を含んでおり、両端面Ｍ１、Ｍ２は劈開によって形成されている。半導体部品３０９においても、半導体レーザ部の劈開面Ｍ２に平行な面Ｍ３は劈開によって形成されており、劈開面Ｍ３はＭ２と対向するように配置されている。そして、粘性の高い蛍光体含有物質（図７には図示せず）が劈開面Ｍ２とＭ３の間に充填されている。

実施例１、２におけるように掘込みによってミラーＭ２、Ｍ３が作られる場合、発光素子が一体構造で作製されてミラーＭ２−Ｍ３間のアライメントが不必要である点で好ましいが、鏡面度の高いミラーＭ２、Ｍ３をエッチングで製造するために高度な技術が必要である。他方、本実施例３の場合、半導体レーザチップと半導体部品３０９とのアライメントを行う必要があるが、ミラーＭ２、Ｍ３は劈開によって容易に鏡面度の高い良質のミラーとして作られ得る点で好ましい。

なお、本実施例３においても、蛍光体３１１から上方以外の方向へ放出される蛍光を反射させて上方へ取り出すために、蛍光体３１１の側面および底面にも金属反射膜をコートしてもよいことは言うまでもない。

（実施例４）
図８は、本発明の実施例４による発光素子の模式的断面図を示している。図８の発光素子は図１の発光素子の変形例であり、発光素子４００における部分４０１から４１１はそれぞれ発光素子１００における部分１０１から１１１に相当している。発光素子４００と１００との違いは、蛍光体含有物質１１０、４１０の構成にある。すなわち、発光素子１００の蛍光体含有物質１１０は単一の材料からなっているのに対して、発光素子４００の蛍光体含有物質は２種類の物質層４１０ａ、４１０ｂの積層からなっている。ここで、第１の物質層４１０ａは、第２の物質層４１０ｂよりも高い屈折率を有している。また、第１の物質層４１０ａの高さは活性層４０３の高さにほぼ一致させられており、第１の物質層４１０ａがコアとなって第２の物質層４１０ｂがクラッドとなるような導波路を構成している。第１の物質層４１０ａとしてたとえば蛍光体を分散させたアモルファス酸化チタニウムを利用することができ、第２の物質層４１０ｂとしてたとえば蛍光体を分散させたアモルファス酸化珪素を利用することができる。

図１の場合には、半導体レーザ部の端面Ｍ２から蛍光体含有物質１１０内に放射されるレーザ光は蛍光体含有物質１１０内に侵入する際に端面Ｍ２での回折効果によってビーム拡がりを生じ、ミラーＭ３で反射されてレーザ素子部に帰還する成分が少なくなる。他方、図８の発光素子のように屈折率の異なる複数の蛍光体含有物質層４１０ａ、４１０ｂを導波路状に積層した場合、ミラーＭ３で反射されたレーザ光が効率的に半導体レーザ部に帰還するようになる。

図８の断面構造において、蛍光体含有物質内で垂直方向（ｙ方向）に関する光閉込めを生じさせてレーザ光を効率的に半導体レーザ部に帰還させ得るが、水平方向（ｙ−ｚ平面に直交するｘ方向）については導波路構造が設けられていない。しかし、水平方向については、図９の模式的平面図に示すように発光素子４００のミラーＭ３を湾曲部Ｒとして形成することによって、レーザ素子部の端面Ｍ２から拡がるように蛍光体含有物質４１０内に放射されたレーザ光を効率的にレーザ素子部に帰還させることができる。すなわち、外部反射鏡Ｍ３の形状は、半導体レーザ部から蛍光体含有物質に放射されたレーザ光の拡がりに基づいて設定される凹面鏡にすることが好ましい。

なお、水平方向の光閉込めに関して、蛍光体含有物質部分にリッジ型導波路構造またはメサストライプ構造を組み入れるなどして、垂直と水平の両方に向に関して蛍光体含有部に導波路構造を作り込むこともできる。また、実施例４における蛍光体含有部の構成は、実施例２、３にも同様に適用し得ることは言うまでもない。

（実施例５）
本発明の実施例５においては、図１の発光素子を５ｍｍ間隔で縦２５個×横２５個のマトリックス状に並べて配置することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置が構成される。本発明による発光素子は、白熱灯や蛍光灯に代わる照明装置の他に、イルミネーションやディスプレイのバックライトなどとしても利用することができる。

なお、本発明においては、蛍光体含有層に関して、各実施例に例示した蛍光体材料、および蛍光体を分散させている母材の材料に限られず、任意の材料に置き換えることが可能であることは言うまでもない。また、出力光となる蛍光は必ずしも白色である必要はなく、目的に応じて任意の蛍光体にて任意の色の蛍光を出力させてもよい。

また、以上の実施例では白色蛍光を得るために赤、緑、および青の三色の蛍光体を混ぜた場合が例示されたが、必ずしも混ぜる必要はなく、それぞれの色の蛍光体を分離して配置してもよい。さらに、以上の実施例ではレーザ素子部の一方端のみに隣接して蛍光体を配した構成が例示されたが、前後の端面に隣接して蛍光体が配置されていてもよい。

励起光源としての半導体レーザの発振波長は必ずしも以上の実施例で例示された波長でなくともよく、蛍光体の吸収線に合わせて調節すればよい。このレーザ発振波長については、蛍光体から発せられる蛍光の波長よりも短波長の蛍光体吸収線に合わせればよいが、発光の効率および可視光への変換効率を考慮して検討した結果では、ＡｌＧａＩｎＮ系材料による波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍでのレーザ発振状態を利用することが好ましい。

なお、本発明の半導体レーザ素子において、各半導体層に使用される窒化物系化合物半導体混晶は、実施例に例示された以外のＩＩＩ族元素（ボロンなど）やＶ族元素（砒素、燐、ピスマスなど）が適宜に混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉなど）が適宜に含まれていてもよい。また、発光素子の基板も実施例に例示されたものに限定されず、他の基板を用いても本発明の効果が得られる。たとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板、砒化ガリウム基板などの単結晶基板を用いることが可能である。これらの基板を結晶成長によって作製する場合、公知の任意の原料を用いた公知の任意の結晶成長方法にて作製することができることは言うまでもない。また、以上の実施例における活性層の量子井戸構造に関して、井戸層数、歪量、井戸層の厚さなどについて特に制限はない。たとえば、量子井戸構造に含まれるバリア層にも、圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。

また、発光素子内部へ放出された蛍光に関して、通常の発光ダイオードなどで施されているように、蛍光を効率的に外部へ取り出す公知の各種構造を本発明の発光素子にも導入し得ることは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を発する発光素子を提供することができる。特に、本発明による発光素子は、環境温度の変化に対して蛍光の光量の変動が小さく、また蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。さらに、本発明による発光素子では、線状発光を容易に得ることができる。そして、本発明による発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を提供することができる。

本発明の一実施例による発光素子を模式的に示す断面面図である。 図１の発光素子の内部のレーザ発振波長の温度依存性を示す模式的グラフである。 本発明および関連する発光素子の内部のレーザ発振スペクトルと蛍光体の吸収スペクトルとの関係を示す模式的グラフである。 図１の発光素子に対応する模式的斜視図である。 本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す斜視図である。 本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す断面図である。 図８の発光素子に対応する模式的平面図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００ 発光素子、１０１、２０１、３０１、４０１ 基板、１０２、２０２、３０２、４０２ 下クラッド層、１０３、２０３、３０３、４０３ 活性層、１０４、２０４、３０４、４０４ 上クラッド層、１０５、１０６、２０５、２０６、３０５、３０６、４０５、４０６ 電極、１０７、３０７、４０７ 絶縁層、１０８、１０９、３０８、３１０、４０８、４０９ 金属コーティング膜、１１０、３１１、４１０、４１０ａ、４１０ｂ 蛍光体含有物質、１１１、３１２、４１１ 白色蛍光、１１２、２１２ 掘込み部、３０９ 半導体チップ、３１３ ヒートシンク。

Claims (21)

1. 第１と第２の端面に挟まれたファブリペロー型共振器を有する半導体レーザ部と、
   レーザ光出射端面として作用し得る少なくとも前記第１の端面に隣接して設けられていてレーザ光を吸収して可視光を放出する蛍光体含有部と、
   前記蛍光体含有部を通過したレーザ光を前記半導体レーザ部に帰還させるためのレーザ光帰還機構と
   を備えていることを特徴とする発光素子。
2. 前記レーザ光帰還機構は、前記レーザ光出射端面と対向するように設けられた外部反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記半導体レーザ部と前記蛍光体含有部とは、一つの半導体積層構造チップ内に形成されており、
   前記レーザ光出射端面と前記外部反射鏡とは、前記半導体積層構造チップ内に掘り込まれた穴における一対の対向する垂直な壁面からなっており、
   前記蛍光体含有部は、前記穴に蛍光体含有物質を充填することによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
4. 前記穴の内面は、前記レーザ光出射端面に相当する壁面を除いて、金属の反射コーティングがなされていることを特徴とする請求項２または３に記載の発光素子。
5. 前記金属反射コーティングは、アルミニウムまたは銀を含むことを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
6. 前記半導体レーザ部は、一つの半導体積層構造チップ内に形成されており、
   前記レーザ光出射端面は、前記半導体積層構造チップの劈開面Ａからなっており、
   前記外部反射鏡は、前記半導体積層構造チップとは別に設けられた半導体部品の劈開面Ｂからなっており、
   前記半導体積層構造チップと前記半導体部品とは、劈開面Ａと劈開面Ｂとが対向するように配置されており、
   前記蛍光体含有部は、劈開面Ａと劈開面Ｂとの間に蛍光体含有物質を配置することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
7. 劈開面Ｂには金属のコーティングがなされていることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
8. 前記金属コーティングは、アルミニウムまたは銀を含むことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
9. 前記半導体レーザ部と前記外部反射鏡との間の距離は、前記半導体レーザ部の共振器長よりも短いことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
10. 前記半導体レーザ部と前記外部反射鏡部との間隔が２μｍ以上で２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
11. 前記半導体レーザ部と前記外部反射鏡との間に配置された蛍光体含有物質は屈折率が異なる複数の材料層が積層された導波路構造を含み、相対的に屈折率の高い前記材料層の高さが前記半導体レーザ部中の活性層の高さに適合させられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の発光素子。
12. 前記外部反射鏡は、前記半導体レーザ部から前記蛍光体含有物質中に放射されるレーザ光の拡がりに基づいて設定された凹面鏡であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
13. 前記半導体レーザ部の前記第２の端面上に金属のコーティングを含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の発光素子。
14. 前記金属コーティングは、アルミニウムまたは銀を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
15. 前記半導体レーザ部はＡｌＧａＩｎＮからなるダブルへテロ構造を含み、レーザ光の波長は３８０ｎｍから４３０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から１４に記載の発光素子。
16. 前記蛍光体は、波長３８０ｎｍから４３０ｎｍのレーザ光を吸収して白色の蛍光を発することを特徴とする請求項１５に記載の発光素子。
17. 前記半導体レーザ部の複数がアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の発光素子。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の発光素子を光源として含むことを特徴とする照明装置。
19. ダブルへテロ構造を有する半導体レーザ部を含む半導体積層構造を形成する工程と、
    その積層構造内において前記半導体レーザ部に隣接して、一対の対向する垂直な壁面を有する穴を形成する工程と、
    その穴内に蛍光体含有物質を充填する工程と
    を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
20. 前記穴の内面において、前記半導体レーザ部の端面に相当する部分を除いて、金属のコーティングを施す工程をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の発光素子の製造方法。
21. 前記金属コーティングは、アルミニウムまたは銀を含むことを特徴とする請求項２０に記載の発光素子の製造方法。

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