JP2014165450A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を波長変換部材により波長変換して外部に向けて照射する光学系において、万一何らかの理由によって波長変換部材が光学系から離脱した場合においても、観視者に対するアイセーフティを確実に確保することができる半導体発光装置を提供する。
【解決手段】素子電極に一対のリード電極２、３が接続されてなる半導体レーザ素子５と、半導体レーザ素子５の放射方向に配置され、半導体レーザ素子５に対向する側の面にレーザ光が通過する開口部１１ｃを残して光反射電極１１ｂが形成されると共に光反射電極１１ｂが一対の外部接続電極１３、１４に電気的に導通されてなる反射電極付蛍光体プレート１１とを有する構成とし、リード電極２と外部接続電極１３を電気的に接続すると同時にリード電極３と外部接続電極１４の間に電圧を印加することにより半導体レーザ素子５に対する通電経路を形成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体発光装置に関するものであり、詳しくは、半導体レーザ素子と半導体レーザ素子からのレーザ光を波長変換する波長変換部材とを備えた半導体発光装置に関する。

従来、この種の半導体発光装置としては、例えば、図１２にあるような構造のものが特許文献１に開示されている。

それは、リード電極８１と、リード電極８１を有する台座底部８２と、台座底部８２に設けられた台座柱部８３とによって台座８０が構成され、台座柱部８３の側面には、接着部材を介して半導体レーザ素子８４が載置されている。台座底部８２の上面には、台座柱部８３及び該台座柱部８３に載置された半導体レーザ素子８４を覆うように、台座底部８２の上面の縁周近傍から垂直方向に延びる有底円筒状のキャップ（金属製）８５が接着固定されている。

キャップ上部８６には貫通孔８７が設けられていると共に、該貫通孔８７を覆うように該貫通孔８７の上面に波長変換部材８８が共晶接合によって或いは接着材を介して載置されており、貫通孔８７はその中心軸が半導体レーザ素子８４の出射光軸とほぼ重なるように位置している。

これにより、半導体レーザ素子８４から放射されたレーザ光は、キャップ８５の貫通孔８７を通過して波長変換部材８８に照射され、波長変換部材８８で波長変換された光と波長変換されない光（レーザ光）が波長変換部材８８から出射してその混色光が外部に向けて照射される。

特開２０１１−１４５８７号公報

ところで、上記特許文献１の半導体発光装置は、例えば、外的な強い振動や衝撃を受ける環境下において波長変換部材８８がキャップ上部８６から離脱した場合、半導体レーザ素子８４から放射されたレーザ光が貫通孔８７を通過してそのまま外部に向けて照射されることになる。その結果、半導体発光装置を照明装置や表示装置の光源として用いた場合、観視者の目に対する安全性（アイセーフティ）を損なう恐れがある。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、半導体レーザ素子からのレーザ光を波長変換部材を通して外部に向けて照射する光学系を備えた半導体発光装置において、万一何らかの理由によって波長変換部材が光学系から離脱した場合においても、観視者に対するアイセーフティを確実に確保することができる構成を実現する。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、一対の電極を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の放射方向に配置され、前記レーザ光で励起されて蛍光を放出する蛍光体プレートと、を備え、前記蛍光体プレートには前記半導体レーザ素子が照射される部分以外のいずれかの場所に導体が形成されており、前記半導体レーザ素子は、電源から前記導体を介して前記一対の電極に電力が供給されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記導体は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｒｈ、Ｒｈ合金のいずれかから形成される金属膜を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２において、更に、基板と、前記基板の一方の面に形成された回路パターンとを有し、前記回路パターンと前記導体とがバンプ、共晶金属、ハンダのいずれかによって電気的に接続されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記基板は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＣ、ＳｉＮのいずれかによって形成されていることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光装置は、半導体レーザ素子を有する第１の回路と、半導体レーザ素子のレーザ光放射方向に位置し、導体パターンを備えると共に半導体レーザ素子からのレーザ光を波長変換して外部に向けて照射する蛍光体プレートを有する第２の回路とを接続して半導体レーザ素子に対する通電経路を形成し、万一、蛍光体プレートが離脱した場合は半導体レーザ素子に対する通電経路が切断されて半導体レーザ素子の発振が停止してレーザ光の放射が停止する。

その結果、レーザ光が直接観視者の目に入ることが防止される。それにより、観視者に対するアイセーフティを確実に確保することができる。

実施形態の半導体発光装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 回路パターン形成基板の説明図である。 反射電極付蛍光体プレートの平面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 反射電極付蛍光体プレートの実装方法の断面説明図である。 半導体レーザ素子の駆動回路図である。 レーザ光の光線追跡図である。 反射電極付蛍光体プレートの離脱状態の説明図である。 反射電極付蛍光体プレートの断面説明図である。 同じく、反射電極付蛍光体プレートの断面説明図である。 従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本実施形態の半導体発光装置の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

本実施形態の半導体発光装置３０は、図１及び図２に示すように、金属製で円盤状の台座１に一対の貫通孔１ａ、１ｂが設けられ、貫通孔１ａ、１ｂの夫々に一対の金属製のリード電極２、３が電気的に絶縁された状態で挿通固定されている。

台座１の上面１ｃには、金属製で柱状のヒートシンク４が載設され、ヒートシンク４の側面には熱伝導性絶縁接着剤（図示せず）を介して半導体レーザ素子５が貼着固定されている。半導体レーザ素子５は一対の素子電極（図示せず）を有しており、夫々の素子電極は金属ワイヤ等の導電性接続部材（図示せず）によって各リード電極２、３の、台座１の上面１ｃから突出した突出部２ａ、３ａに電気的に接続されている。

台座１の上面１ｃには更に、ヒートシンク４、ヒートシンク４に貼着固定された半導体レーザ素子５及び一対のリード電極２、３の夫々の突出部２ａ、３ａを覆うように、上部中央に貫通孔６ａを設けた金属製で円筒状の保護キャップ６が取り付けられている。

保護キャップ６の上部内面６ｃには、保護キャップ６の貫通孔６ａを塞ぐようにガラス窓７が取り付けられている。ガラス窓７は、半導体レーザ素子５から放射されたレーザ光を透過すると同時に水分、塵埃及びガス等の外部の異物が貫通孔６ａを通って保護キャップ６内に侵入するのを阻止する働きを有している。

以上、上記の台座１、一対のリード電極２、３、ヒートシンク４、半導体レーザ素子５、保護キャップ６及びガラス窓７により、半導体レーザ８が構成されている。

半導体レーザ８を構成する保護キャップ６の上部上面６ｂには、中央に貫通孔１０ａを設けた円盤状の回路パターン形成基板１０が載設されている。回路パターン形成基板１０は、基材部１０ｄがＡｌＮ（窒化アルミニウム）で形成され、一方の面の、貫通孔１０ａを挟んだ両側に互いに電気的に分離された一対の回路パターン１０ｂ、１０ｃが形成されており（図３（回路パターン形成基板の説明図）参照）、貫通孔１０ａの中心軸Ｘ_１を保護キャップ６の貫通孔６ａの中心軸Ｘ_２に一致させると共に回路パターン１０ｂ、１０ｃが形成された面を上にした状態で載設されている。

回路パターン形成基板１０の、回路パターン１０ｂ、１０ｃが形成された側の面上には、保護キャップ６の貫通孔６ａ及び回路パターン形成基板１０の貫通孔１０ａを塞ぐように反射電極付蛍光体プレート１１が実装されている。

反射電極付蛍光体プレート１１は、図４（平面図）及び図５（図４のＢ−Ｂ断面図）に示すように、ガラスあるいは光透過性セラミックに蛍光体粒子を混入してなる蛍光体基板１１ａの一方の面の中央以外の略全面に、光反射率が高く且つ電気伝導率が高いＡｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｒｈ、Ｒｈ合金からなる光反射電極１１ｂが形成され、中央には光反射電極１１ｂが形成されていない円状の開口部１１ｃを有すると共に開口部１１ｃには蛍光体基板１１ａが露出している。

反射電極付蛍光体プレート１１を回路パターン形成基板１０に実装するに際しては、図６（反射電極付蛍光体プレートの実装方法の断面説明図）に示すように、反射電極付蛍光体プレート１１の開口部１１ｃの中心軸Ｘ_３を回路パターン形成基板１０の貫通孔１０ａの中心軸Ｘ_１に一致させた状態で、反射電極付蛍光体プレート１１の光反射電極１１ｂ側と回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｂ、１０ｃ側とを対向させ、光反射電極１１ｂと回路パターン１０ｂ、１０ｃの夫々をＡｕバンプ１２によって機械的且つ電気的に接合することにより実装が施されている。

従って、回路パターン形成基板１０の貫通孔１０ａの中心軸Ｘ_１、保護キャップ６の貫通孔６ａの中心軸Ｘ_２及び反射電極付蛍光体プレート１１の開口部１１ｃの中心軸Ｘ_３はいずれも一致して同一線上に位置すると共に、図示していない半導体レーザ素子の光軸とも一致している。

更に、図１及び図２に戻って、回路パターン形成基板１０には、一端部を回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｂ、１０ｃの夫々に電気的に接続された一対の外部接続電極１３、１４が延設されている。

上記構成からなる半導体発光装置３０は、照明灯具あるいは表示灯具等の灯具の光源として用いる場合は、周辺回路との回路構成を図７（半導体レーザ素子の駆動回路図）に示すような構成とすることにより、半導体レーザ素子５に電力を供給して駆動させることができる。

具体的には、一対のリード電極２、３のうちいずれか一方のリード電極（例えば、リード電極２）と一対の外部接続電極１３、１４のうちいずれか一方の外部接続電極（例えば、外部接続電極１３）とを電気的に接続し、他方のリード電極３と他方の外部接続電極１４との間に半導体レーザ素子５の駆動電圧を印加する。

この場合、リード電極３が半導体レーザ素子５のアノード電極に接続（リード電極２はカソード電極に接続）されているときは、リード電極３に（＋）側の電圧を印加し、外部接続電極１４に（−）側の電圧を印加する。反対に、リード電極３が半導体レーザ素子５のカソード電極に接続（リード電極２はアノード電極に接続）されているときは、リード電極３に（−）側の電圧を印加し、外部接続電極１４に（＋）側の電圧を印加する。

本実施形態においては、リード電極３が半導体レーザ素子５のアノード電極に接続され、リード電極２が半導体レーザ素子５のカソード電極に接続されているものとし、リード電極３に（＋）側の電圧を印加し、外部接続電極１４に（−）側の電圧を印加する。

すると、電源２０の（＋）出力端子から順次、リード電極３、半導体レーザ素子５、リード電極２、リード電極２と外部接続電極１３とを電気的に接続するショートバー２１、外部接続電極１３、回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｂ、Ａｕバンプ１２、反射電極付蛍光体プレート１１の光反射電極１１ｂ、Ａｕバンプ１２、回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｃ及び外部接続電極１４を経て電源２０の（−）出力端子に至る通電経路が形成され、この通電経路を半導体レーザ素子５の駆動電流が流れて該半導体レーザ素子５が発振状態となりレーザ光を放射する。

半導体レーザ素子５から放射されたレーザ光(例えば、波長が４５０ｎｍの青色光)Ｌ_１は、図８（レーザ光の光線追跡図）に示すように、ガラス窓７を透過した後に、保護キャップ６の貫通孔６ａ、回路パターン形成基板１０の貫通孔１０ａ及び反射電極付蛍光体プレート１１の開口部１１ｃを順次通過して開口部１１ｃに露出した蛍光体基板１１ａの光入射面１１ａａに至り、光入射面１１ａａから蛍光体基板１１ａ内に入射する。

蛍光体基板１１ａ内に入射した青色レーザ光は、その一部が蛍光体基板１１ａ内に混入された蛍光体粒子を励起し、光出射面１１ａｂからは蛍光体基板１１ａ内をそのまま透過した青色レーザ光と蛍光体粒子の励起によって波長変換された波長変換光との混色光が出射される。

この場合、例えば、蛍光体基板１１ａに混入される蛍光体粒子を、青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体粒子とすると、青色レーザ光の一部と青色レーザ光の一部が黄色蛍光体粒子を励起することにより波長変換された黄色光との加法混色で白色光に近い色相の光を得ることができる。

また、黄色蛍光体粒子の代わりに、青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光体粒子と赤色光に波長変換する赤色蛍光体粒子との混合蛍光体粒子とし、青色レーザ光の一部と青色レーザ光の一部が緑色蛍光体粒子を励起することにより波長変換された緑色光と青色レーザ光の一部が赤色蛍光体粒子を励起することにより波長変換された赤色光との加法混色で白色光を得ることもできる。

さらに、レーザ光の波長と蛍光体粒子の種類とを適宜に組み合わせることにより、白色光以外の種々な色相の光を得ることができる。

なお、反射電極付蛍光体プレート１１の蛍光体基板１１ａ内におけるレーザ光及び蛍光体粒子による波長変換光は、直接光出射面１１ａｂから外部に向けて出射されるものと、内部反射や散乱によって光出射面１１ａｂ以外の方向に向かうものとが存在する。

そのうち、内部反射や散乱によって光反射電極１１ｂに向かう光は、該光反射電極１１ｂで反射されてその反射光が光出射面１１ａｂから外部に出射される。換言すると、反射電極付蛍光体プレート１１に光反射機能と電極機能とを兼ねた光反射電極１１ｂを設けたことにより光出射面１１ａｂからの出射光Ｌ_２の光量が増大し、光の利用効率の向上を図ることができる。

ところで、上記構成の半導体発光装置３０において、外的な強い振動や衝撃等の何らかの理由によって反射電極付蛍光体プレート１１が回路パターン形成基板１０から離脱した場合、半導体レーザ素子５に電力を供給するための通電経路の一部を構成する反射電極付蛍光体プレート１１が通電経路から除去されることになり、それによって、通電経路が遮断されて半導体レーザ素子５に対する通電が停止されて電力の供給が断たれ、半導体レーザ素子５の発振が停止してレーザ光の放射が停止する（図９（反射電極付蛍光体プレートの離脱状態の説明図）参照）。

また、反射電極付蛍光体プレート１１が離脱までしなくとも、フラックが入ることによって光反射電極１１ｂが破断する場合がある。この場合も、クラックを介してレーザ光が外部に直接漏出することを通電経路の切断によって未然に防ぐ点では同様である。

つまり、半導体レーザ素子５から放射されたレーザ光が外部に向けて照射されるまでの光学系の一部を構成する反射電極付蛍光体プレート１１が回路パターン形成基板１０から光学的に離脱したと同時に電気回路的な切断状態が形成されて半導体レーザ素子５からのレーザ光の放射が停止し、レーザ光が直接観視者の目に入ることが防止される。それにより、観視者に対するアイセーフティを確実に確保することができる。

なお、反射電極付蛍光体プレート１１は、上記構成以外に、図１０（断面図）のように、透明又は散乱プレート２５を挟んで一方の側にガラスあるいは光透過性セラミックに蛍光体粒子を混入してなる蛍光体基板１１ａを設け、他方の側に中央の開口部１１ｃを除いて光反射電極１１ｂを形成した構成としてもよい。

これにより、光反射電極１１ｂの開口部１１ｃを通過して透明又は散乱プレート２５に入射したレーザ光は、透明又は散乱プレート２５で拡散、散乱して蛍光体基板１１ａに入射する。そのため、蛍光体基板１１ａからは輝度ムラの少ない光が外部に向けて出射される。

あるいは、図１１（断面図）のように、蛍光体基板１１ａを挟んで一方の側に透明又は散乱プレート２５を設け、他方の側に中央の開口部１１ｃを除いて光反射電極１１ｂを形成した構成としてもよい。

これにより、光反射電極１１ｂの開口部１１ｃを通過して蛍光体基板１１ａに入射し、蛍光体基板１１ａ内を導光されて出射した光は、透明又は散乱プレート２５で拡散、散乱して輝度ムラの少ない光が外部に向けて出射される。それと同時に、透明又は散乱プレート２５は、レーザ光が照射されて加熱された蛍光体基板１１ａの放熱に寄与するものとなる。そのため、蛍光体粒子の蛍光特性の低下が抑制され、出射光の光量低下が抑制される。

なお、反射電極付蛍光体プレート１１の光反射電極１１ｂと回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｂ、１０ｃの夫々との電気的な接続は、上述のＡｕバンプ１２に限られるものではなく、例えば、ＡｕＳｎ共晶やハンダによる接合でもよい。

また、回路パターン形成基板１１の基材部は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）に限られるものではなく、例えば、熱伝導性の良好なアルミナセラミックやＳｉＣ（炭化珪素）、ＳｉＮ（窒化珪素）で形成することも可能である。

更に、反射電極付蛍光体プレート１１の光反射電極１１ｂは、回路パターン形成基板１０の回路パターン１０ｂ、１０ｃの夫々とを接続する接合部材の接合性を向上させるために、多層構造にすることも可能である。その場合は、例えば、Ａｇ／ＴｉＷ／Ａｕの三層構造とし、反射機能を持たせる側をＡｇとし、接合部材の接合側をＡｕとする。

また、反射電極付蛍光体プレート１１の、光反射電極１１ｂが形成されていない開口部１１ｃは、上記円状に限られるものではなく、三角形、四角形あるいはその他の多角形であっても構わない。

１… 台座
１ａ… 貫通孔
１ｂ… 貫通孔
１ｃ… 上面
２… リード電極
２ａ… 突出部
３… リード電極
３ａ… 突出部
４… ヒートシンク
５… 半導体レーザ素子
６… 保護キャップ
６ａ… 貫通孔
６ｂ… 上部上面
６ｃ… 上部内面
７… ガラス窓
８… 半導体レーザ
１０… 回路パターン形成基板
１０ａ… 貫通孔
１０ｂ… 回路パターン
１０ｃ… 回路パターン
１０ｄ… 基材部
１１… 反射電極付蛍光体プレート
１１ａ… 蛍光体基板
１１ａａ… 光入射面
１１ａｂ… 光出射面
１１ｂ… 光反射電極
１１ｃ… 開口部
１２… Ａｕバンプ
１３… 外部接続電極
１４… 外部接続電極
２０… 電源
２１… ショートバー
２５… 透明又は散乱プレート
３０… 半導体発光装置

Claims (4)

1. 一対の電極を有する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の放射方向に配置され、前記レーザ光で励起されて蛍光を放出する蛍光体プレートと、を備え、
   前記蛍光体プレートには前記半導体レーザ素子が照射される部分以外のいずれかの場所に導体が形成されており、
   前記半導体レーザ素子は、電源から前記導体を介して前記一対の電極に電力が供給されることを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記導体は、Ａｇ、Ａｇ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｒｈ、Ｒｈ合金のいずれかから形成される金属膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 更に、基板と、前記基板の一方の面に形成された回路パターンとを有し、前記回路パターンと前記導体とがバンプ、共晶金属、ハンダのいずれかによって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記基板は、ＡｌＮ、アルミナ、ＳｉＣ、ＳｉＮのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光装置。

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