JP2010225917A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザダイオードを光源とする発光装置において、発光面積が細く、高輝度の線状の白色光を得ることを可能とする半導体発光装置、及び放熱と光取り出しを両立させた半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置され、紫外光から可視光までの範囲内のいずれかの波長の光を発する半導体レーザダイオードと、前記半導体レーザダイオードが発する光を吸収して波長の異なる可視光を出力する蛍光体を含み、周囲が前記パッケージに密着し、かつ前記レーザダイオードの光路上に配置された可視発光体とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザダイオードを光源とする発光装置に関する。

半導体発光素子と蛍光物質を組み合わせた、種々の光源装置あるいは発光装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。このような発光装置は、蛍光物質が半導体発光素子からの励起光を吸収して励起光とは異なる波長の光を放射するものである。

特許文献１には、レーザダイオードと蛍光体を組み合わせたCAN型パッケージの半導体発光装置が提案されている。また、特許文献２には、発光ダイオードを用いた薄型の発光装置が提案されている。また、特許文献３には、レーザ光を出力する半導体レーザ素子と、蛍光体を光取り出し面に塗布した導光板とを備え、面状に光を発することができる照明用発光装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載の発光装置では、レーザダイオードを用いることで高い出力を実現しているが、発光面積は円形で広く、高輝度化に関する工夫は成されていない。また、特許文献2に記載の発光装置では、発光面が細く、高輝度を主張しているが、LED素子の大きさよりも小さい発光面を作ることはできず、また、LED素子自体は高出力にするには面積が大きくなるため、高輝度化には限界がある。また、特許文献３に記載の発光装置では、導光板の形状によって線状の光源を作ることも可能であるが、導光板やシンドリカルレンズが必須の構造であり、光学部品が多く、複雑で大きな構造となる。

一方、レーザダイオードの設置に関し、上述の特許文献１では、レーザダイオードがCAN型パッケージの中央に固定されている。また、レーザダイオードをヒートシンクに挟み込んだ発光装置が提案されている（例えば特許文献４参照）。

しかし、特許文献１に記載の発光装置では、レーザの高出力化に要する放熱の制御が不十分であり、また、特許文献２に記載の発光装置では、レーザダイオードをヒートシンクに挟み込むことで放熱性を確保しているが、光線の広がりを制御することは出来ず、光源単独で効率よく光を利用することが困難である。

特開２００８−１５３６１７号公報 特開２００７−１５８００９号公報 特開２００６−７３２０２号公報 特開２０００−１５０９９１号公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、レーザダイオードを光源とする発光装置において、発光面積が細く、高輝度の線状の白色光を得ることを可能とする半導体発光装置、及び放熱と光取り出しを両立させた半導体発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置され、紫外光から可視光までの範囲内のいずれかの波長の光を発する半導体レーザダイオードと、前記半導体レーザダイオードが発する光を吸収して波長の異なる可視光を出力する蛍光体を含み、周囲が前記パッケージに密着し、かつ前記レーザダイオードの光路上に配置された可視発光体とを備えることを特徴とする半導体発光装置を提供する。

本発明の第２の態様は、光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置され、紫外光から可視光までの範囲内のいずれかの波長の光を発する半導体レーザダイオードとを具備し、前記半導体レーザダイオードは、テーパ構造を有する２つのヒートシンクによって上下面において挟まれていることを特徴とする半導体発光装置を提供する。

本発明によれば、レーザダイオードを光源とする発光装置において、発光面積が細く、高輝度の線状の白色光を得ることを可能とする半導体発光装置、及び放熱と光取り出しを両立させた半導体発光装置が提供される。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示す模式図。 図１に示す発光装置の発光原理を説明する図。 本発明の第１の実施形態に係る発光装置の変形例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る発光装置の他の変形例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す模式図。 図５に示す発光装置の発光原理を説明する図。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置の変形例を示す図。 可視発光体の部分断面図。 発光体の厚さ及び発光体中の蛍光体の濃度の積と、蛍光体により吸収されない光の強度との関係を示す特性図。 本発明の実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードを示す断面図。 本発明の実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードを示す断面図。 本発明の実施形態に係る発光装置に用いる発光素子としての端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードを示す断面図。 可視発光体の種々の形状を示す図。

以下、本発明の様々な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付してある。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る発光装置を示し、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る発光装置は、図１に示すように、パッケージ底部１１とパッケージ蓋部１２とからなるパッケージ１０内に、発光素子１３が収容されており、発光素子１３は、パッケージ底部１１の側壁に取り付けられたヒートシンク１４にマウントされている。パッケージ１０の側面（前面及び後面）の発光素子１３からの光の光路には、可視発光体１５ａ，１５ｂが配置されている。

ヒートシンク１４は、パッケージ底部１１とは電気的に絶縁されており、発光素子１３の一方の電極と電気的に接続されている。また、発光素子１３の他方の電極は、パッケージ底部１１と電気的に絶縁されている配線層１６に、ボンディングワイヤ１７を介して接続されている。パッケージ底部１１及び配線層１６は、外部電源に電気的に接続されている。パッケージ底部１１及びパッケージ蓋部１２の、レーザの光路に面する表面には、レーザ光および可視光を反射するミラー（図示せず）が形成されている。

図２は、発光素子１３からの発光の光路を示す図である。図２に示すように、光路の下面には、第１のミラー１８ａがパッケージ底部１１に設けられ、光路の上面には、第２のミラー１８ｂがパッケージ蓋部１２に設けられている。第１のミラー１８ａと第２のミラー１８ｂとの間隔は、最小でレーザダイオードのリッジ幅もしくはレーザが放出される幅まで狭めることができ、また、最大幅は、レーザの広がり角に準ずる値である。

可視発光体１５ａ，１５ｂは、発光素子１３からのレーザ光の光路上に配置され、パッケージ１０に取り付けられている。従って、可視発光体１５ａ，１５ｂは、パッケージ１０に密着している。

可視発光体１５ａ，１５ｂの長軸の幅は、発光素子１３より放出されるレーザ光の広がりによって定められる。この際、より好ましくはレーザの広がりと同等の幅であると良い。

細い線状断面の発光を得るためには、可視発光体は、そのアスペクト比が、２：１以上の長方形もしくは多角形もしくは楕円形の形状を有し、レーザダイオードが発する光の出射形状の長軸と、可視発光体の長軸が同方向であることが望ましい。

可視発光体１５ａ，１５ｂは、発光素子１３からのレーザ光の光路上に配置されればよいので、必ずしも図１に示すように、パッケージ１０の側面に取り付けられる必要はないが、パッケージ１０の側面の光取り出し口に取り付けられる構造がより好ましい。

図２に示すように、発光素子１３は、紫外光から可視光までの範囲内の励起光Ｌｅを可視発光体１５ａ，１５ｂに照射する。可視発光体１５ａ，１５ｂは、励起光Ｌｅを吸収し、可視光を放射する。その結果、可視発光体１５ａ，１５ｂから外部に、細い線状の断面の可視出射光Ｌｆとして出力される。

また、図３に示すように、パッケージ１０の側面には、可視発光体１５ａ，１５ｂと密着するように、光学フィルタ１９ａ，１９ｂを配置しても良い。更に、図４に示すように、発光素子１３と可視発光体１５ａ，１５ｂの間に、励起光の波長を透過し、可視光または少なくとも４３０nmより波長の長い光を反射する膜もしくは光学フィルタ２０ａ，２０ｂを配置しても良い。光学フィルタ１９、２０としては、励起光に対する反射率が約８０％以上、望ましくは約９０％以上である金属膜や誘電体多層膜ＤＢＲを用いることができる。特に、誘電体多層膜ＤＢＲは、例えば、励起光のみを選択的に反射し、可視光は透過させるように、またはその逆となるように、励起光の波長に合わせて設計することが可能である。

金属膜を構成する金属としては、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ等を用いることが出来る。誘電体多層膜を構成する誘電体としては、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｉ等の酸化物及び窒化物等を用いることが出来る。

或いはまた、ガラスもしくは金属または樹脂を母体とする透明な板状もしくはレンズ状の構造物を、前記可視発光体より外側に、かつ可視発光体と密着して配置することも可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る発光装置を示す図であり、（ａ）は平面断面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）は斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る発光装置は、図５に示すように、パッケージ底部３１とパッケージ蓋部３２とからなるパッケージ３０内に、発光素子３３が収容されており、発光素子３３は、パッケージ底部３１の側壁に取り付けられた２つのヒートシンク３４ａ，３４ｂに挟まれて配置されている。

ヒートシンク３４ａ，３４ｂは、パッケージ底部３１とは電気的に絶縁されており、パッケージ３１を貫通して配線層３６ａ，３６ｂが設けられ（図５（ｂ）では省略）、発光素子３３の上下面に設けられたそれぞれの電極（図示せず）は、ヒートシンク３４ａ，３４ｂを介して配線層に電気的に接続されている。

ヒートシンク３４ａ，３４ｂのうち、少なくとも一方は、発光素子３３とハンダ若しくは導電性ペーストにより接合した構造とすることが出来る。この場合、他方のヒートシンクは、パッケージ底部３１との間にバネ状スペーサー３９を介在させて、その弾性による押圧力により固定される。

また、ヒートシンク３４ａ，３４ｂのうち、少なくとも一方が、発光素子３３との接合面に金属厚膜を有し、密着することで熱的に接合した構造とすることが出来る。

更に、ヒートシンク３４ａ，３４ｂは、少なくとも表面に絶縁性を有する金属もしくはセラミックからなるパッケージ底部３１及びパッケージ蓋部３２とにより上下から挟まれることで固定された構造とすることも可能である。

発光素子３３から発生した熱は、ヒートシンク３４ａ，３４ｂを介し、パッケージ３０へ伝熱され、更に外部に放熱される。このように、発光素子３３の両面からヒートシンク３４ａ，３４ｂに熱が移動する構造によって、発光素子３３の熱抵抗は通常よりも大幅に低下し、より高出力での発光装置の駆動が可能となる。

図６は、発光素子３３からの発光の光路を示す図である。図６に示すように、光路の下面には、第１のミラー３８ａがパッケージ底部３１に設けられ、光路の上面には、第２のミラー３８ｂがパッケージ蓋部３２に設けられている。第１のミラー３８ａと第２のミラー３８ｂとの間隔は、最小でレーザダイオードのリッジ幅もしくはレーザが放出される幅まで狭めることができ、また、最大幅は、レーザの広がり角に準じる値である。

図７は、図５に示す本発明の第２の実施形態に係る発光装置の変形例を示す図である。図７に示す発光装置が図５に示す発光装置と異なる点は、パッケージ３０の側面（前面及び後面）の発光素子３３からの光の光路に、可視発光体３５ａ，３５ｂが配置されていることである。

可視発光体３５ａ，３５ｂの長軸の幅は、発光素子３３より放出されるレーザ光の広がりによって定められる。この際、より好ましくはレーザの広がりと同等の幅であると良い。

可視発光体３５ａ，３５ｂは、発光素子３３からのレーザ光の光路上に配置されればよいので、必ずしもパッケージ３０の側面に取り付けられる必要はないが、パッケージ３０の側面に取り付けられる構造がより好ましい。

図７に示す発光装置の発光の光路、光路の下面並びに上面におけるミラーの設置、及びミラーの間隔については、第１の実施形態に係る発光装置について説明したとおりである。

また、図３に示す発光装置と同様に、パッケージ３０の側面に、可視発光体３５ａ，３５ｂと密着するように、光学フィルタを配置しても良い。更に、図４に示す発光装置と同様に、発光素子３３と可視発光体３５ａ，３５ｂの間に、励起光の波長を透過し、可視光を反射する膜もしくは光学フィルタを配置しても良い。光学フィルタとしては、励起光に対する反射率が約８０％以上、望ましくは約９０％以上である金属膜や誘電体多層膜ＤＢＲを用いることができ、特に、誘電体多層膜ＤＢＲは、例えば、励起光のみを選択的に反射し、可視光は透過させるように、またはその逆となるように励起光の波長に合わせて設計することが可能であることは、図３及び図４に示す発光装置の場合と同様である。。

以上の実施形態に用いる可視発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂの一部の断面を図８に示す。図８に示すように、可視発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂは、透明基材４０中に蛍光体粒子４２が分散されている構造を有する。可視発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂの内部に入射した励起光Ｌｅは、蛍光体粒子４２に吸収され、励起光Ｌｅとは異なる波長の可視光に変換される。

透明基材４０中の蛍光体粒子４２の含有量は、発光素子１３，３３からの励起光が効果的に吸収および透過されるように調節される。具体的には、発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂは、透明基材４０中に約５〜７５重量％、望ましくは約２５重量％の蛍光体粒子４２を含有することが望ましい。

蛍光体粒子４２の含有量が５重量％未満の場合には、励起光を充分吸収するためには、可視発光体の厚さがデバイスに収まらないほど非常に大きくなってしまう（規定のサイズでは充分な吸収が得られない）。７５重量％を越える場合には、可視発光体の厚さが薄く、また透明基材の量が減るため、可視発光体が脆くなり、扱いが難しくなる。

また、蛍光体粒子４２としては、粒径５〜２５μｍのものが望ましく、特に、発光強度並びに発光効率の高い、例えば粒径約２０ｎｍ以上の大粒径粒子を含むものを使用することが望ましい。蛍光体粒子４２の粒径が５μｍ未満の場合には、蛍光体の吸収率が低く、また蛍光体が劣化しやすいため使用に適さない。２５μｍを越える場合には、可視発光体の成形が難しくなり、色むらなどが生じやすい。

本発明者らの実験によると、発光体の厚さと、発光体中の蛍光体の濃度（蛍光体重量／発光体の重量）は、所定の関係にあることがわかっている。即ち、発光素子１３,３３からの励起光のうち、蛍光体により吸収されない（発光光として使用されない）光の強度Iは、次の式により表すことが出来る。

I = I_０ｅ^κｃｔ
Ｉ_０：励起光の強度
κ：係数
ｃ：発光体中の蛍光体の濃度（重量）
ｔ：発光体の厚さ（μｍ）
ｃｔを横軸に、Ｉを縦軸にプロットしたグラフを図９に示す。

図９のグラフから、蛍光体により吸収されない光（漏れ光）が１０％以下になるｃｔが約１００であるとすると、蛍光体の濃度を２５重量％とした場合に厚さ４００μｍの発光体が必要となり、蛍光体の濃度を５０重量％とした場合に厚さ２００μｍの発光体が必要となることがわかる。

以上の本発明の実施形態に係る発光装置に用いる発光素子１３，３３は、約４３０ｎｍ以下の波長領域の青から紫外の発光ピーク波長を有するものを用いるのが望ましい。具体的には、発光層（活性層）として、III−Ｖ族化合物半導体である窒化アルミニウムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）、あるいはII−VI族化合物半導体である酸化マグネシウム亜鉛（ＭｇＺｎＯ）等を用いた半導体レーザダイオードや発光ダイオードを用いることが出来る。

例えば、発光層として用いるIII−Ｖ族化合物半導体は、Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む窒化物半導体である。この窒化物半導体は、具体的には、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦（ｘ＋ｙ）≦１）と表わされるものである。

このような窒化物半導体には、ＡｌＮ、ＧａＮ、及びＩｎＮの２元系、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、Ａｌ_ｘＩｎ_{（１−ｘ）}Ｎ（０＜ｘ＜１）、及びＧａ_ｙＩｎ_{（１−ｙ）}Ｎ （０＜ｙ＜１）の３元系、更にすべてを含む４元系のいずれもが含まれる。Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎの組成ｘ、ｙ、（１−ｘ−ｙ）に基いて、紫外から青までの範囲の発光ピーク波長が決定される。

また、III族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置換することができる。更に、Ｖ族元素のＮの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等に置換することができる。

同様に、発光層として用いるII−VI族化合物半導体は、Ｍｇ及びＺｎの少なくとも１種を含む酸化物半導体である。具体的には、Ｍｇ_ｚＺｎ_{（１−ｚ）}Ｏ（０≦ｚ≦１）と表されるものがあり、Ｍｇ及びＺｎの組成ｚ、（１−ｚ）に基いて、紫外領域の発光ピーク波長が決定される。

図１０は、発光素子１３，３３として使用可能な端面発光型ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードの一例を示す断面図である。図１０に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ系レーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１００上に、ｎ型ＧａＮバッファ層１０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０３、ＧａＩｎＮ発光層１０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７をそれぞれ順次積層した構造を有する。ｐ型コンタクト層１０７のリッジ側面及びｐ型クラッド層１０６の表面には、絶縁膜１０８が設けられている。また、ｐ側電極１０９が、ｐ型コンタクト層１０７及び絶縁膜１０８の表面に、ｎ側電極１１０が、ｎ型基板１００の裏面に、それぞれ設けられている。

図１１及び図１２は、発光素子１３，３３として使用可能な端面発光型ＭｇＺｎＯレーザダイオードの一例を示す断面図である。

図１１に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードでは、シリコン（Ｓｉ）基板１３０が用いられる。一方、図１２に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードでは、サファイア基板１４０が用いられている。

図１１に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、Ｓｉ基板１３０上に、金属反射層１３１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３２、ｉ型ＭｇＺｎＯ発光層１３３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１３４、ｎ型ＭｇＺｎＯコンタクト層１３５をそれぞれ順次積層した構造を有する。ｎ型コンタクト層１３５には、ｎ側電極１３６が設けられ、基板１３０には、ｐ側電極１３７がそれぞれ設けられている。

図１２に示すＭｇＺｎＯレーザダイオードは、サファイア基板１４０上に、ＺｎＯバッファ層１４１、ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４２、ＭｇＺｎＯ発光層１４３、ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層１４４をそれぞれ順次積層した構造を有する。ｎ型クラッド層１４４には、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極層１４５を介してｎ側電極１４６が設けられ、ｐ型クラッド層１４２には、ＩＴＯ電極層１４７を介してｐ側電極１４８がそれぞれ設けられている。

可視発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂの透明基材４０としては、励起光の透過性が高く、かつ耐熱性の高い任意の材料を用いることができる。そのような材料として、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が使用可能である。特に、入手し易く、取り扱いやすく、しかも安価であることから、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂が好適に使用される。また、樹脂以外でも、ガラス、焼結体、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）とアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を組み合わせたセラミックス構造体等を用いることもできる。

蛍光体粒子４２としては、紫外から青色までの波長領域の光を吸収して可視光を放射する材料が用いられる。例えば、珪酸塩系蛍光体材料、アルミン酸塩蛍光体材料、窒化物系蛍光体材料、硫化物系蛍光体材料、酸硫化物系蛍光体材料、ＹＡＧ系蛍光体材料、硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料、燐酸塩系蛍光体、及びハロリン酸塩系蛍光体材料等の蛍光体材料を使用することができる。各蛍光体材料の組成を下記に示す。

（１）珪酸塩系蛍光体材料：（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２Ｓｉ_ｗＯ_{（２＋２ｗ）}（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０．０５≦ｚ≦０．２、０．９０≦ｗ≦１．１０）
上記式により表される珪酸塩系蛍光体材料の中では、ｘ＝０．１９、ｙ＝０、ｚ＝０．０５、ｗ＝１．０の組成が望ましい。なお、結晶構造を安定化したり、発光強度を高めるために、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、及びカルシウム（Ｃａ）の一部をＭｇ及びＺｎの少なくともいずれか一方に置き換えてもよい。

他の組成比の珪酸塩系蛍光体材料としては、ＭＳｉＯ_３、ＭＳｉＯ_４、Ｍ_２ＳｉＯ_３、Ｍ_２ＳｉＯ_５、及びＭ_４Ｓｉ_２Ｏ_８（ＭはＳｒ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、及びＹからなる群から選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。なお、発光色を制御するために、Ｓｉの一部をゲルマニウム（Ｇｅ）に置き換えてもよい（例えば、（Ｓｒ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｂａ_ｘＣａ_ｙＥｕ_ｚ）_２（Ｓｉ_{２（１−ｕ）}）Ｇｅ_ｕ）Ｏ_４）。また、Ｔｉ、Ｐｂ、Ｍｎ、Ａｓ、Ａｌ、Ｐｒ、Ｔｂ、及びＣｅからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素を賦活剤として含有してもよい。

（２）アルミン酸塩系蛍光体材料：Ｍ_２Ａｌ_１０Ｏ_１７（但し、Ｍは、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、及びＣａからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）
賦活剤として、Ｅｕ及びＭｎの少なくとも１つを含む。

他の組成比のアルミン酸塩系蛍光体材料としては、ＭＡｌ_２Ｏ_４、ＭＡｌ_４Ｏ_１７、ＭＡｌ_８Ｏ_１３、ＭＡｌ_１２Ｏ_１９、Ｍ_２Ａｌ_１９Ｏ_１７、Ｍ_２Ａｌ_１１Ｏ_１９、Ｍ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｍ_３Ａｌ_１６Ｏ_２７、及びＭ_４Ａｌ_５Ｏ_１２（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂｅ及びＺｎからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）が使用可能である。また、Ｍｎ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｎｄ、及びＣｅからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素を賦活剤として含有していてもよい。

（３）窒化物系蛍光体材料（主にシリコンナイトライド系蛍光体材料）：Ｌ_ｘＳｉ_ｙＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３）}：Ｅｕ、又はＬ_ｘＳｉ_ｙＯ_ｚＮ_{（２ｘ／３＋４ｙ／３−２ｚ／３）}：Ｅｕ（ＬはＳｒ、Ｃａ、Ｓｒ及びＣａからなる群からなる群から選択される少なくとも１つの元素）
上記組成において、ｘ＝２かつｙ＝５、又はｘ＝１かつｙ＝７であることが望ましいが、ｘ及びｙは、任意の値とすることができる。

上記式により表される窒化物系蛍光体材料として、Ｍｎが賦活剤として添加された（Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_ｘＣａ_{（１−ｘ）}Ｓｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＳｒＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ、ＣａＳｉ_７Ｎ_１０：Ｅｕ等の蛍光体材料を使用することが望ましい。これらの蛍光体材料には、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＮｉからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素が含有されてもよい。また、Ｃｅ，Ｐｒ、Ｔｂ、Ｎｄ、及びＬａからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素を、賦活剤として含有してもよい。

（４）硫化物系蛍光体材料：(Ｚｎ_{（１−ｘ）}Ｃｄ_ｘ)Ｓ：Ｍ（Ｍは、Ｃｕ、Ｃｌ、Ａｇ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＺｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、Ｓを、Ｓｅ及びＴｅの少なくともいずれかに置き換えてもよい。

（５）酸硫化物蛍光体材料：（Ｌｎ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）Ｏ_２Ｓ（ＬｎはＳｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、及びＬｕからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｇａ、Ｓｍ、及びＴｍからなる群から選ばれる少なくとも１種を、賦活剤として含有してもよい。

（６）ＹＡＧ系蛍光体材料：（Ｙ_{（１−ｘ−ｙ−ｚ）}Ｇｄ_ｘＬａ_ｙＳｍ_ｚ）_３（Ａｌ_{（１−ｖ）}Ｇａ_ｖ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ，Ｅｕ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１．０≦ｖ≦１）
なお、ＣｒおよびＴｂの少なくとも一種を、賦活剤として含有してもよい。

（７）硼酸塩系蛍光体材料：ＭＢＯ_３：Ｅｕ（ＭはＹ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕ、及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１つの元素）
なお、賦活剤として、Ｔｂを含有してもよい。

他の組成比の硼酸塩系蛍光体材料として、Ｃｄ_２Ｂ_２Ｏ５_５：Ｍｎ、（Ｃｅ，Ｇｄ，Ｔｂ）ＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｍｎ、ＧｄＭｇＢ_５Ｏ_１０：Ｃｅ，Ｔｂなどが使用可能である。

（８）燐酸塩硼酸塩系蛍光体材料：２（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｍ’_ｘ）Ｏ・ａＰ_２Ｏ_５・ｂＢ_２Ｏ_３（ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、Ｍ’はＥｕ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｆｅ、及びＣｒからなる群から選択される少なくとも１つの元素、ｘ、ａ、ｂは０．００１≦ｘ≦０．５、０≦ａ≦２、０≦ｂ≦３、０．３＜（ａ＋ｂ）を満足する数値）
（９）燐酸塩系蛍光体：（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_３（ＰＯ_４）_２：Ｅｕ、又は（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｂａ_ｘ）_２Ｐ_２Ｏ_７：Ｅｕ、Ｓｎ
なお、Ｔｉ及びＣｕのいずれか一方を、賦活剤として含有してもよい。

（１０）ハロリン酸塩系蛍光体材料：（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２、又は（Ｍ_{（１−ｘ）}Ｅｕ_ｘ）_５（ＰＯ_４）_３Ｃｌ（ＭはＢａ、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ、及びＣｄからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素、ｘは０≦ｘ≦１を満足する数値）
なお、Ｃｌの少なくとも一部を、フッ素（Ｆ）に置き換えてもよい。また、Ｓｂ及びＭｎの少なくとも１つを、賦活剤として含有してもよい。

上記の蛍光体材料を適宜選択して、青色発光体、黄色発光体、緑色発光体、赤色発光体、白色発光体として使用することができる。また、蛍光体材料を複数種組み合わせることで、中間色を発光する発光体を形成することができる。白色発光体を形成する場合には、光の三原色の赤緑青（ＲＧＢ）のそれぞれに対応する色の蛍光体材料を組み合わせるか、もしくは青と黄色のような補色関係にある色の組み合わせを用いればよい。

また、これらの組み合わせは、複数の蛍光体を混合した発光体を用いるのが普通だが、蛍光体１種ごとに層構造、もしくは、領域を分割にても良い。例えば、ＲＧＢのそれぞれに対応する色の蛍光体材料を発光体内でＲＧＢそれぞれに対応する層を形成する。このとき、より長波長の発光を示す蛍光体をレーザダイオードに近い方に配置することによって、効率よく白色光を放射する発光装置が得られる。

また、ＲＧＢの蛍光体材料を同一の透明基材中に混合すると、可視発光体１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂがそれぞれの白色光を放射する発光装置が得られる。効率と色合いの安定度を求める場合は、発光体のそれぞれの層もしくは領域が１種類ずつ蛍光体を含み、発光体全体で白色を作ることが望ましい。一方、発光体の作成の簡易さに重点を置く場合は、蛍光体を混合する構造が望ましい。

パッケージ１０,３０は、熱伝導性に優れた材料を用いることが望ましい。例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｕ、Cu合金、ＢＮ、プラスチック、セラミックス、及びダイアモンド等が使用可能である。さらに、ヒートシンク１４,３４ａ,３４ｂは、導電性と熱伝導性を兼ね備えた材料を用いることが望ましい。たとえばＣｕ、もしくはＣｕ合金などが使用可能であるこうした材料からなるパッケージ１０,３０、およびヒートシンク１４, ３４ａ,３４ｂを用いることによって、発光素子１３，３３の動作により発生する熱を効率よく放出することができる。

配線層１６，３６ａ，３６ｂとしては、抵抗値が小さく、かつ可視光の吸収率が小さい材料が望ましい。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｕ合金、あるいはＷ等の金属材料を挙げることが出来る。配線層１６，３６ａ，３６ｂは、薄膜配線層及び厚膜配線層のいずれであってもよい。更に、配線層１６，３６ａ，３６ｂには、ボンダビリティを向上するために、Ａｕメッキ層、Ａｇメッキ層、Ｐｄメッキ層、又は半田メッキ層を形成することができる。

ボンディングワイヤ１７には、抵抗値が小さくかつ可視光の吸収率が小さい材料を用いることが望ましい。例えば、Ａｕワイヤを用いることができる。あるいは、Ｐｔ等の貴金属とＡｕとを組を合わせたワイヤを用いてもよい。また、ヒートシンク１２にAuなどのめっきを全面に施すことで、実質的にヒートシンクと配線を一体化しても良い。

(実施例)
以上説明した本発明の実施形態に係る半導体発光装置の実施例について、以下に説明する。

実施例１
本実施例は、図１に示す半導体発光装置に係るものである。

まず、図１及び図２に示す半導体発光装置の可視発光体１５ａ,１５ｂを形成した。すなわち、可視発光体の透明基材としてシリコーン樹脂を使用し、透明基材に補色関係で白色を構成できる２種類の蛍光体材料をそれぞれ５０重量％含有するように分散させた可視発光体を形成した。

２種類の蛍光体材料として、青色蛍光体を含有する青色発光体と、黄色蛍光体を含有する黄色発光体をそれぞれ用いた。具体的には、青色蛍光体材料には（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕを、黄色蛍光体材料には３（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２Ｓｉ_２Ｏ_４：Ｅｕをそれぞれ用いた。

パッケージ１０は、アルミニウムからなり、そのヒートシンクとの接触面は絶縁処理され、光路部はミラー状に加工したものを作成した。配線を兼ねたヒートシンク１４としては、金メッキされた銅を用いた。また、ヒートシンク１４に銅線を接触させ、外部電源との電気的接続を取っている(図では省略)。また、パッケージ底部１１の表面には、Ａｕ等の金属膜を成膜し、フォトリソグラフィ、エッチング等によりパターニングして、配線層１６を形成した。

ヒートシンク１４に、発光素子１３として青紫光を発振するＡｌＧａＩｎＮ発光層を有する半導体レーザダイオードをマウントした。その後、ボンディングワイヤ１７により配線層１６と発光素子１３の電極（図示省略）との間を電気的に接続した。

また、パッケージの端部の光取り出し口に可視発光体１５ａ,１５ｂを、発光素子１３と対向するように配置し、密接するように、パッケージ底部１１とパッケージ蓋部１２とにより挟み込むことで固定した。

ミラー面の間隔および可視発光体１５ａ,１５ｂの短軸の幅は、発光素子１３と同一の０．４ｍｍとした。また可視発光体１５ａ,１５ｂの長軸の幅は、レーザの広がりに合わせて４ｍｍとした。

また、パッケージ底部１１及びパッケージ蓋部１２の外側に、可視発光体１５ａ,１５ｂと接着するように、４２０nm以下の光を反射する光学フィルタ２０ａ,２０ｂを配置した。

以上のようにして製造した発光装置において、発光素子１３の電極間に動作電圧を印加し、レーザ光を発振させる。発光素子１３から可視発光体１５ａ,１５ｂの方向に向かって出力された励起光が可視発光体１５ａ,１５ｂで吸収され、パッケージ１０の外側へ白色光が出力される。このとき、発光部はアスペクト比１：１０の線光源であり、１０００万ｃｄ／ｍ^２以上の高輝度白色光を得ることができた。

実施例２
本実施例は、図５に示す半導体発光装置に係るものである。

この半導体発光装置が実施例１に係る半導体発光装置と異なる点は、発光素子１３を一対のヒートシンク３４ａ,３４ｂにより挟み込んで固定していることにある。即ち、一対のヒートシンク３４ａ,３４ｂのうち、一方のヒートシンク３４ａに、発光素子１３として青紫光を発振するＡｌＧａＩｎＮ発光層を有するレーザダイオードを、はんだを用いてマウントする。次いで、金の厚膜を有する他方のヒートシンク３４ｂをレーザダイオードの上面に対向させ、ばね状スペーサ３９を介在させることで、ヒートシンク３４ｂを押圧し、固定する。

以上のようにして製造した半導体発光装置において、発光素子３３の電極間に動作電圧を印加し、駆動させた。このとき、熱抵抗は９K／Wであり、通常のパッケージおよびマウント方法よりも５０％低い値が得られた。そのため、発光素子３３の温度上昇が抑えられ、より高電流注入、高出力でレーザダイオードを駆動させることが可能となった。

実施例３
本実施例は、図７に示す半導体発光装置に係るものである。

発光体の透明基材として、シリコーン樹脂を使用し、透明基材に補色関係で白色を構成できる２種類の蛍光体材料をそれぞれ５０重量％分散させて可視発光体３５ａ,３５ｂを形成した。２種類の蛍光体材料として、青色蛍光体を含有する青色発光体と、黄色蛍光体を含有する黄色発光体をそれぞれ用いた。具体的には、青色蛍光体材料には（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕを、黄色蛍光体材料には３（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ）_２Ｓｉ_２Ｏ_４：Ｅｕをそれぞれ使用した。

このようにして得た可視発光体３５ａ,３５ｂを、図７に示すように、パッケージ３０の端部の光取り出し口に、可視発光素子３３と対向するように配置し、密接するように、パッケージ底部３１とパッケージ蓋部３２とにより挟み込むことで固定した。

以上のようにして製造した半導体発光装置において、可視発光素子３３の電極間に動作電圧を印加し、駆動させた。その結果、発光素子３３から可視発光体３５ａ,３５ｂの方向に向かって出力された励起光が、可視発光体３５ａ,３５ｂで吸収され、パッケージ３０の外側へ白色光が出力され、高輝度高出力の線状白色光源を得ることができた。

以上説明した本発明の実施形態及び実施例では、白色光を放出する可視発光体を用いた発光装置について示した。しかし、本発明は、白色光を放出する可視発光体を用いた発光装置に限定されず、他の色の可視光を放出する可視発光体を用いた発光装置にも適用可能である。例えば、赤、橙、黄、黄緑、緑、青緑、青、紫、白等の可視光を放射する発光体を用途に応じて用いることができる。

また、以上の本発明の実施形態及び実施例では、可視発光体の形状は、矩形のものを用いたが、本発明はこれに限らず、種々の形状のものを用いることが出来る。そのような形状として、例えば、図１３に示すうようなものがある。

本発明の発光装置の用途として、一般照明器具、業務用照明器具、又はテレビジョン若しくはパーソナルコンピュータの液晶表示装置のバックライト、又は自動車、自動二輪車若しくは自転車のライト等を挙げることが出来る。

その他、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を構成することが可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…パッケージ、１１…パッケージ底部、１２…パッケージ上部、１３，３３…発光素子、１４，３４ａ，３４ｂ…ヒートシンク、１５ａ，１５ｂ，３５ａ,３５ｂ…発光体、１６,３６ａ,３６ｂ…配線層、１７…ボンディングワイヤ、１８ａ, ３８ａ…第１のミラー、１８ｂ,３８ｂ…第２のミラー、１９ａ,１９ｂ,２０ａ,２０ｂ…光学フィルタ、３９…バネ状スペーサー、４０…透明樹脂、４２…蛍光体粒子、１００…ｎ型ＧａＮ基板、１０１…ｎ型ＧａＮバッファ層、１０２…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０３…ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０４…ＧａＩｎＮ発光層、１０５…ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１０６…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、１０７…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０８…絶縁膜、１０９…ｐ側電極、１１０…ｎ側電極１１０、１３０…シリコン（Ｓｉ）基板、１３１…金属反射層、１３２…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１３３…ｉ型ＭｇＺｎＯ発光層、１３４…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１３５…ｎ型ＭｇＺｎＯコンタクト層、１３６…ｎ側電極、１３７…ｐ側電極、１４０…サファイア基板、１４１…ＺｎＯバッファ層、１４２…ｐ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１４３…ＭｇＺｎＯ発光層、１４４…ｎ型ＭｇＺｎＯクラッド層、１４５…酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極層、１４６…ｎ側電極、１４７…ＩＴＯ電極層、１４８…ｐ側電極。

Claims (10)

1. 光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置され、紫外光から可視光までの範囲内のいずれかの波長の光を発する半導体レーザダイオードと、前記半導体レーザダイオードが発する光を吸収して波長の異なる可視光を出力する蛍光体を含み、周囲が前記パッケージに密着し、かつ前記レーザダイオードの光路上に配置された可視発光体とを備えることを特徴とする半導体発光装置。
2. 光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置され、紫外光から可視光までの範囲内のいずれかの波長の光を発する半導体レーザダイオードとを具備し、前記半導体レーザダイオードは、テーパ構造を有する２つのヒートシンクによって上下面において挟まれていることを特徴とする半導体発光装置。
3. 前記２つのヒートシンクのうち少なくとも一方は、前記発光素子とハンダ若しくは導電性ペーストによって接合され、又は前記発光素子との接合面に金属厚膜を有し、密着することで熱的に接合され、他方のヒートシンクは、前記パッケージとの間にバネ状スペーサーを介在して固定されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記２つのヒートシンクは、少なくとも表面に絶縁性を有する金属もしくはセラミックからなるパッケージにより上下から挟まれることにより固定されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
5. 前前記半導体レーザダイオードが発する光を吸収して波長の異なる可視光を出力する蛍光体を含み、周囲が前記パッケージに密着し、かつ前記レーザダイオードの光路上に配置された可視発光体を更に具備することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の半導体発光装置。
6. 前記パッケージは、底部と蓋部とからなり、前記底部と蓋部の、前記半導体レーザダイオードが発する光の光路に面する面には、可視光および近紫外光を反射するミラーが設けられており、かつ前記ヒートシンクのテーパ面がミラーであることを特徴とする請求項1〜５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記可視発光体は、そのアスペクト比が、２：１以上の長方形もしくは多角形もしくは楕円形の形状を有し、前記レーザダイオードが発する光の出射形状の長軸と、前記可視発光体の長軸が同方向であることを特徴とする請求項1、５又は６に記載の半導体発光装置。
8. 前記可視発光体が、透明樹脂、無機のガラス、又は結晶中中に少なくとも1種類以上の蛍光体粒子を分散してなることを特徴とする請求項1、５〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 前記可視発光体は、蛍光体の焼結体であることを特徴とする請求項1、５〜７のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. ガラスもしくは金属または樹脂を母体とする透明な板状もしくはレンズ状の構造物が前記可視発光体より外側に配置され、かつ、前記可視発光体と密着していることを特徴とする請求項１、５〜９のいずれかに記載の半導体発光装置。

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