JP2023036165A - 発光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を可能とする発光装置を提供する。【解決手段】発光装置200は、基部211と、枠部212と、蓋部213と、を有するパッケージ210と、基部に配置され、側方に進む光を出射する発光素子220と、発光素子の光出射面から出射される光が入射する第1側面241cと、光を出射する上面241aと、を有する波長変換部材241と、を備え、枠部は、発光素子から出射される光と同じ波長範囲の光を遮光する遮光部を有し、蓋部は、波長変換部材の上面から出射された光を透過させて外部に出射させる透光部を有し、遮光部は、光出射面から最も上方に向かって出射された光が波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上に配置されており、透光部は、光出射面から最も上方に向かって出射された光が波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上であって、延長線が遮光部と交わるよりも手前の線分上には配置されていない。【選択図】図4
Description
本開示は、発光装置に関する。
特許文献1には、複数の半導体レーザ素子から出射された光を光反射部材で反射して光透過部に入射し、光透過部に入射した光を光透過部により異なる波長の光に変換して外部に出射する発光装置が開示されている。
また、この発光装置では、安全性への配慮から、光透過部に割れなどの異常が発生したときの安全対策がなされている。具体的には、光透過部の周りを導電膜で囲い、導電膜に生じる電気的な接続状態の変化を検知することで光透過部の異常を検知するセンサが搭載されている。
発光装置を構成する構成要素(部品)が多いほど発光装置は大型になりやすい。また、高出力化や安全対策など、高機能化や多機能化を追求すると、必要な構成要素も増えやすい。このような事情がありつつも、機能性とのバランスを取りながら、装置を小型化したいというニーズがある。
本開示の一実施形態に係る発光装置は、基部と、枠部と、蓋部と、を有するパッケージと、前記基部の上面に配置され、前記枠部に囲まれ、側方に進む光を出射する発光素子と、前記基部に配置され、前記発光素子の光出射面から出射される光が入射する第1側面と、光を出射する上面と、を有する波長変換部材と、を備え、前記枠部は、前記発光素子から出射される光と同じ波長範囲の光を遮光する遮光部を有し、前記蓋部は、前記波長変換部材の上面から出射された光を透過させて外部に出射させる透光部を有し、前記遮光部は、前記光出射面から出射された主要部分の光に関し、前記光出射面から最も上方に向かって出射され前記波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上に配置されており、前記透光部は、前記主要部分の光に関し、前記光出射面から最も上方に向かって出射され前記波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上であって、前記延長線が前記遮光部と交わるよりも手前の線分上には配置されていない。
本開示の一実施形態によれば、小型化を可能とする発光装置を提供できる。また、本開示の一実施形態によれば、安全性の確保された発光装置において、小型化を実現できる。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語(例えば、「上」、「下」、及びそれらの用語を含む別の用語)を用いる。しかし、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一もしくは同等の部分又は部材を示す。
また、本開示において、三角形や四角形等の多角形に関しては、多角形の隅に角丸め、面取り、角取り、丸取り等の加工が施された形状も含めて、多角形と呼ぶものとする。また、隅(辺の端)に限らず、辺の中間部分に加工が施された形状も同様に、多角形と呼ぶものとする。つまり、多角形をベースに残しつつ、部分的な加工が施された形状は、本開示で記載される"多角形"の解釈に含まれるものとする。
また、多角形に限らず、台形や円形や凹凸等、特定の形状を表す言葉についても同様である。また、その形状を形成する各辺を扱う場合も同様である。つまり、ある辺において、隅や中間部分に加工が施されていたとしても、"辺"の解釈には加工された部分も含まれる。なお、部分的な加工のない"多角形"や"辺"を、加工された形状と区別する場合は"厳密な"を付して、例えば、"厳密な四角形"等と記載するものとする。
さらに、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置等を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また、一の実施形態において説明する内容は、他の実施形態や変形例にも適用可能である。また、図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。さらに、図面が過度に複雑になることを避けるために、一部の要素の図示を省略した模式図を用いたり、断面図として切断面のみを示す端面図を用いたりすることがある。
図1は、本実施形態に係る発光装置を例示する斜視図である。図2は、本実施形態に係る発光装置の内部構造を説明するための斜視図である。図3は、本実施形態に係る発光装置の内部構造を説明するための上面図である。図4は、本実施形態に係る発光装置を例示する、図3のIV-IV線における断面図である。
本実施形態に係る発光装置200は複数の構成要素を備える。複数の構成要素には、パッケージ210と、発光素子220と、サブマウント230と、光学部材240と、保護素子250と、配線270とが含まれる。ただし、発光装置200は、これらの構成要素の全てを有していなくてもよい。例えば、少なくとも、パッケージ210と、発光素子220と、光学部材240とを含む複数の構成要素を備える発光装置200を実現することができる。
発光装置200の各構成要素について説明する。
(パッケージ210)
パッケージ210は、基部211と、枠部212と、蓋部213とを有している。基部211は、上面211a、及び下面211bを有している。基部211は、上面視で外形が矩形である。この矩形は、長辺と短辺を有する矩形であってよい。なお、上面視でみた基部211の外形は、矩形でなくてもよい。特に正方形を除外するような言及がされていない限り、矩形には正方形も含まれてよいものとする。
パッケージ210は、基部211と、枠部212と、蓋部213とを有している。基部211は、上面211a、及び下面211bを有している。基部211は、上面視で外形が矩形である。この矩形は、長辺と短辺を有する矩形であってよい。なお、上面視でみた基部211の外形は、矩形でなくてもよい。特に正方形を除外するような言及がされていない限り、矩形には正方形も含まれてよいものとする。
枠部212は、上面212a、1又は複数の内側面212c、1又は複数の外側面212dを有している。枠部212は、例えば、上面視で矩形の枠状である。枠部212の1又は複数の内側面212cは、基部211の上面211aと交わる。枠部212の1又は複数の外側面212dは、枠部212の上面212aと交わる。
基部211と枠部212は、枠部212の上面212aから基部211の上面211aの方向に窪んだ凹形状を有する。凹形状は、上面視で枠部212の外形の内側に形成される。上面視で、基部211の上面211aは、枠部212の1又は複数の内側面212cが形成する枠によって囲まれる。この枠の外形は、長辺と短辺を有する矩形である。基部211と枠部212は、一体に形成することができる。基部211と枠部212を別々に形成し、これらを接合してもよい。
なお、上面視とは、基部211の上面211aの法線方向から対象物を視ることを指す。また、基部211の上面211aの法線方向から対象物を視た形状を平面形状と称する場合がある。
パッケージ210は、基部211の上面211aよりも上方、かつ、枠部212の上面212aよりも下方に位置する上面214aを有した段差部214を有してもよい。段差部214は、枠の内側に形成される。段差部214は、例えば、上面214a、及び、上面214aと交わり下方に進む側面のみから構成される。段差部214の上面214aは、例えば、基部211の上面211aと平行になる。段差部214の側面は、例えば、基部211の上面211aと交わる。段差部214は、枠の内側において対向する枠部212の内側面212cのうちの一方のみに設けられ、他方には設けられなくてもよい。段差部214は、内側面212cに沿って形成される。例えば、枠を構成する全ての内側面212cのうち1の内側面212cのみにおいて、上面視で、内側面212cに沿って内側面212cの50%以上の長さで段差部214が形成される。
段差部214の上面214aには、1又は複数の金属膜215が設けられてもよい。また、枠部212の上面212aには、1又は複数の金属膜が設けられてもよい。段差部214の上面214aに設けられる1又は複数の金属膜215には、上面212aに設けられた金属膜と電気的に接続する金属膜215が含まれてもよい。金属膜215、及び上面212aに設けられる金属膜には、例えば、Ni/Au(Ni、Auの順で積層した金属膜)やTi/Pt/Au(Ti、Pt、Auの順で積層した金属膜)などを用いることができる。
蓋部213は、上面213aと、下面213bと、上面213a及び下面213bと交わる1または複数の側面213cとを有している。1または複数の側面213cは上面213aの外縁と下面213bの外縁とを接続する。蓋部213は、例えば、直方体又は立方体である。この場合、蓋部213の上面213a及び下面213bは何れも矩形であり、蓋部213は4つの矩形の側面213cを有する。
ただし、蓋部213は、直方体や立方体には限定されない。すなわち、蓋部213は、上面視で矩形には限定されず、円形、楕円形、多角形等の任意の形状とすることが可能である。
蓋部213は枠部212に支持され、基部211の上面211aの上方に配置されている。蓋部213の下面213bの外周部は、例えば、枠部212の上面212aと接合されている。蓋部213が枠部212に接合されることで、パッケージ210内に閉空間が形成される。
基部211及び枠部212は、例えば、セラミックスを主材料として形成できる。例えば、セラミックスとして、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いることができる。なお、基部211及び枠部212は、セラミックスに限らず、絶縁性を有する他の材料を主材料に用いて形成してもよい。
蓋部213は、所定波長の光を透過させる透光部213tを有する。透光部213tは、蓋部213の上面213aおよび下面213bの一部を構成する。蓋部213の透光部213tは、例えば、サファイアを主材料に用いて形成できる。サファイアは、比較的透過率が高く、比較的強度も高い材料である。なお、蓋部213の透光部213tの主材料には、サファイアの他に、例えば、石英、炭化ケイ素、又は、ガラス等を含む透光性の材料を用いてもよい。蓋部213の透光部213t以外の部分は、透光部213tと同一材料により、透光部213tと一体に形成されてもよい。
また、蓋部213は、遮光部213sを有することができる。遮光部213sは、光が入射すること、または、光が出射することを遮る。遮光部213sは、蓋部213の上面213aまたは下面213bの一部を構成する。遮光部213sは、例えば、蓋部213の表面に遮光膜を設けることで形成される。また例えば、蓋部213の透光部213t以外の部分を金属等を含む遮光性の材料で構成することで遮光部213sを形成してもよい。
(発光素子220)
発光素子220は、例えば、半導体レーザ素子である。発光素子220は、半導体レーザ素子に限らず、例えば、発光ダイオード(LED)や有機発光ダイオード(OLED)などであってもよい。図1~図4に例示的に図示される発光装置200では、発光素子220として、半導体レーザ素子が採用されている。
発光素子220は、例えば、半導体レーザ素子である。発光素子220は、半導体レーザ素子に限らず、例えば、発光ダイオード(LED)や有機発光ダイオード(OLED)などであってもよい。図1~図4に例示的に図示される発光装置200では、発光素子220として、半導体レーザ素子が採用されている。
発光素子220は、例えば、上面視で長方形の外形を有する。また、長方形の2つの短辺のうちの一辺と交わる側面が、発光素子220から放射される光の光出射面となる。また、発光素子220の上面及び下面は、光出射面よりも面積が大きい。
ここで、発光素子220が半導体レーザ素子である場合について説明する。発光素子220から放射される光(レーザ光)は拡がりを有し、光出射面と平行な面において楕円形状のファーフィールドパターン(以下「FFP」という。)を形成する。ここで、FFPとは、光出射面から離れた位置における出射光の形状や光強度分布を示す。
発光素子220から出射される楕円形状の光に基づき、楕円形状の長径を通る方向をFFPの速軸方向、楕円形状の短径を通る方向をFFPの遅軸方向とする。発光素子220におけるFFPの速軸方向は、発光素子220の活性層を含む複数の半導体層が積層される積層方向と一致し得る。
また、発光素子220のFFPの光強度分布に基づいて、ピーク強度値に対する1/e2以上の強度を有する光を、主要部分の光と呼ぶものとする。また、この光強度分布において1/e2の強度に相当する角度を拡がり角と呼ぶものとする。FFPの速軸方向における拡がり角は、FFPの遅軸方向における拡がり角よりも大きい。
また、FFPの楕円形状の中心を通る光、言い換えると、FFPの光強度分布においてピーク強度の光を、光軸を進む光、あるいは、光軸を通る光、と呼ぶものとする。また、光軸を進む光の光路を、その光の光軸、と呼ぶものとする。
発光素子220には、発光素子220から出射される光の発光ピーク波長が、320nm~530nmの範囲、典型的には、430nm~480nmの範囲にあるものを用いることができる。このような発光素子220としては、窒化物半導体を含む半導体レーザ素子が挙げられる。窒化物半導体としては、例えば、GaN、InGaN、又はAlGaNを用いることができる。
なお、発光素子220から出射される光の発光ピークは、これに限らなくてよい。また、発光素子220は、ここで挙げた波長範囲外の波長の光を出射してもよい。例えば、発光素子220から出射される光は、可視光の範囲内で適宜決定することができる。
(サブマウント230)
サブマウント230は、例えば、直方体の形状で構成され、下面、上面、及び、1または複数の側面を有する。また、サブマウント230は上下方向の幅が最も小さい。なお、形状は直方体に限らなくてよい。サブマウント230は、例えば、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いて形成されるが、他の材料を用いてもよい。また、サブマウント230の上面には、例えば、金属膜が設けられている。
サブマウント230は、例えば、直方体の形状で構成され、下面、上面、及び、1または複数の側面を有する。また、サブマウント230は上下方向の幅が最も小さい。なお、形状は直方体に限らなくてよい。サブマウント230は、例えば、窒化アルミニウム、又は炭化ケイ素を用いて形成されるが、他の材料を用いてもよい。また、サブマウント230の上面には、例えば、金属膜が設けられている。
(光学部材240)
光学部材240は、光透過部241と、光反射部242とを有する。光透過部241は、光を透過する透過面を有する。光反射部242は、光を反射する反射面を有する。なお、光学部材240は、光透過部241または光反射部242のいずれか一方を有して構成することもできる。
光学部材240は、光透過部241と、光反射部242とを有する。光透過部241は、光を透過する透過面を有する。光反射部242は、光を反射する反射面を有する。なお、光学部材240は、光透過部241または光反射部242のいずれか一方を有して構成することもできる。
光透過部241は、上面241aと、上面241aの反対面である下面241bと、上面241a及び下面241bと交わる1又は複数の側面とを有する。1又は複数の側面は、上面241aの外縁と下面241bの外縁とに接続する。
光透過部241の上面241a及び下面241bは何れも矩形である。図1~図4に例示的に図示される発光装置200では、光透過部241は光の入射面となる第1側面241cを含む4つの側面を有する。
第1側面241cは、下側第1側面領域と、上側第1側面領域と、を有する。下側第1側面領域及び上側第1側面領域は、同一平面上に設けられてもよいし、例えば段差形状のように、異なる平面上に設けられてもよい。図4の例では、第1側面241cは、段差形状の表面を構成し、下面241bと接続する下側第1側面領域が、上面241aと接続する上側第1側面領域に対して窪んでいる。第1側面241cは、光反射部242に設けられた開口部242x内に露出している。第1側面241cの下側第1側面領域は、光反射部242に設けられた開口部242x内に露出し、上側第1側面領域は露出せずに光反射部242に覆われている。
光透過部241は、光を透過する透光性を有する。光透過部241は、例えば、400nm以上760nm以下の波長範囲の光に対して透光性を有してもよい。本願において「光に対して透光性を有する」とは、当該光に対する透過率が80%以上であることを指す。また、当該光が、ある波長範囲に亘った光である場合には、少なくとも当該光のピーク波長に対する透過率が80%以上であることを指す。
光透過部241には、光が照射されるため、光透過部241の母材は、光の照射により分解されにくい無機材料を主材料に用いて形成することが好ましい。主材料は、例えば、セラミックスである。主材料は、サファイアや石英であってもよい。光透過部241の主材料がセラミックスである場合、セラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、又は酸化マグネシウムが挙げられる。セラミックスの主材料は、光透過部241に熱による変形や変色等の変質が生じないように、融点が1300℃~2500℃の材料を選択することが好ましい。光透過部241は、例えば、セラミックスを主材料として形成された焼結体である。なお、主材料とは、その構成要素において、重量比または体積比で、最も多くの割合を占める材料である。また、主材料には、他の材料が含まれない、つまり、主材料のみでその構成要素を形成することも含み得る。
光学部材240が波長変換部材であってもよい。この場合、光透過部241が蛍光体を有する波長変換部であってもよい。光透過部241が波長変換部である場合、光透過部241は、例えば、入射面である第1側面241cから入射した光を異なる波長の光に変換し、変換された光を出射面である上面241aから出射させることができる。光透過部241は、入射した光の一部を出射してもよい。光透過部241は、入射した光をすべて異なる波長の光に変換してもよい。また、選択的に、あるいはこれと併合的に、波長変換部材または波長変換部の上面に、波長変換された光を透過し、入射した光を反射する、DBR(Distributed Bragg Reflector)膜等の光学膜を設けてもよい。このようにして、光透過部241に入射した光を、光透過部241から出射させない構成とすることもできる。
光透過部241が波長変換部である場合、光透過部241は、例えば、蛍光体と、酸化アルミニウム等の透光性材料とを焼結させて形成できる。蛍光体の含有量は、セラミックスの総体積に対して0.05体積%~50体積%とすることができる。また、例えば、蛍光体の紛体を焼結させた、実質的に蛍光体のみからなるセラミックスを用いてもよい。また、光透過部241は、蛍光体の単結晶で形成されてもよい。
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サイアロン蛍光体等が挙げられる。なかでも、YAG蛍光体は、耐熱性が良好である。
例えば、光透過部241がYAG蛍光体を有する場合、第1側面241cから青色の励起光が入射すると、青色の励起光と黄色の蛍光とを組み合わせて白色光を上面241aから出射できる。また例えば、光透過部241がLAG蛍光体を有する場合、第1側面241cから青色の励起光を入射させ、青色の励起光は出射させずに緑色の蛍光を上面241aから出射させることもできる。
光反射部242は、上面と、上面の反対面である下面と、上面の内縁と下面の内縁とを接続する1又は複数の内側面と、上面の外縁と下面の外縁とを接続する1又は複数の外側面とを有する。光反射部242は、1または複数の内側面において、光に対する反射率が80%以上100%以下である。
光反射部242は、少なくとも光透過部241の第1側面241c以外の全ての側面を覆う。光反射部242は、例えば、光透過部241の第1側面241cを被覆しなくてもよい。この場合、光反射部242の上面の形状は、例えば、第1側面241c側に開口する略U字型となる。光反射部242の2つの外側面と、光透過部241の第1側面241cは、例えば、連続する1つの平面を形成してもよい。
図2~図4に例示的に図示される発光装置200のように、光反射部242は、光透過部241の第1側面241cの一部を覆う。光反射部242は、光学部材240の外側からくる光を第1側面241cに入射させる開口を画定する開口部242xを有してもよい。開口は、例えば、矩形であるが、矩形には限定されず、円形、楕円形、多角形等の任意の形状とすることが可能である。
光反射部242は、光透過部241の第1側面241cのうち、光学部材240の外側からくる光が入射する領域の上方及び両側方を覆うようにしてもよい。光反射部242によって、第1側面241cのうち、下側第1側面領域の一部と、上側第1側面領域の全部が覆われる。この場合、光反射部242の上面の形状は、例えば、中央側に開口を有する枠型となる。開口は、例えば、矩形であるが、矩形には限定されず、円形、楕円形、多角形等の任意の形状とすることが可能である。
光反射部242は、例えば、セラミックスを主材料として形成された焼結体である。主材料に用いられるセラミックスとしては、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム等が挙げられる。これらの中でも、酸化アルミニウムは高反射率である点で好ましい。なお、光反射部242は、セラミックスを主材料としなくてもよい。光反射部242は、例えば、金属や、セラミックスと金属の複合体や、樹脂等を用いて形成されてもよい。
光学部材240において、光反射部242の内側面は、光透過部241の側面の一部と接続する。光透過部241の上面と光反射部242の上面は、連続する1つの平面を形成してもよい。また、光透過部241の下面と光反射部242の下面は、連続する1つの平面を形成してもよい。
光学部材240において、光透過部241と光反射部242は一体的に形成することができる。光透過部241と光反射部242を別々に形成し、これらを接合して光学部材240を形成してもよい。光透過部241と光反射部242とは、例えば、焼結体によって一体的に形成される。例えば、光透過部241の焼結体を形成した上で、光透過部241と一体的に光反射部242の焼結体を形成することで、一体焼結体を形成することができる。このとき、光透過部241の形成工程、及び、光反射部242の形成工程のそれぞれにおいて、形成される焼結体に含まれる空隙の割合(空隙率)を調整することも可能である。空隙率は、焼結条件(焼結温度、焼結時間、昇温速度)、材料の粒径、焼結助剤の濃度等により調整できる。
例えば、同じセラミックスを主材料として光透過部241と光反射部242を形成する場合、光反射部242の空隙率を光透過部241の空隙率よりも大きくする。つまり、光反射部242が光透過部241よりも多くの空隙を含むように光学部材240を形成する。この場合、光反射部242の空隙率が10%程度となるように、焼結条件を調整することが好ましい。これにより、光透過部241の側面と光反射部242の内側面との境界に空気による反射領域が形成され、光透過部241側から光反射部242の内側面に当たる光を光透過部241側に反射させることができる。
なお、光学部材240は、上面に反射防止膜(例えば、後述の反射防止膜243)を有してもよい。反射防止膜は、光透過部241の上面241a、あるいは、光透過部241の上面241a及び光反射部242の上面に設けることができる。また、光学部材240は、光透過部241の下面241b及び光反射部242の下面に、金属膜(例えば、後述の金属膜244)を有してもよい。また。光学部材240は、第1側面241cに、反射膜(例えば、後述の反射膜245)を有してもよい。この反射膜は、少なくとも、開口部242x内に露出する光透過部241の第1側面241cに設けられる。
(保護素子250)
保護素子250は、半導体レーザ素子等の特定の素子を保護するための構成要素である。例えば保護素子250は、半導体レーザ素子等の特定の素子に過剰な電流が流れて破壊されることを防ぐための構成要素である。保護素子250としては、例えば、Siで形成されたツェナーダイオードを使用できる。また例えば、保護素子250は、特定の素子が温度環境によって故障しないように温度を測定するための構成要素であってもよい。このような温度測定素子としては、サーミスタを使用できる。温度測定素子は、発光素子220の光出射面の近くに配置するのがよい。
保護素子250は、半導体レーザ素子等の特定の素子を保護するための構成要素である。例えば保護素子250は、半導体レーザ素子等の特定の素子に過剰な電流が流れて破壊されることを防ぐための構成要素である。保護素子250としては、例えば、Siで形成されたツェナーダイオードを使用できる。また例えば、保護素子250は、特定の素子が温度環境によって故障しないように温度を測定するための構成要素であってもよい。このような温度測定素子としては、サーミスタを使用できる。温度測定素子は、発光素子220の光出射面の近くに配置するのがよい。
(配線270)
配線270は、両端を接合部とする線状の形状を有する導電体から構成される。言い換えると、配線270は、線状部分の両端に、他の構成要素と接合する接合部を有する。配線270は、2つの構成要素間の電気的な接続に用いられる。配線270としては、例えば、金属のワイヤを用いることができる。金属としては、例えば、金、アルミニウム、銀、銅、タングステンなどが挙げられる。
配線270は、両端を接合部とする線状の形状を有する導電体から構成される。言い換えると、配線270は、線状部分の両端に、他の構成要素と接合する接合部を有する。配線270は、2つの構成要素間の電気的な接続に用いられる。配線270としては、例えば、金属のワイヤを用いることができる。金属としては、例えば、金、アルミニウム、銀、銅、タングステンなどが挙げられる。
(光学部材240の製造方法)
図5~図9は、本実施形態に係る光学部材の製造方法を例示する図である。まず、図5に示すように、例えば、上面視で、所定間隔で行列状に配置された複数の光透過部241と、各々の光透過部241の側面を取り囲む1つの光反射部242とを有するウェハ240Wを準備する(第1工程)。ウェハ240Wにおいて、各々の光透過部241の上面及び下面は、光反射部242から露出している。各々の光透過部241の上面と光反射部242の上面は、連続する1つの平面を形成してもよい。また、各々の光透過部241の下面と光反射部242の下面は、連続する1つの平面を形成してもよい。
図5~図9は、本実施形態に係る光学部材の製造方法を例示する図である。まず、図5に示すように、例えば、上面視で、所定間隔で行列状に配置された複数の光透過部241と、各々の光透過部241の側面を取り囲む1つの光反射部242とを有するウェハ240Wを準備する(第1工程)。ウェハ240Wにおいて、各々の光透過部241の上面及び下面は、光反射部242から露出している。各々の光透過部241の上面と光反射部242の上面は、連続する1つの平面を形成してもよい。また、各々の光透過部241の下面と光反射部242の下面は、連続する1つの平面を形成してもよい。
具体的には、まず、複数の光透過部241を準備し、各々の光透過部241を所定間隔で支持体上に仮止めする。各々の光透過部241は、例えば、蛍光体を含まないセラミックスであってもよいし、蛍光体を含むセラミックスであってもよい。次に、支持体上に、各々の光透過部241の上面及び側面を取り囲むように、成形体を形成する。成形体は、例えば、セラミックスを主材料とする光反射粉末を含む。成形体は、スリップキャスト法、ドクターブレード法(シート成形法)、乾式成形法などを用いて成形することができる。次に、支持体を除去後、光透過部241及び成形体を所定温度で焼成する。このとき、成形体が光透過部241よりも多くの空隙を含むように、成形体の焼結条件を調整することが好ましい。焼成後、光透過部241の上面を覆う成形体を研磨等により除去し、光透過部241の上面を露出させる。また、必要に応じ、光透過部241及び成形体の下面側を研磨等により平坦化する。これにより、複数の光透過部241と、各々の光透過部241の側面を取り囲む1つの光反射部242とを有するウェハ240Wが得られる。以降は、図5の1つの光透過部241及びその周囲の光反射部242の縦断面図を用いて説明する。
次に、図6に示すように、必要に応じて、ウェハ240Wの上面全体に反射防止膜243を成膜してもよい(第2工程)。反射防止膜243は、例えば、Nb2O5/SiO2、Ta2O5/SiO2、Al2O3/SiO2、ZrO2/SiO2、ZrO2/Al2O3等の誘電体多層膜を1または複数積層させて形成することができる。反射防止膜243は、例えば、スパッタ法により形成できる。反射防止膜243を設けることで、光透過部241の上面から外部に出射しようとする光が光透過部の上面で内部に反射されることを抑制でき、光透過部241の上面から外部に出射される光の出射効率を高めることができる。
次に、図7に示すように、必要に応じて、ウェハ240Wの下面全体に金属膜244を成膜してもよい(第3工程)。金属膜244には、例えば、Ti/Ag/Ti/Pt/Au(Ti、Ag、Ti、Pt、Auの順で積層した金属膜)やTi/Al/Ti/Pt/Au(Ti、Al、Ti、Pt、Auの順で積層した金属膜)などを用いることができる。金属膜244は、例えば、スパッタ法により形成できる。金属膜244は、光学部材240を他の部材と接合する際に使用できる。また、光学部材240の下面に設けられた金属膜244は、光透過部241の下面に達した光を上方に反射させる光反射膜として機能できる。金属膜244を構成する金属の中で、AgやAlは比較的反射率の高い金属であるため、光透過部241の下面に達した光を上方に反射させて光透過部241の上面から外部に出射される光の出射効率を高めることができる。なお、金属膜244に代えて、金属以外の材料を用いて形成される光反射膜を採用してもよい。例えば、Nb2O5/SiO2、TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2等の誘電体多層膜を1または複数積層させて光反射膜を形成することができる。
次に、図8に示すように、上面から下面まで貫通しないように、光透過部241、及び光反射部242の一部を除去し、ウェハ240Wの下面側に開口する開口部242xを形成する(第4工程)。例えば、ウェハ240Wの下面側から所定の高さまでマシニング加工等を行って金属膜244、光透過部241、及び光反射部242の一部を除去し、ウェハ240Wの下面側に開口する開口部242xを形成する。これにより、開口部242x内に、光透過部241の側面の一部が露出する。
次に、図9に示すように、光反射部242を切断し、複数の光学部材240に個片化する(第5工程)。上面視で第4工程によって除去された部分に重なる光反射部242が残るように、光反射部242は切断される。上面視で、光透過部241の全周を光反射部242が囲うように、光反射部242は切断される。光透過部241の上面は、全周が光反射部242によって囲まれる一方で、光透過部241の下面は、部分的に光反射部242に囲まれない。上面視で、第4工程によって除去された部分を通るように、上下方向に光反射部242は切断される。1つの光学部材240が1つの光透過部241と、光透過部241の側面を取り囲む1つの光反射部242とを含むように、ブレードやレーザ等を用いてウェハ240Wを切断し、複数の光学部材240に個片化する。例えば、上面視で、光反射部242を、光透過部241の配列方向に沿って格子状に切断する。
なお、図8に示す工程よりも後に、図10に示すように、開口部242x内に露出する光透過部241の側面に、反射膜245を形成する工程を設けてもよい。反射膜245は、開口部242x内において、光透過部241の側面の上端から光反射部242側に延伸してもよい。反射膜245は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学膜である。反射膜245として、例えば、DBR膜が用いられる。DBR膜は、例えば、屈折率の異なる膜を1/4波長の厚みで交互に積層することにより、所定の波長を高効率に反射させることができる。DBR膜は、例えば、Si、Ti、Zr、Nb、Ta、Alからなる群より選択された少なくとも一種の酸化物または窒化物を含んで形成できる。反射膜245を設けることで、光学部材240が波長変換部材である場合に、外部から波長変換部材に入射する光を波長変換部となる光透過部241側に透過し、波長変換部によって波長変換された光を90%以上反射することができる。
(発光装置200)
発光装置200において、基部211の上面211aには、サブマウント230が配置されている。サブマウント230の下面は、例えば、基部211の上面211aに形成された金属膜の上面に接合される。
発光装置200において、基部211の上面211aには、サブマウント230が配置されている。サブマウント230の下面は、例えば、基部211の上面211aに形成された金属膜の上面に接合される。
発光素子220は、基部211の上面211aに配置され、枠部212に囲まれる。上面211aに配置された発光素子220は、側方に進む光を出射する。具体的には、発光素子220は、サブマウント230上に載置され、サブマウント230を介して基部211に配置されている。
発光素子220は、光出射面が、サブマウント230の1つの側面と同一方向を向くように配置される。また、発光素子220の光出射面は、例えば、枠部212の内側面212c又は外側面212dと平行又は垂直になる。
また、図11に示すように、発光素子220は、例えば、上面視で、発光素子220の光出射面を含む平面と枠部212の上面212aによって画定される枠とが交わる2点A及びBの中心Cを通り、光出射面に垂直な仮想線L1が通過する位置に配置される。発光素子220の上面は、仮想線L1に対して線対称であってもよい。すなわち、発光素子220は、例えば、上面視で、光出射面に平行な方向に関し、枠の中央に配置される。光出射面と交わる発光素子220の2つの側面は、例えば、仮想線L1と平行になる。
なお、点A及びBはそれぞれ、上面視で、発光素子220の光出射面を通る平面と内側面212cとの交点ということができる。点Aに係る内側面212cと、点Bに係る内側面212cとは対向する。なお、いずれの内側面212cも、段差部214の側面ではない。
あるいは、点A及びBはそれぞれ、上面視で、発光素子220から出射される光の光軸に垂直な仮想線と内側面212cとの交点とすることもできる。点Aに係る内側面212cと、点Bに係る内側面212cとは対向する。なお、いずれの内側面212cも、段差部214の側面ではない。
また、図11に示すように、発光素子220は、例えば、上面視で、2点D及びBの中心Eを通り、光出射面に垂直な仮想線L2が通過しない位置に配置される。点Dは、上面視で、発光素子220の光出射面を含む平面と段差部214の側面とが交わる点である。点Bは、発光素子220を挟んで段差部214の側面に対向する内側面212cと発光素子220の光出射面を含む平面とが交わる点である。
段差部214は、仮想線L1の一方側のみに設けられ、他方側には設けられていない。段差部214は、光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの一方の側面と対向する位置に設けられ、かつ、他方の側面と対向する位置には設けられない。両側面に段差部を設けるよりも、発光装置200を小型化することができる。
光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの一方の側面は、段差部214の側面と対向する。光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの一方の側面は、例えば、段差部214の側面と平行になる。光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの他方の側面は、段差部214の側面とは対向せずに、枠部212の内側面212cと対向する。光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの他方の側面は、例えば、枠部212の内側面212cの1つと平行になる。
段差部214の上面214aは、例えば、基部211の上面211aを基準として、発光素子220の上面の高さよりも高い。段差部214の側面は、例えば、仮想線L1を挟んで対向する枠部212の1つの内側面212cと平行になる。
発光素子220は、例えば、上面視で、光出射面に平行な方向に関し、サブマウント230の中央よりも段差部214に近い領域に配置される。このように、発光素子220を段差部214に近い側に配置することで、発光素子220をパッケージ210の中央に配置できる。なお、サブマウント230の上面に保護素子250が配置されてもよい。保護素子250は、例えば、上面視で、発光素子220に対して段差部214とは反対側に配置される。
発光素子220が配されたサブマウント230は、発光装置200において、発光素子220から発生した熱を逃がす放熱部材としての役割を果たすことができる。サブマウント230を放熱部材として機能させるには、発光素子220よりも熱伝導率の良い材料で形成すればよい。サブマウント230の上面は、仮想線L1に対して段差部214と反対側に位置する領域の面積が、仮想線L1に対して段差部214側に位置する領域の面積よりも大きい。このように、サブマウント230を段差部214が設けられていない側に伸ばすことで、サブマウント230の上面及び下面の面積を拡大できるため、放熱性能を向上できる。または、保護素子250を配置するスペースを確保できる。
発光装置200において、配線270により、発光素子220及び保護素子250が、基部211と電気的に接続される。図示される発光装置200における配線270は、保護素子250をツェナーダイオードとした例であるが、保護素子250が温度測定素子であった場合には、図とは異なる配線270の接続となることがある。
発光素子220は、配線270を介して、段差部214の上面214aに設けられた金属膜215と電気的に接続されている。配線270は、主に、仮想線L1の段差部214側に設けられる。このように、段差部214を、光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの一方の側面と対向する位置のみに設け、配線270を発光素子220の一方の側面側に集中させることで、発光装置200の小型化が可能となる。
発光装置200は、複数の配線270を有している。複数の配線270には、両端のうちの一端の接合部が段差部214に接合され、他端の接合部がサブマウント230上の仮想線L1よりも段差部214から離れた位置に接合される配線270が含まれる。
発光素子220と外部電源との電気的な接続には、例えば、パッケージ210の下面に設けられた金属膜を利用することができる。これにより、ビアホールに設けられた金属材料を介して金属膜215と電気的に接続された枠部212の上面212aの金属膜を介して、発光素子220と外部電源とを電気的に接続できる。
光学部材240は、基部211に配置される。光学部材240は、基部211の上面211aに配置される。光学部材240は、発光素子220の光出射面から出射される光が入射する第1側面241cと、光を出射する上面241aとを有する。光学部材240の光透過部241は、例えば、上面視で、仮想線L1が通過する位置に配置される。光透過部241の上面241aは、仮想線L1に対して線対称であってもよい。また、光反射部242の上面は、仮想線L1に対して線対称であってもよい。仮想線L1は、上面視で、例えば、発光素子220の光軸と一致し、光透過部241の中心を通って枠部212の内側面212cの1つと交わる。
発光素子220から出射された光は、光学部材240の方向に向かって進行し、光反射部242の開口部242xによって画定される開口を通り、光透過部241の第1側面241cに入射する。開口部242xは、発光素子220の光出射面から出射された光を第1側面241cに入射させる開口を画定するといえる。第1側面241cに入射した光に基づき、光透過部241の上面241aから光が出射される。ここで、入射した光に基づいて出射される光とは、例えば、入射した光であり、また例えば、入射した光に基づいて波長変換された光である。
発光素子220の光出射面は、光透過部241の第1側面241cと対向する。発光素子220の光出射面は、例えば、光透過部241の第1側面241cと平行になる。段差部214の上面214aは、例えば、基部211の上面211aを基準として、光透過部241の上面241aの高さよりも低い位置にある。このような高さにすることで、上面241aから上方に出射された光が直接に段差部214に照射されなくなる。
光透過部241が波長変換部である場合、発光素子220から出射される光(第1の光)は、光透過部241の第1側面241cに入射し、波長変換部によって第1の光とは異なる波長の光(第2の光)に変換される。第1側面241cから入射した第1の光が上面241aから出射される。また、変換された第2の光が上面241aから出射される。第1の光、及び第2の光が、光透過部241の上面241aから上方へと出射される。このように、側面に光の入射面が設けられ、上面に光の出射面が設けられた波長変換部材を配置することで、側方から上方への光路変換及び波長変換を実現することができる。これにより、例えば、ミラーで光路変換し、蛍光体で波長変換するといったように、別個に部材を配置するよりも、発光装置200を小型化することができる。
第1の光、及び/又は第2の光は、光反射部242で反射されて光透過部241の上面241a側に進み、光透過部241の上面241aから出射される。これにより、効率的に、上面241aから光を出射させることができる。
第1側面241cにおいて、発光素子220から出射される光を透過し、波長変換部によって波長変換された光を反射する反射膜245を設けることができる。この反射膜245により、波長変換部で波長変換された光を効率的に上面241aから出射させることができる。また、光透過部241の下面に設けられた金属膜244は、第1の光及び第2の光を反射する光反射膜となる。
蓋部213は、枠部212の上面212aに配置される。詳細には、蓋部213は枠部212の上面212aに支持され、枠部212に囲まれる発光素子220の上方に配置される。蓋部213の下面の外周部は、例えば、枠部212の上面212aと接合される。例えば、蓋部213の下面の外周部に設けられた金属膜と、枠部212の上面212aに設けられた金属膜とがAu-Sn等を介して接合し固定される。
蓋部213が枠部212の上面212aに接合されることで、発光素子220が配された閉空間が形成される。また、この閉空間は気密封止された状態で形成される。気密封止されることで、発光素子220の光出射面に有機物等が集塵することを抑制できる。
蓋部213は、光透過部241の上面241aから出射された光を透過させて外部に出射させる透光部213tを有している。つまり、光透過部241の上面241aから蓋部213側に出射された光は、蓋部213の透光部213tを透過して発光装置200の外部に出射される。主材料によって構成される蓋部213の全体が透光部であってもよい。蓋部213の透光部213tは、発光素子220から出射される光及び光学部材240から発せられる光の50%以上、さらには70%以上を透過させることが好ましい。
発光装置200において、枠部212は、発光素子220から出射される光と同じ波長範囲の光を遮光する遮光部を有する。図12に示すように、枠部212の遮光部は、発光素子220の光出射面から出射された主要部分の光に関し、光出射面から最も上方に向かって出射され光学部材240に入射するまでの光路の延長線L3上に配置されている。
蓋部213の透光部213tは、発光素子220の光出射面から出射された主要部分の光に関し、光出射面から最も上方に向かって出射され光学部材240に入射するまでの光路の延長線L3上であって、この延長線が枠部212の遮光部と交わるよりも手前の線分上には配置されていない。このように配置することで、何らかの原因により発光素子220からの光が光学部材240を通らずに進行したとしても、この光が枠部212の遮光部あるいは蓋部213の遮光部213sに直接入射するため、直接蓋部213の透光部213tから出射されることを防ぐことができる。
蓋部213は、発光素子220の光出射面から出射された主要部分の光に関し、光出射面から最も上方に向かって出射され光学部材240に入射するまでの光路の延長線L3上であって、この延長線が枠部212の遮光部と交わるよりも手前の線分上には配置されていない。このように配置することで、何らかの原因により発光素子220からの光が光学部材240を通らずに進行したとしても、この光が枠部212の遮光部に直接入射するため、直接蓋部213の透光部213tから出射されることを防ぐことができる。
なお、ここでの延長線L3を規定する主要部分の光は、ピーク強度値に対する1/e2以上の強度を有する光であることが望ましいが、ピーク強度値に対する半値以上の強度を有する光であってもよい。
例えば、図11において、仮想線L1と交わる内側面212cを含む部分が枠部212の遮光部となる。枠部212の遮光部は、発光素子220から出射される光と同じ波長範囲の光を90%以上透過させない。枠部212の遮光部は、発光素子220から出射される光と同じ波長範囲の光を95%以上透過させないことが好ましく、99%以上透過させないことがさらに好ましい。透過させない手段として、光を吸収させることが好ましい一手段といえる。光を吸収させる場合、上述の割合で吸収させるとよい。なお、主材料によって構成される枠部212の全体が遮光部であってもよい。
このように、波長変換部材としての光学部材240を備える発光装置200では、発光素子220から側方に出射された光を光路変換することなく、光学部材240の光透過部241に直接入射させる。そのため、発光素子から側方に出射された光を光反射部材で上方に光路変換して光透過部に入射させる構造のように、発光素子220と光透過部241との間に他の部材が介在しない。その結果、発光装置200の小型化が可能である。
また、従来の発光装置では、安全性への配慮から、光透過部が破損したときに発光素子を消灯させる破壊検知制御の仕組みを有するものがある。これに対して、発光装置200では、発光素子220から側方に出射された光を光路変換することなく、光学部材240の光透過部241に直接入射させる。そのため、仮に光透過部241が破損し、発光素子220から側方に出射された光が光透過部241に入射しなくなったとしても、発光素子220から側方に出射された光の光路上に位置する枠部212の遮光部に当たって遮光部に吸収され、発光装置200の外部に出射されることがない。その結果、光透過部241が破損したときに発光素子220を消灯させる破壊検知制御の仕組みを設けなくても、十分に安全性を確保できる。つまり、安全性の確保された発光装置200において、小型化を実現できる。
また、発光装置200は、光出射面と交わる発光素子220の2つの側面のうちの一方の側面と対向する位置に段差部214を設け、かつ、他方の側面と対向する位置には段差部を設けていない。そして、上面視で発光素子220の光出射面に平行な方向に関し、枠部212の上面212aによって画定される枠の中央に発光素子220を配置している。これにより、発光素子220を中央に配置しつつ、小型の発光装置200を実現できる。
なお、光透過部241が波長変換部でない場合、発光素子220から光透過部241に入射した光は光反射部242で反射を繰り返し、光透過部241の上面241aから出射される。また、波長変換の必要がない場合、光学部材240は、光透過部241と光反射部242を含む構成でなくてもよい。例えば、光学部材240は、発光素子220から入射した光を蓋部213側に反射させる傾斜面を有するミラーであってもよい。或いは、光学部材240は、発光素子220から入射した光を蓋部213側に偏向走査させるMEMSミラーであってもよい。
発光装置200は、例えば、車載ヘッドライトに利用できる。また、発光装置200は、これに限らず、照明、プロジェクター、ヘッドマウントディスプレイ、その他ディスプレイのバックライト等の光源に利用できる。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、前述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、前述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
200 発光装置
210 パッケージ
211 基部
211a 上面
211b 下面
212 枠部
212a 上面
212c 内側面
212d 外側面
213 蓋部
213a 上面
213b 下面
213c 側面
213s 遮光部
213t 透光部
214 段差部
214a 上面
215 金属膜
220 発光素子
230 サブマウント
240 光学部材
240W ウェハ
241 光透過部
241a 上面
241b 下面
241c 第1側面
242 光反射部
242x 開口部
243 反射防止膜
244 金属膜
245 反射膜
250 保護素子
270 配線
210 パッケージ
211 基部
211a 上面
211b 下面
212 枠部
212a 上面
212c 内側面
212d 外側面
213 蓋部
213a 上面
213b 下面
213c 側面
213s 遮光部
213t 透光部
214 段差部
214a 上面
215 金属膜
220 発光素子
230 サブマウント
240 光学部材
240W ウェハ
241 光透過部
241a 上面
241b 下面
241c 第1側面
242 光反射部
242x 開口部
243 反射防止膜
244 金属膜
245 反射膜
250 保護素子
270 配線
Claims (13)
- 基部と、枠部と、蓋部と、を有するパッケージと、
前記基部の上面に配置され、前記枠部に囲まれ、側方に進む光を出射する発光素子と、
前記基部に配置され、前記発光素子の光出射面から出射される光が入射する第1側面と、光を出射する上面と、を有する波長変換部材と、
を備え、
前記枠部は、前記発光素子から出射される光と同じ波長範囲の光を遮光する遮光部を有し、
前記蓋部は、前記波長変換部材の上面から出射された光を透過させて外部に出射させる透光部を有し、
前記遮光部は、前記光出射面から出射された主要部分の光に関し、前記光出射面から最も上方に向かって出射され前記波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上に配置されており、
前記透光部は、前記主要部分の光に関し、前記光出射面から最も上方に向かって出射され前記波長変換部材に入射するまでの光路の延長線上であって、前記延長線が前記遮光部と交わるよりも手前の線分上には配置されていない、発光装置。 - 前記パッケージはさらに、前記基部の上面よりも上方、かつ、前記枠部の上面よりも下方に位置する上面を有した段差部を有し、
前記段差部の上面には金属膜が設けられ、
前記発光素子は、配線を介して、前記金属膜と電気的に接続される、請求項1に記載の発光装置。 - 前記段差部は、前記光出射面と交わる前記発光素子の2つの側面のうちの一方の側面と対向する位置に設けられ、かつ、他方の側面と対向する位置には設けられない、請求項2に記載の発光装置。
- 前記発光素子が載置されるサブマウントをさらに有し、
前記発光素子は、上面視で、前記光出射面に平行な方向に関し、サブマウントの中央よりも前記段差部に近い領域に配置される、請求項2または3に記載の発光装置。 - 前記発光素子は、上面視で、前記光出射面を含む平面と前記枠部の上面によって画定される枠とが交わる2点の中心を通り、前記光出射面に垂直な仮想線が通過する位置に配置される、請求項4に記載の発光装置。
- 前記波長変換部材は、
前記第1側面と前記光が出射される上面とを有する波長変換部と、少なくとも前記波長変換部の前記第1側面以外の全ての側面を覆う光反射部と、を有する、請求項1から5のいずれか1項に記載の発光装置。 - 前記光反射部はさらに、前記第1側面の一部を覆い、
前記光出射面から出射された光を前記第1側面に入射させる開口を画定する開口部を有する、請求項6に記載の発光装置。 - 前記光反射部は、前記第1側面のうち、前記発光素子からの光が入射する領域の上方及び両側方を覆う、請求項7に記載の発光装置。
- 前記波長変換部は、蛍光体を有する、請求項6から8のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記波長変換部と前記光反射部はいずれも焼結体であり、セラミックスを主材料とし、一体的に形成されている、請求項6から9のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記第1側面に設けられ、前記発光素子から出射される光を透過し、前記波長変換部によって波長変換された光を反射する反射膜を有する、請求項6から10のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記波長変換部材の上面に、反射防止膜を有する、請求項1から11のいずれか1項に記載の発光装置。
- 前記波長変換部材の下面に、光反射膜を有する、請求項1から12のいずれか1項に記載の発光装置。
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