JP2019053130A - 光学部品、光学部品を用いた発光装置、及び光学部品の製造方法 - Google Patents

光学部品、光学部品を用いた発光装置、及び光学部品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 光学部品において、輝度をさらに向上することを目的とする。【解決手段】 光学部品１００は、上面、下面及び側面を有した、蛍光体を含む蛍光部１１と、上方から見て蛍光部１１を取り囲むように蛍光部１１の側方に設けられた光反射部１２とを有する波長変換部材１０と、波長変換部材１０の下方に設けられた透光部材２０とを備える。透光部材２０の上面のうち少なくとも蛍光部１１に対向する領域に、透光部材２０の下方から入射する励起光を透過し、且つ蛍光部１１が発する蛍光を反射する誘電体多層膜３０が設けられている。さらに、蛍光部１１と誘電体多層膜３０との間には、空隙６０が設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学部品、光学部品を用いた発光装置、及び光学部品の製造方法に関する。
特許文献１には、半導体レーザ素子と波長変換部材とを有する発光装置が開示されている。また、特許文献１には、半導体レーザ素子と波長変換部材とを有する発光装置を車両用灯具として使用することが開示されている。
特開2014-154723公報
しかしながら、半導体レーザ素子を光源として用いて構成した従来の発光装置は、波長変換部材から光を出射させる際の光の取り出し効率を向上させ、発光装置の輝度を向上させる余地がある。
そこで、本発明は、例えば、半導体レーザ素子から入射される光を波長変換部材を介して高い取り出し効率で出射することができる光学部品とその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、半導体レーザ素子から入射される光を波長変換部材を介して高い取り出し効率で出射することができ、輝度の高い発光装置を提供することを目的とする。
本発明の第１態様に係る光学部品は、上面、下面及び側面を有した、蛍光体を含む蛍光部と、上方から見て蛍光部を取り囲むように蛍光部の側方に設けられた光反射部とを有する波長変換部材と、波長変換部材の下方に設けられた透光部材とを備える。透光部材の上面のうち少なくとも蛍光部に対向する領域に、透光部材の下方から入射する励起光を透過し、且つ蛍光部が発する蛍光を反射する誘電体多層膜が設けられている。さらに、蛍光部と誘電体多層膜との間には、空隙が設けられている。さらに、光反射部と透光部材とは、光反射部とは異なる材料からなる接続部材により接続されている。
本発明の第２態様に係る発光装置は、前述した光学部品と、透光部材の下面に励起光を照射する半導体レーザ素子とを備える。
本発明の第３態様にかかる光学部品の製造方法は、波長変換部材を準備する工程と、後に波長変換部材の下方に配置される透光部材を準備する工程と、波長変換部材と透光性部材とを接合する工程とを含む。波長変換部材を準備する工程では、上面、下面及び側面を有し、蛍光体を含む蛍光部と、上方から見て蛍光部を取り囲むように蛍光部の側方に設けられた光反射部とを有しかつ光反射部の下面に金属層が形成された波長変換部材を準備する。透光部材を準備する工程では、透光部材の上面のうち少なくとも蛍光部に対向する領域に、透光部材の下方から入射する励起光を透過し、且つ蛍光部が発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されかつ透光部材の上面のうち光反射部に対向する領域の上方に、金属層が形成された透光部材を準備する。波長変換部材と透光性部材とを接合する工程では、透光部材に形成された誘電体多層膜と蛍光部との間に気体で満たされた空隙が形成されるよう、原子拡散接合により、波長変換部材に形成された金属層と、透光部材に形成された金属層とを接合する。
本発明の第１実施形態に係る光学部品の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る光学部品の上面図である。 第１実施形態に係る光学部品の誘電体多層膜に光を垂直入射させた場合の波長に対する反射率の一例を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る光学部品の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る光学部品の他の例の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光学部品の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光学部品の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る発光装置の斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る発光装置の断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下の説明において参照する図面は、実施形態を概略的に示したものであるため、各部材のスケールや間隔、位置関係などが誇張されている場合がある。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る光学部品１００の断面図を図１に示し、上面図を図２に示す。図１は、図２のＩ−Ｉにおける断面図である。
各図に示すように、光学部品１００は、
（ａ）上面（出射面）、下面（入射面）及び側面を有し、蛍光体を含む蛍光部１１と、上方から見て蛍光部１１を取り囲むように蛍光部１１の側方に設けられた光反射部１２とを有する波長変換部材１０と、
（ｂ）波長変換部材１０の下方に設けられた透光部材２０と、
を備えている。
そして、光学部品１００では、波長変換部材１０と透光部材２０の間に、蛍光部１１の入射面に対向するように誘電体多層膜３０が設けられ、さらに蛍光部１１と誘電体多層膜３０との間に空隙６０が設けられている。さらに、光反射部１２と透光部材２０とが、光反射部１２とは異なる材料である接続部材５０により接続されている。光学部品１００において、誘電体多層膜３０は、蛍光部１１に含まれている蛍光体を励起する光（励起光）を通過させ、蛍光体が発光する光（蛍光）を反射するように構成されている。
以上のように構成された光学部品１００において、蛍光部１１の蛍光体を励起する光（入射光）が、透光部材２０、誘電体多層膜３０及び空隙６０を介して蛍光部１１に入射され、蛍光部１１の出射面から蛍光部１１の蛍光体が発光する光（蛍光）が蛍光部１１の出射面から出射される。蛍光部１１の出射面から出射される光は、蛍光と蛍光体に吸収されることなく蛍光部１１を通過する励起光の一部とを含んでいても良い。このようにして、光学部品１００は、入射光とは異なる色の光を出射する。尚、励起光が蛍光部１１の出射面から実質的に出射されない場合には、蛍光部１１の出射面から出射される光の発光色は、蛍光体が発光する光（蛍光）の発光色であり、励起光の一部が蛍光部１１の出射面から出射される場合には、蛍光部１１の出射面から出射される光の発光色は、励起光と蛍光の混色による光の発光色である。
以上のように構成された光学部品１００は、蛍光部１１と透光部材２０の間に、誘電体多層膜３０を含んでいることから、蛍光部１１の出射面から出射される光の輝度を高くでき、さらに蛍光部１１と誘電体多層膜３０との間に空隙６０を含んでいることから、蛍光部１１の出射面から出射される光の輝度をさらに高くできる。
以下、そのメカニズムついて説明する。
蛍光部１１の周囲に光反射部１２を設けることで、蛍光部１１において散乱した励起光や蛍光部１１で発せられた蛍光は光反射部１２により反射させて上方に出射できるので、上方から見たときの輝度を向上させることができる（以下、励起光及び蛍光を合わせて単に「光」という。）。しかし、光反射部１２により反射した光や蛍光体で散乱した光は、上方だけでなく下方にも進行する。そこで、蛍光部１１の下方に位置する透光部材２０の上面に、透光部材２０の下方から入射する励起光を透過し、且つ蛍光部１１が発する蛍光を反射する誘電体多層膜３０を設けている。この誘電体多層膜３０により、蛍光部１１から下方に進む光を反射して上方に取り出すことができる。しかしながら、誘電体多層膜の反射率は入射角依存性を有しており、例えば、入射角が０°に近い（つまり垂直に入射する）光に対する反射率は高いが、入射角が４５°に近い光に対する反射率が低くなる。そこで、光学部品１００では、光反射部１２と透光部材２０とを、光反射部１２とは異なる材料からなる接続部材５０により接続して、蛍光部１１と誘電体多層膜３０との間にさらに空隙６０を設けている。この蛍光部１１と空隙６０の界面は、蛍光部１１側から臨界角以上の入射角で入射する光を全反射させる。例えば、蛍光部１１の屈折率が１．８程度であると蛍光部１１と空隙６０の界面における臨界角は３３°程度になる。したがって、光学部品１００は、蛍光部１１及び空隙６０の界面と誘電体多層膜３０とにより、蛍光部１１から下方に進む光を上方に反射させることができる。これにより、比較的簡単な構成にもかかわらず輝度を向上させることができる。
誘電体多層膜３０と空隙６０とを含む光学部品１００により、出射面から出射される光の輝度を高くできることをシミュレーションにより確認した。以下で、その結果を含めてより詳細に説明する。
シミュレーションでは、蛍光部１１の入射面と誘電体多層膜３０の間に空隙６０がある場合と空隙６０がない場合とで、蛍光部１１で下方に向かう光の反射率（蛍光部と空隙との界面での反射と誘電体多層膜での反射を含めた反射率）を求めた。
シミュレーションは、光を垂直入射させた場合の波長に対する反射率が図３に示すような特性を有する誘電体多層膜を使用した場合において、蛍光部１１の屈折率が１．１、１．３、１．５、１．７、１．９の各屈折率における、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、６５０ｎｍの各波長における、全入射角の合成反射率を求めた。
また、シミュレーションは、以下の仮定で行った。
１．蛍光部１１の屈折率には、波長依存性がない。
２．空隙６０の屈折率は、１である。
３．蛍光部１１と、空隙６０又は誘電体多層膜３０との界面に入射するビームの強度は、入射角の余弦（ｃｏｓ）に比例したランバーシアン分布である。
以上の条件及び仮定のもとで実施したシミュレーションの結果を、表１に示す。
Figure 2019053130
表１に示す反射率は、全入射角の合成反射率である。全入射角の合成反射率とは、各入射角における蛍光部と空隙との界面での反射及び誘電体多層膜での反射と、蛍光部から下方に向かう光をランバーシアン配光と考えた場合の各入射角における相対強度と、を乗算し、求められた値を加算した値である。
表１に示すように、いずれの屈折率及びいずれの波長についても、空隙がない場合に比較して空隙を設けたときの反射率は高くなった。また、蛍光部の屈折率が高いほど、反射率が高くなる割合が大きくなることが確認できた。蛍光部の屈折率が高いほど反射率が高くなることから、蛍光部と空隙の界面における反射が反射率の向上に寄与していることが理解される。
以下、光学部品１００を構成する各部材について詳細に説明する。
（波長変換部材１０）
波長変換部材は、蛍光部１１と光反射部１２とを有する。光反射部１２は、上面視において蛍光部１１の周囲を取り囲むように、蛍光部１１の側方（周り）に設けられている。
蛍光部１１は、蛍光体を含む。蛍光部１１は、例えば、アルミナ等のバインダーに蛍光体を分散させることにより構成される。蛍光体は、光学部品１００の用途、蛍光体を励起する励起光源の種類及び波長を考慮して種々の蛍光体から選択することができる。また、バインダーの材料は、選択した蛍光体、光反射部１２を構成する材料等を考慮して、種々のセラミック材料、樹脂材料から選択することができる。蛍光体としては、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）、ユウロピウムで賦活されたシリケート（（Ｓｒ，Ｂａ）２ＳｉＯ４）、αサイアロン蛍光体、βサイアロン蛍光体、ＫＳＦ系蛍光体（Ｋ２ＳｉＦ６：Ｍｎ）などが挙げられる。なかでも、耐熱性の高いＹＡＧ蛍光体を用いることが好ましい。半導体レーザ素子を励起光源として用いる場合、半導体レーザ素子は発光ダイオード等と比べて光のエネルギーが狭い範囲に集中するので、光密度が高く、蛍光部１１が高温になりやすい。しかし、ＹＡＧ系蛍光体は温度特性に優れているので、励起光源として半導体レーザ素子を用いた場合であっても、蛍光体としての特性の劣化を抑制できる。
蛍光部１１は単一層であってもよいし、多層であってもよい。蛍光部１１を多層とする場合は、最も下の層は最初に励起光が当たるので発熱しやすい。そこで、最も下の層に用いる蛍光体を温度特性に優れたＹＡＧ蛍光体とすることが好ましい。
蛍光部１１は、有機材料を含むこともできるが、無機材料からなることが好ましい。無機材料は、樹脂等の有機材料に比較して熱や光に強いので、信頼性が向上しやすい。無機材料からなる蛍光部１１としては、例えば、蛍光体の粒子を焼結させた蛍光体の多結晶体、蛍光体の単結晶体等が挙げられる。無機材料からなる蛍光部１１は、例えば、Ａｌ２Ｏ３等のバインダー／蛍光体の複合物を用いて構成することもできる。後述する光反射部１２がアルミナを主成分とする場合には、バインダーとして、主成分としてアルミナを含む材料を用いることが好ましい。また、バインダーは、アルミナの他にジルコニア等のような高屈折率材料を含む複合材料により構成することができる。これにより、アルミナ単体の場合に比べて蛍光部１１の屈折率を高くでき、上述のシミュレーションにより示したように、誘電体多層膜３０と空隙６０とを含む構成において反射率を高くできる。
上述したように、蛍光部１１がＹＡＧ蛍光体とアルミナのバインダーとを含む場合は、光反射部１２をアルミナの焼結体（セラミックス）により構成することが好ましい。すなわち、蛍光部１１のバインダーと光反射部１２の主成分は同一の無機材料であることが好ましく、これにより蛍光部１１と光反射部１２とを一体化しやすくなる。例えば、蛍光部１１がＹＡＧ蛍光体とアルミナとを含み、光反射部１２がアルミナを含む場合は、焼結により蛍光部１１と光反射部１２とを両者を一体に形成することができる。このとき、蛍光部１１である蛍光体セラミックスの側面と光反射部１２である光反射性のセラミックスとは直接接している。
光反射部１２をアルミナ等の焼結体により構成する場合、焼結温度等を制御することによって、光反射部１２の内部に多数の空隙を形成することができ、これにより光はアルミナと空隙との界面で散乱される。このように、アルミナと空隙との界面で光が散乱されるので、光反射部１２は光反射率を高くできる。
光学部品１００では、図２に示すように、上面視における波長変換部材１０の外形を矩形としたが、波長変換部材１０の外形は円形等の他の形状であっても良い。外形が矩形の場合は、例えば一辺の長さを0.5ｍｍ以上20ｍｍ以下、好ましくは2ｍｍ以上5ｍｍ以下とすることができる。外形が円径の場合は、直径を0.5ｍｍ以上20ｍｍ以下、好ましくは2ｍｍ以上5ｍｍ以下とすることができる。
光学部品１００では、図２に示すように、上面視における蛍光部１１の外形を矩形としたが、円形等の他の形状であってもよい。外形が矩形の場合は、例えば一辺の長さを0.1ｍｍ以上5ｍｍ以下、好ましくは0.05ｍｍ以上3ｍｍ以下とすることができる。外形が円径の場合は、直径を0.1ｍｍ以上5ｍｍ以下、好ましくは0.05ｍｍ以上3ｍｍ以下とすることができる。
蛍光部１１及び光反射部１２のそれぞれの厚さは、例えば0.1ｍｍ以上3ｍｍ以下、好ましくは0.2ｍｍ以上1ｍｍ以下とすることができる。
（透光部材２０）
透光部材２０としては、石英、ＳｉＣ、サファイア又は窒化アルミなどの焼結体（セラミックス）などを用いることができる。透光性、強度、放熱性の観点から、特にサファイアを用いることが好ましい。本実施形態では、透光部材２０の形状は、波長変換部材１０の形状と同じであるが、それと異ならせることもできる。
透光部材２０の厚さは、例えば0.1ｍｍ以上5ｍｍ以下、好ましくは0.2ｍｍ以上1ｍｍ以下とすることができる。
（誘電体多層膜３０）
透光部材２０の上面には、蛍光部１１に含まれる蛍光体を励起する励起光を透過し、蛍光体が発光する蛍光を反射する、例えば、図３に示す特性の誘電体多層膜３０が設けられている。誘電体多層膜３０は、屈折率が異なる少なくとも２種類の第１誘電体膜と第２誘電体膜が交互に積層されてなり、第１誘電体膜と第２誘電体膜の各屈折率及び膜厚を適宜設定することにより、所望の透過波長帯域及び反射波長帯域を有する反射特性が得られる。光学部品１００において、誘電体多層膜３０の反射特性は、光学部品の用途に応じて設定され、この誘電体多層膜３０により、下方から入射される励起光を透過させつつ、蛍光部１１が発する蛍光を効果的に反射させることができる。光学部品１００を光源である半導体レーザ素子と組み合わせて用いる場合、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は直進性が高いので誘電体多層膜３０に対して垂直に入射させることができ、入射光を蛍光部１１に無駄なく入射できる。また、誘電体多層膜３０は、垂直入射する励起光を透過しやすく反射波長帯が、斜めに入射する励起光は反射しやすくしている。この性質を利用して、レーザ光を垂直入射させたときに高い透過率が得られ、垂直入射ではない光に対しては反射率が高くなるように、光源として使用する半導体レーザ素子の発振波長を考慮して、適宜その透過率・反射率の波長特性を設定することにより効率良く蛍光部１１にレーザ光を入射させかつ蛍光部１１からの光取り出し効率を高くすることが可能になる。したがって、光学部品１００を半導体レーザ素子と組み合わせて用いると、レーザ光を効率良く蛍光体の励起に寄与させることができる。
誘電体多層膜３０は、それぞれ、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等から選択された少なくとも２種類の第１誘電体膜と第２誘電体膜とを積層した多層膜により構成することができる。
誘電体多層膜３０を構成する第１誘電体膜と第２誘電体膜の数はそれぞれ、例えば２０以上７０以下、好ましくは３０以上５０以下とすることができる。また、第１誘電体膜と第２誘電体膜の各膜厚は、例えば０．０１μｍ以上２μｍ以下、好ましくは０．０２μｍ以上１．５μｍ以下とすることができる。
誘電体多層膜３０は、例えば誘電体多層膜３０に対して下方から垂直に入射する励起光に対して９０％以上の透過率を有することが好ましく、９５％以上の透過率を有することがより好ましい。また、誘電体多層膜３０は、例えば、誘電体多層膜３０に対して上方から垂直に入射する蛍光に対して９０％以上の反射率を有することが好ましく、９５％以上の反射率を有することがより好ましい。
（反射防止膜４０）
光学部品１００において、透光部材２０の下面には、反射防止膜４０が設けられている。この反射防止膜４０を設けるか否かは任意であるが、反射防止膜４０が設けられていることが好ましい。反射防止膜４０により、下方から入射される励起光を透光部材２０に効率よく入射できる。反射防止膜４０としては、酸化ケイ素、酸化ニオブ、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル等の少なくとも２種類の誘電体層を積層した多層膜を用いることができる。なお、反射防止膜４０は、下方から入射される励起光の反射を完全に防止するものに限られず、反射を軽減できるものであればよい。
反射防止膜４０を構成する２種類の各層の数は、例えば２以上１０以下、好ましくは３以上６以下とすることができる。また、各層の膜厚は、例えば０．０１μｍ以上２μｍ以下、好ましくは０．０２μｍ以上１．５μｍ以下とすることができる。
反射防止膜４０は、例えば反射防止膜４０に対して下方から垂直に入射する励起光に対して９０％以上の透過率を有することが好ましく、９５％以上の透過率を有することがより好ましい。
（接続部材５０）
波長変換部材１０と透光部材２０とは、光反射部１２とは異なる材料からなる接続部材５０により接続されている。光学部品１００において、接続部材５０は、光反射部１２と透光部材２０との間に設けられており、蛍光部１１の下方には設けられていない。これにより、光学部品１００では、接続部材５０が設けられていない蛍光部１１の下方において、蛍光部１１の下面と誘電体多層膜３０の上面とが接続部材５０の厚さと同じ間隔を隔てて空間を介して対向して空隙６０が形成される。ただし、接続部材５０は、図５に示すように、蛍光部１１の下方であっても励起光のうちの光強度の高い光が通過する領域以外の領域であれば設けられていてもよい。すなわち、光学部品１００では、少なくとも励起光のうちの光強度の高い光が通過する領域に空隙６０が形成されていればよい。なお、空隙６０の厚み（図１の上下方向の距離）の制御のしやすさから、図１では光反射部１２と透光部材２０とが誘電体多層膜３０を介して接続部材５０により接続されているが、接続部材５０は光反射部１２と透光部材２０とに直接接していてもよい。
このように、接続部材５０により、空隙６０を比較的容易に形成することができる。空隙６０は真空であってもよいが、気体で満たされていることが好ましい。空隙６０が真空又はそれに近い状態であれば空隙６０の熱伝導率は実質的にゼロということになるが、空隙６０を気体で満たすことにより、空隙６０の熱伝導率を上げることができる。０度における熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））は、例えば、アルゴンであれば約０．００２、空気であれば約０．０２４（酸素、窒素も実質的に同じ）、水素であれば約０．１７、ヘリウムであれば約０．１４とされている。そこで、空隙６０には、熱伝導率が比較的高く安全なヘリウムを充填することが好ましい。これにより、蛍光部１１で生じた熱を効率よく放散させることができる。
空隙６０が気体で満たされている場合、空隙６０は薄ければ薄いほど放熱性が向上する。そこで、空隙６０の厚み（誘電体多層膜３０の上面と蛍光部１１の下面との距離）は、例えば、５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがより好ましい。また、空隙６０を形成することにより、反射率を向上させるためには、空隙６０の厚みは励起光のピーク波長（λ）以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましい。したがって、空隙６０の厚みを、上述の範囲内とすることにより、蛍光部１１と空隙６０との界面での光の反射と放熱性とを両立させることができる。
以下、図４を参照しながら、接続部材５０を用いて波長変換部材１０と透光部材２０とを接続する方法の一例について説明する。
まず、上面、下面及び側面を有し、蛍光体を含む蛍光部１１と、上方から見て蛍光部１１を取り囲むように蛍光部１１の側方に設けられた光反射部１２とを有しかつ、光反射部１２の下面に金属層５０ａが形成された波長変換部材１０を準備する。
次に、後に波長変換部材１０の下方に配置される透光部材２０を準備する。この工程では、透光部材２０の上面のうち少なくとも蛍光部１１に対向する領域に、透光部材２０の下方から入射する励起光を透過し、且つ蛍光部１１が発する蛍光を反射する誘電体多層膜３０が形成されかつ、透光部材２０の上面のうち光反射部１２に対向する領域の上方に、金属層５０ｂが形成された透光部材２０を準備する。なお、透光部材２０を準備する工程は、波長変換部材１０を準備する工程の前であってもよい。
次に、透光部材２０に形成された誘電体多層膜３０と蛍光部１１との間に気体で満たされた空隙６０が形成されるよう、原子拡散接合により、波長変換部材１０に形成された金属層５０ａと、透光部材２０に形成された金属層５０ｂとを接合する。原子拡散接合のほかに、超音波接合や熱圧着により、金属層５０ａ及び金属層５０ｂを直接接合してもよい。また、両者をＡｕＳｎ等のはんだ、Ａｕサブミクロン粒子等の金属サブミクロン粒子、又は金属ナノ粒子を介して接合してもよい。ここで、金属ナノ粒子とは、平均粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍである金属粒子のことをいい、金属サブミクロン粒子とは、平均粒径が１０１ｎｍ〜１μｍである金属粒子のことをいう。
原子拡散接合によれば、接合後の接続部材５０の膜厚を再現性良く且つ比較的薄く制御することができる。さらに、原子拡散接合によれば、接合時に真空であることを要しないので、接合後に空隙６０を気体で満たすための工程を別途設ける必要がない。
原子拡散接合の場合、金属層５０ａ及び金属層５０ｂのそれぞれを構成する材料としては、Ａｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｇなど種々の金属を用いることができる。不活性ガス以外を封じる場合はＡｕ、Ａｇまたはそれぞれの合金を用いることが好ましい。また、金属層５０ａ及び金属層５０ｂのそれぞれの厚みは、λ／２以上２．５μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上１．５μｍ以下であることがより好ましい。
蛍光部１１及び光反射部１２の双方が焼結体である場合、光を蛍光部１１に閉じ込めやすくするために、光反射部１２の気孔率を蛍光部１１の気孔率よりも高くすることが好ましい。この場合、図５に示すように、接続部材５０（より正確には金属層５０ａ）を光反射部１２の下面だけでなく、蛍光部１１の下面のうちその周縁近傍まで形成することができる。これにより、意図せずに外部から気体が空隙６０に進入してきたり、意図せずに空隙６０に充填された気体が外部に抜けたりしにくくすることができる。
なお、ここでは金属材料からなる接続部材５０を用いて波長変換部材１０と透光部材２０と接合している。金属材料は比較的熱伝導率が高いため、蛍光部１１で生じる熱を光反射部１２から透光部材２０へ発散しやすくなる。なお、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の樹脂や、低融点ガラス等により波長変換部材１０と透光部材２０とを接合してもよい。
〔第２実施形態〕
図６を参照しながら、第２実施形態に係る光学部品２００について説明する。光学部品２００は、次に説明する事項以外の構成は、光学部品１００と同様である。
光学部品２００は、透光部材２０の上面において蛍光部１１に対応する領域に凹部が設けられている。これにより、蛍光部１１の排熱性の観点から接続部材５０の厚みを小さくしても、空隙６０を確実に形成することができる。
接続部材５０に樹脂や低融点ガラスを用いる場合、凹部の幅は蛍光部１１の幅よりも大きいことが好ましい。接続部材５０の量にばらつきが生じても、接続部材５０が透光部材２０の上方において蛍光部１１に対応する領域まで広がることを低減することができるためである。凹部は、例えばドライエッチングにより形成することができる。
〔第３実施形態〕
図７を参照しながら、第３実施形態に係る光学部品３００について説明する。光学部品３００は、次に説明する事項以外の構成は、光学部品１００と同様である。
光学部品３００は、波長変換部材１０の下面側に凹部が設けられている。つまり、蛍光部１１の最下面が波長変換部材１０の最下面よりも上方に位置する。この場合においても、接続部材５０の厚みを小さくしても一定の厚みの空隙６０を設けることができる。
凹部は、蛍光部１１のみに設けられていても良いが、図７に示すように蛍光部１１及び光反射部１２に連続して設けられることが好ましい。つまり、蛍光部１１の下面全面及び光反射部１２の下面の一部が光反射部１２の最下面よりも上方に位置するように、凹部は設けられることが好ましい。これにより、接続部材５０が接する面積をある程度確保しながら、接続部材５０に樹脂や低融点ガラスを用いる場合に、蛍光部１１の直下に接続部材５０が設けられることを低減することができる。凹部は、例えばエッチングにより形成することができる。
なお、光学部品３００において、光学部品２００と同様に、透光部材２０の上面に凹部を設けてもよい。
〔第４実施形態〕
図８及び図９を参照しながら、第４実施形態に係る発光装置１０００について説明する。発光装置１０００は、第１実施形態に係る光学部品１００と、透光部材２０の下面に励起光を照射する半導体レーザ素子１５０とを備え、例えば、車両用灯具として使用される。一般に、半導体レーザ素子は発光ダイオード等と比較して配光角が狭いので、蛍光部が比較的小さい光学部品１００に好適に用いることができる。また、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、直進性が高く、光学部品１００の誘電体多層膜３０に垂直に入射させることができるので、蛍光部１１に効率良く入射させることができ、誘電体多層膜３０を備えた光学部品１００に適している。ここでは、光学部品１００を用いて説明するが、光学部品１００の代わりに光学部品２００又は光学部品３００を用いてもよい。
発光装置１０００は、所望の配線を有する基板１１０と、基板１１０の上面に設けられた第１枠体１２０と、第１枠体１２０の内側に設けられた第２枠体１３０と、第２枠体１３０の内側において基板１１０の上面に設けられたサブマウント１４０と、サブマウント１４０の上面に設けられた半導体レーザ素子１５０と、励起光である半導体レーザ素子１５０から発せられる光を上方に反射する反射体１６０と、第２枠体１３０の上面で固定された支持体１７０と、支持体１７０の下面で支持された第１透光体１８０と、支持体１７０の上面で支持された第２透光体１９０と、第１枠体１２０の上面に固定されたカバー４００と、カバー４００の上面に固定された光学部品１００と、を備える。
基板１１０は、複数の絶縁層を含む積層構造である。基板１１０の上面及び内部には所望の箇所に導電層が設けられている。基板１１０を積層構造とすることにより、配線設計の自由度を高めることができる。なお、基板１１０は、単一の絶縁層を含む単層構造とすることもできる。絶縁層を構成する材料としては、AlN,Si3N4,SiC,ZrO2,Al2O3,サファイアなどがあげられる。
基板１１０の上面には、第１枠体１２０が接続されている。第１枠体１２０は、第２枠体１３０を取り囲むように設けられている。第１枠体１２０は、ろう材などにより基板１１０に接続されている。第１枠体１２０を構成する材料としては、Cu, Al, Fe, Au, Agの単体または合金などがあげられる。
基板１１０の上面には、第１枠体１２０の内側において、第２枠体１３０が接続されている。第２枠体１３０は、半導体レーザ素子１５０などが配置される領域の周囲を取り囲むように設けられている。第２枠体１３０は、基板１１０と溶接などにより接続されている。第２枠体１３０を構成する材料としては、Cu, Al, Fe, Au, Agの単体または合金などがあげられ、溶接により接続する場合はFeの単体又は合金が好ましい。
第２枠体１３０の内側において、基板１１０の上面には、半導体レーザ素子１５０が載置されている。ここでは、半導体レーザ素子１５０はサブマウント１４０を介して基板１１０の上面に配置されている。半導体レーザ素子１５０は、蛍光体を励起する励起光としてレーザ光を発振するものであり、ｎ側半導体層と、ｐ側半導体層と、それらの間に配置された活性層とを有する。半導体レーザ素子１５０が発するレーザ光のピーク波長としては、３２０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲、典型的には４３０ｎｍ〜４８０ｎｍの範囲とすることができる。このような半導体レーザ素子１５０として、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いたものが挙げられる。蛍光体としてＹＡＧ蛍光体を用いる場合は、レーザ光のピーク波長としては、４４０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲が好ましい。
第２枠体１３０の内側において、基板１１０の上面には、レーザ光を上方に向けて反射する反射体１６０が設けられている。反射体としては、表面に誘電体多層膜等の反射膜が形成されているミラーなどを用いることができる。
第１枠体１２０の上面には、第１透光体１８０及び第２透光体１９０を支持する支持体１７０が接続されている。支持体１７０は、溶接などにより第１枠体１２０に接続されている。支持体１７０において、レーザ光が通る部分は貫通している。支持体１７０を構成する材料としては、Cu, Al, Fe, Au, Agの単体または合金などの金属があげられ、Feの単体または合金が好ましい。
支持体１７０の下面には、貫通部を下側で塞ぐように第１透光体１８０が設けられている。第１透光体１８０は、レーザ光を透過するとともに、半導体レーザ素子１５０が配置される空間を気密封止するためのものである。
第１透光体１８０を構成する材料としては、ガラス，サファイアなどがあげられる。第１透光体１８０の厚みは例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
支持体１７０の上面には、貫通部を上側で塞ぐように第２透光体１９０が設けられている。第２透光体１９０は、レンズとしての機能を有し、光学部品１００の近傍に光を絞ることができる。
第２透光体１９０を構成する材料としては、BK7をはじめとする光学ガラス、透明樹脂などがあげられる。第２透光体１９０の厚みは例えば１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。
第１枠体１２０の上面には、カバー４００が接続されている。カバー４００の上方には、光学部品１００が載置されている。カバー４００は下方に向かって広がる側面部分を有しており、これにより放熱に寄与する部分の体積が増えるので、光学部品１００で生じた熱を効率よく放散させることができる。
カバー４００を構成するとしては、Cu, Al, Fe, Au, Agの単体または合金などを用いることができる。カバー４００の厚みは、好ましくは０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以上０．７ｍｍ以下とすることができる。
なお、励起光を照射するものとして発光ダイオードを用い、発光ダイオードと光学部品１００とを組み合わせて発光装置としてもよい。
１００、２００、３００・・光学部品
１０・・・波長変換部材
１１・・・蛍光部
１２・・・光反射部
２０・・・透光部材
３０・・・誘電体多層膜
４０・・・反射防止膜
５０・・・接続部材
５０ａ、５０ｂ・・・金属層
６０・・・空隙

Claims (12)

  1. 上面、下面及び側面を有し、蛍光体を含む蛍光部と、上方から見て前記蛍光部を取り囲むように前記蛍光部の側方に設けられた光反射部とを有する波長変換部材と、
    前記波長変換部材の下方に設けられた透光部材とを備える光学部品であって、
    前記透光部材の上面のうち少なくとも前記蛍光部に対向する領域に、前記透光部材の下方から入射する励起光を透過し、且つ前記蛍光部が発する蛍光を反射する誘電体多層膜が設けられており、
    前記蛍光部と前記誘電体多層膜との間には、空隙が設けられており、
    前記光反射部と前記透光部材とが、前記光反射部とは異なる材料である接続部材により接続されていることを特徴とする光半導体用の光学部品。
  2. 前記蛍光部は、無機材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
  3. 前記蛍光部は、ＹＡＧ系蛍光体を含むことを特徴とする請求項２に記載の光学部品。
  4. 前記光反射部は、無機材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学部品。
  5. 前記光反射部は、アルミナを含むことを特徴とする請求項４に記載の光学部品。
  6. 前記蛍光部は、アルミナを含むことを特徴とする請求項５に記載の光学部品。
  7. 前記透光部材は、サファイアからなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学部品。
  8. 前記接続部材は、金属材料からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学部品。
  9. 前記透光部材の下面に、前記透光部材の下方から入射する励起光の反射を軽減する反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学部品。
  10. 前記空隙は気体で満たされていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学部品。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光学部品と、
    前記透光部材の下面に励起光を照射する半導体レーザ素子とを備えることを特徴とする発光装置。
  12. 上面、下面及び側面を有し、蛍光体を含む蛍光部と、上方から見て前記蛍光部を取り囲むように前記蛍光部の側方に設けられた光反射部とを有しかつ前記光反射部の下面に金属層が形成された波長変換部材を準備する工程と、
    後に前記波長変換部材の下方に配置される透光部材を準備する工程であって、前記透光部材の上面のうち少なくとも前記蛍光部に対向する領域に、前記透光部材の下方から入射する励起光を透過し、且つ前記蛍光部が発する蛍光を反射する誘電体多層膜が形成されかつ前記透光部材の上面のうち前記光反射部に対向する領域の上方に、金属層が形成された透光部材を準備する工程と、
    前記透光部材に形成された誘電体多層膜と前記蛍光部との間に気体で満たされた空隙が形成されるよう、原子拡散接合により、前記波長変換部材に形成された金属層と、前記透光部材に形成された金属層とを接合する工程とを含むことを特徴とする光半導体用の光学部品の製造方法。
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