JP3240859U - レーザ蛍光体一体型光源 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度かつ高効率で費用対効果の高い、レーザ蛍光体一体型光源を提供する。【解決手段】蛍光体一体型レーザベース光源は、レーザダイオードチップ１に隣接してパッケージベースに配置された熱伝導性材料２と、熱伝導性材料に結合された光透過性材料３とを備える。熱伝導性材料と光透過性材料との間に溝が延在し、レーザダイオードチップからの電磁放射を受けるように位置合わせされる。波長変換材料４は、光透過性材料に結合されており、溝内に放出されて、光透過性材料を透過する電磁放射の少なくとも一部を受けるように構成される。反射材料５は、光透過性材料および波長変換材料の側面を囲んでいる。【選択図】図１Ａ

Description

固体照明技術によってもたらされる高効率、長寿命、低コスト、および無毒性により、発光ダイオード（ＬＥＤ）が、好ましい照明技術として急速に浮上してきている。ＬＥＤは、一般的にｐ－ｉ－ｎ接合ダイオードに基づく２線式半導体光源であり、作動時に電磁放射を放出する。ＬＥＤからの発光は自発的であり、通常はランバートパターンとなる。適切な電圧がリード線に印加されると、電子と正孔とがデバイス内で再結合し、光子の形態でエネルギを放出する。この作用はエレクトロルミネセンスと呼ばれ、光の色は、半導体のエネルギバンドギャップによって定まる。

ＧａＮ系ＬＥＤを、蛍光体などの波長変換材料と組み合わせることにより、固体白色光源が実現された。このような、ＧａＮ系ＬＥＤおよび蛍光体材料を用いて白色光を生成する技術は、低エネルギ消費、長寿命、物理的堅牢性の向上、小型化、および高速スイッチングを含め、白熱光源を超える多くの利点の結果として、いまや我々の周囲を照明している。発光ダイオードは、現在、航空照明、自動車用ヘッドランプ、広告、一般照明、交通信号機、およびカメラ用フラッシュなどの多様な用途に使用されている。ＬＥＤは、新たなテキスト、ビデオディスプレイ、およびセンサの開発を可能にし、それらの高いスイッチング速度は、高度な通信技術においても有用である。

ＬＥＤは、有用である一方、以下に記載する本考案によって克服することが望ましい制限を依然として有する。

本考案は、ガリウムおよび窒素含有材料に基づくレーザダイオード励起源と、蛍光体材料に基づく発光源との組み合わせを使用する一体型白色電磁放射源についてのデバイスおよび方法を提供する。本考案では、ガリウムおよび窒素含有材料に基づく紫色、青色、またはその他の波長のレーザダイオード源が、黄色蛍光体などの蛍光体材料と密接に一体化され、コンパクトで、高輝度かつ高効率の白色光源を形成する。一例において、この光源は、全般的な用途の中でも、特定の用途などのために提供することが可能である。

一態様によれば、蛍光体一体型レーザベース光源は、パッケージベースと、前記パッケージベースに結合されて、ガリウムおよび窒素含有材料を備え、出力ファセットから電磁放射のレーザビームを出力するように構成され、前記電磁放射を第１の波長で放出するように構成されたレーザダイオードチップと、前記パッケージベースに結合され、前記レーザダイオードチップに隣接して前記パッケージベースに配置された熱伝導性材料であって、反射コーティングを有した上面を有する熱伝導性材料と、前記熱伝導性材料の前記上面に結合された光透過性材料であって、前記熱伝導性材料の一部と前記光透過性材料の一部との間に溝が延在し、当該溝が、前記レーザダイオードチップからの前記電磁放射を受けるように、前記レーザダイオードチップと位置合わせされる、光透過性材料と、前記光透過性材料に結合された波長変換材料であって、前記溝内に放出されて、前記光透過性材料を透過する前記電磁放射の少なくとも一部を受けるように構成され、前記第１の波長を有した前記レーザビーム内の前記電磁放射の少なくとも一部を、前記第１の波長よりも長い第２の波長に変換するように構成された波長変換材料と、前記光透過性材料および前記波長変換材料の側面を囲む反射材料であって、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面に入射する一部の前記電磁放射を反射するように構成される反射材料とを備え、前記波長変換材料は、前記第１の波長を有した第１の部分と、前記第２の波長を有した第２の部分とを含む光を、上面から放出するように構成される。

一態様において、前記溝は、多角形の形状を有する部分を含む。

別の態様において、前記溝は、前記熱伝導性材料の上面に形成され、前記熱伝導性材料の側面から延在しており、前記溝は、前記電磁放射の少なくとも一部を、前記光透過性材料に向けて上方向に反射する。

別の態様において、前記熱伝導性材料は、ケイ素（Ｓｉ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。

別の態様において、前記溝は、前記光透過性材料の下面に形成され、前記光透過性材料の側面から延在する。

別の態様において、前記光透過性材料は、単結晶炭化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、またはガーネットもしくはスピネル族からの透明結晶である。

別の態様において、前記電磁放射は、４００ｎｍ～４８５ｎｍの範囲の第１の波長である。

別の態様において、前記溝の側面は、反射コーティングで覆われる。

別の態様において、前記反射材料は、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面を完全に覆う。

別の態様において、前記波長変換材料の前記上面から放出される光は、白色光である。

別の態様において、前記レーザダイオードチップは、それぞれが前記パッケージベースに結合されて前記溝の一部と位置合わせされた複数のレーザダイオードチップからなる。

更に別の態様において、表面実装デバイス（ＳＭＤ）が、前記蛍光体一体型レーザベース光源を備える。

別の態様によれば、蛍光体一体型レーザベース光源は、パッケージベースと、前記パッケージベースに結合されて、ガリウムおよび窒素含有材料を備え、出力ファセットから電磁放射のレーザビームを出力するように構成され、前記電磁放射を第１の波長で放出するように構成されたレーザダイオードチップと、前記パッケージベースに結合され、前記レーザダイオードチップに隣接して前記パッケージベースに配置された熱伝導性材料であって、反射性上面を有する熱伝導性材料と、前記熱伝導性材料の前記反射性上面に結合された光透過性材料であって、当該光透過性材料の下面に沿って溝が延在する光透過性材料と、一端が前記レーザダイオードチップの前記出力ファセットと位置合わせされ、他端が前記溝と位置合わせされた光ガイドであって、前記レーザダイオードチップからの前記電磁放射を、前記光透過性材料の前記溝に導くように構成され配置された光ガイドと、前記光透過性材料に結合された波長変換材料であって、前記溝内に放出されて、前記光透過性材料を透過する前記電磁放射の少なくとも一部を受けるように構成され、前記第１の波長を有した前記レーザビーム内の前記電磁放射の少なくとも一部を、前記第１の波長よりも長い第２の波長に変換するように構成された波長変換材料と、前記光透過性材料および前記波長変換材料の側面を囲む反射材料であって、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面に入射する一部の前記電磁放射を反射するように構成される反射材料とを備え、前記波長変換材料は、前記第１の波長を有した第１の部分と、前記第２の波長を有した第２の部分とを含む光を、上面から放出するように構成される。

一態様において、蛍光体一体型レーザベース光源は、更に、第２のレーザダイオードチップと、第２の光ガイドとを備え、前記光ガイドは、前記溝の第１の端部と位置合わせされ、前記第２の光ガイドは、前記溝の第２の端部と位置合わせされ、前記第２の光ガイドは、前記第２のレーザダイオードチップからの第２の電磁放射を、前記光透過性材料の前記溝に導くように構成され配置される。

別の態様において、前記波長変換材料の前記上面から放出される光は、白色光である。

本考案を使用することにより、既存の技術を上回る更なる利点が達成される。特に、本考案は、費用対効果の高い白色光源を可能にする。特定の態様において、本光学デバイスは、比較的単純で費用対効果の高い方法によって製造することができる。態様に応じ、本デバイスおよび方法は、当業者による従来の材料および／または方法を使用して製造することが可能である。本考案のいくつかの態様において、ガリウムおよび窒素含有レーザダイオード源は、ｃ面窒化ガリウム材料に基づくものであり、別の態様において、レーザダイオードは、非極性または半極性のガリウムおよび窒化物材料に基づくものである。一態様において、白色光源は、サブマウント上に一体化された蛍光体を有するチップオンサブマウント（ＣｏＳ）から構成され、チップおよび蛍光体実装サブマウント（Chip and Phosphor on Submount、ＣＰｏＳ）の白色光源を形成する。

種々の態様において、レーザデバイスおよび蛍光体デバイスは、中間サブマウントの有無にかかわらず、共通の支持部材上に取り付けられ、蛍光体材料が、透過モードまたは反射モードで動作して、白色発光レーザベースの光源がもたらされる。単なる一例として、本考案は、白色照明、白色スポット照明、フラッシュライト、自動車用ヘッドライト、全地形対応車両用照明、サイクリング、サーフィン、ランニング、レース、ボートなどのレクリエーションスポーツに使用される光源、ならびにドローン、飛行機、ロボット、その他の移動体またはロボット用途、安全対策、防衛用途、多色照明、フラットパネル用照明、医療用、計測用、ビームプロジェクタおよびその他のディスプレイ、高輝度ランプ、分光、娯楽、劇場、音楽、およびコンサート、不正検出および／または認証、工具、水処理、レーザダズラ、ターゲティング、通信、変換、輸送、レベリング、硬化およびその他の化学処理、加熱、切断および／または切除、他の光学デバイスのポンピング、他の光電子デバイスおよび関連用途、および光源照明などに用いられる光源といった用途に適用することができる。

本考案の本質および利点についての更なる理解は、本明細書の以下の部分および添付の図面を参照することによって得ることができる。

図１Ａ～図１Ｄは、本考案のいくつかの実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した断面図である。

図２は、本考案の一実施形態に係り、図１Ａ～図１Ｄのうちの１つの蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した上面図である。

図３は、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した斜視図である。

図４は、本考案の一実施形態に係り、図３の蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した断面斜視図である。

図５は、本考案の一実施形態に係り、上面に形成された溝を有する材料の簡略化した斜視図である。

図６は、本考案の別の実施形態に係り、上面に形成された溝を有する材料の簡略化した斜視図である。

図７Ａ～図７Ｆは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。

図８Ａ～図８Ｂは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。

図９Ａ～図９Ｃは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。

図１０Ａ～図１０Ｃは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。

図１１Ａ～図１１Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。

図１２Ａ～図１２Ｂは、本考案の一実施形態に係り、図１１Ａ～図１１Ｂの蛍光体一体型レーザベース光源の光ガイドおよび溝を示す簡略化した底面図である。

図１３は、本考案の一実施形態に係る光ガイド構造の簡略図である。

図１４Ａ～図１４Ｅは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。

図１５Ａ～図１５Ｂは、本考案の一実施形態に係り、光透過性材料の下面に溝を形成するためのプロセスを示す簡略図である。

図１６は、本考案の実施形態に係る光透過性材料の下面における金属被覆パターンの簡略図である。

図１７Ａ～図１７Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。

図１８Ａ～図１８Ｂは、本考案の一実施形態に係り、図１１Ａ～図１１Ｂの蛍光体一体型レーザベース光源の光ガイドおよび溝を示す簡略化した底面図である。

図１９は、本考案のいくつかの実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した断面図である。 図２０は、本考案のいくつかの実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した断面図である。 図２１は、本考案のいくつかの実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した断面図である。

図２２Ａ～図２２Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した斜視図である。

考案の詳細な説明

本考案は、ガリウムおよび窒素含有材料に基づくレーザダイオード励起源と、蛍光体材料に基づく発光源との組み合わせを使用して、白色電磁放射を放出するための方法およびデバイスを提供する。本考案では、ガリウムおよび窒素含有材料に基づく紫色、青色、またはその他の波長のレーザダイオード源が、蛍光体材料と密接に一体化され、コンパクトで、高輝度かつ高効率の白色光源を形成する。

本考案を使用することにより、既存の技術を上回る更なる利点が達成される。特に、本考案は、費用対効果の高い白色光源を可能にする。特定の実施形態において、本光学デバイスは、比較的単純で費用対効果の高い方法によって製造することができる。実施形態に応じ、本デバイスおよび方法は、当業者による従来の材料および／または方法を使用して製造することが可能である。本考案のいくつかの実施形態において、ガリウムおよび窒素含有レーザダイオード源は、ｃ面窒化ガリウム材料に基づくものであり、別の実施形態において、レーザダイオードは、非極性または半極性のガリウムおよび窒化物材料に基づくものである。一実施形態において、白色光源は、サブマウント上に一体化された蛍光体を有するチップオンサブマウント（ＣｏＳ）から構成され、チップおよび蛍光体実装サブマウント（Chip and Phosphor on Submount、ＣＰｏＳ）の白色光源を形成する。

種々の実施形態において、レーザデバイスおよび蛍光体デバイスは、中間サブマウントの有無にかかわらず、共通の支持部材上に取り付けられ、蛍光体材料が、透過モードまたは反射モードで動作して、白色発光レーザベースの光源がもたらされる。単なる一例として、本考案は、白色照明、白色スポット照明、フラッシュライト、自動車用ヘッドライト、全地形対応型車両用照明、サイクリング、サーフィン、ランニング、レース、ボートなどのレクリエーションスポーツに使用される光源、ならびにドローン、飛行機、ロボット、その他の移動体またはロボット用途、安全対策、防御用途、多色照明、フラットパネル用照明、医療用、計測用、ビームプロジェクタおよびその他のディスプレイ、高輝度ランプ、分光、娯楽、劇場、音楽、およびコンサート、不正検出および／または認証、工具、水処理、レーザダズラ、ターゲティング、通信、変換、輸送、レベリング、硬化およびその他の化学処理、加熱、切断および／または切除、他の光学デバイスのポンピング、他の光電子デバイスおよび関連用途、および光源照明などに用いられる光源といった用途に適用することができる。

図１Ａは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した断面図である。この光源は、パッケージベース上に配置されたレーザダイオードチップ１を備え、材料２の上面に形成されたキャビティもしくは溝、および／または光透過性材料３の下面に形成されたキャビティもしくは溝の中に光を放出するように、ファセットが配置されている。これに代えて、光透過性材料３内に、直接光を放出するようにしてもよい。レーザダイオードチップ１は、１つまたは複数のレーザダイオードを備えることが可能であり、光は、例えば、青色またはその他の色領域の波長を有したレーザビームであってもよい。光は、レーザダイオードチップ１から直接、または光ガイドを介して入射することができる。

いくつかの実施形態において、パッケージベースは、プリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよい。別の実施形態において、パッケージベースは、レーザダイオードチップ１および材料２から、はんだ、メタルコアＰＣＢ、ヒートシンクなどといった下方の構造に熱を伝導するように構成された半導体パッケージの底部であってもよい。また、パッケージベースは、金属スラグ（例えば、ＣｕまたはＡｌ）、めっきされた別の金属、またはセラミック材料（例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３）と金属との複合材料を含んでいてもよい。更に別の実施形態において、パッケージベースは、金属（例えば、ＣｕまたはＡｌ）のスラブであってもよく、チップオンボード（ＣＯＢ）などのメタルコアＰＣＢの一部を形成するようにしてもよい。

レーザダイオードチップ１が溝内に光を放出する実施形態において、溝は、材料２と光透過性材料３との間に空隙を構成するようにしてもよい。材料２の上面および／または溝の内側は、光を上方に指向および／または反射するために、反射コーティングで覆うようにしてもよい。反射コーティングは、例えば、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）であってもよく、表面が滑らかな場合には、平坦な鏡面膜として、また、表面が粗い場合には、拡散反射を生成する粗面膜として堆積させてもよい。

材料２は、レーザダイオードチップ１からの光の少なくとも一部を、光透過性材料３に向けて上方に指向および／または反射する。材料２は、高い熱伝導率を有して、光透過性材料３および／または波長変換材料４からの熱を、パッケージベースに伝導するようにしてもよい。いくつかの実施形態において、材料２は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、サファイア、セラミック窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミック酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、セラミック窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、またはその他の熱伝導性材料を含んでいてもよい。

材料２がＳｉである場合、ＫＯＨエッチングで溝を形成し、傾斜した側壁を生成することができる。溝の形状には、多くの変形が可能である。図６は、多角形の形状の中に開口する細いネック部を有した溝の例を示している。いくつかの実施形態において、光学透過性材料３は、溝の形状と同様の形状を有していてもよい。例えば、図６は、溝に類似した多角形の形状を有する光透過性材料３の外形を含んでいる。いくつかの実施形態において、溝は、拡散体積散乱体（例えば、ガラス、エポキシ、またはシリコーンなどの低屈折率マトリクス中のＴｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３の微粒子）で、部分的または完全に充填されるようにしてもよい。

光透過性材料３は、光学的に透明で、熱伝導性を有していてもよい。材料の例としては、単結晶ＳｉＣ、サファイア、ダイヤモンド、およびガーネットまたはスピネル族からの透明結晶が含まれる。光透過性材料３は、レーザダイオードチップ１から波長変換材料４へと光を通過させ、波長変換材料４から材料２に熱を伝導する。光透過性材料３は、他の要素から入射する光を散乱させるようにしてもよい。光学透過性材料３の上面および下面は、滑らかであってもよいし、粗くてもよい。粗い面は、光を散乱させる目的を果たし、波長変換材料４の上面から放出される光の良好な色均一性を作り出すのを補助することができる。一実施形態において、光透過性材料３の厚さは、約１００～２５０μｍとしてもよいし、また約３００～１０００μｍの横方向寸法の約２０～５０％としてもよい。光透過性材料３の上面視形状は、限定されないが、正方形、長方形、六角形、八角形、円形、またはその他の任意の形状とすることができる。

波長変換材料４は、レーザダイオードチップ１からの光の全てまたは一部をダウンコンバートする。波長変換材料４は、本明細書に記載する実施形態のいずれかに従って形成および／または構成することができる。一例において、波長変換材料４は、ＣｅドープＹＡＧであってもよい。いくつかの実施形態において、波長変換材料４は、光を散乱させる空隙または異なる屈折率の別の材料の含有物を有していてもよい。波長変換材料４は、単結晶の小粒子または焼結された小粒子であってもよい。一実施形態において、波長変換材料４の厚さは、約５０～３００μｍであってもよく、横方向寸法は、約３００～１０００μｍであってもよい。波長変換材料４の上面視形状は、特に限定されないが、正方形、長方形、六角形、八角形、円、またはその他の形状とすることができる。

反射材料５は、光透過性材料３および波長変換材料４の側面からの光を反射する。反射材料５は、光を放出し得る光透過性材料３および波長変換材４の側面の一部または全部を覆うようにしてもよい。反射材料５の形状の例を、図１Ｂおよび図１Ｃに示す。レーザダイオードチップ１からの光が光透過性材料３に直接入射される場合、レーザダイオードチップ１が光透過性材料３内へと光を入射する光透過性材料３の領域では、反射材料５を省略してもよい。反射材料５は、拡散体積散乱体（例えば、ガラス、エポキシ、またはシリコーンなどの低屈折率マトリクス中のＴｉ０_２またはＡｌ_２Ｏ_３の微粒子）であってもよい。反射材料５は、光透過性材料３および波長変換材料４の側壁上の薄膜コーティング（例えば、ＳｉＯ_２／ＡｇまたはＡｇ）とすることもできる。反射材料５の横方向の厚さは、拡散体積散乱体の場合には、約５０～５００μｍであってもよく、薄膜コーティングの場合には、約５０ｎｍ～１０μｍであってもよい。反射材料５の高さは、光透過性材料３の厚さに波長変換材料４の厚さを加えたものにほぼ等しくすることができる。

図２は、本考案の一実施形態に係り、図１Ａ～図１Ｄのうちの１つの蛍光体一体型レーザベース光源の簡略化した上面図である。この例において、反射材料５は、波長変換材料４の側面を取り囲んでいる。

図３は、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザ光源の簡略化した斜視図である。この例において、反射材料５は、材料２に対して中心をずらして配置され、レーザダイオードチップ１の一部を覆って延在する。また、波長変換材料４は、材料２とは異なる形状である。これは、図４の断面図において、より明確に見ることができ、図４では、材料２の上面に形成された溝が示されており、当該溝の上方に、光透過性材料３および波長変換材料４が配置されている。図５は、一実施形態に係り、上面に形成された溝を有する材料２の簡略化した斜視図である。

図７Ａ～図７Ｆは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。図７Ａは、パッケージベース上に組み付けられたレーザダイオードチップ１および材料２を示している。レーザダイオードチップ１および材料２は、例えば、はんだ付けプロセスを使用して、パッケージベースに結合するようにしてもよい。材料２は、上面に形成された溝を有しており、レーザダイオードチップ１から放出された光が溝に入射するように、レーザダイオードチップ１の発光アパーチャが、溝に位置合わせされている。

図７Ｂ～図７Ｃは、光透過性材料の層および波長変換材料の層を含む部分的にダイシングされたシートを示している。図７Ｂは、部分的にダイシングされたシートの平面図であり、図７Ｃは斜視図である。光透過性材料の層と波長変換材料の層とは、接着剤を使用して接合してもよい。一実施形態において、接着剤は、光学的に透明であってもよく、光透過性材料と波長変換材料との間で熱を効率的に伝導する上で十分な薄さの接着層を生成するようにしてもよい。接着剤の例としては、エポキシ、シリコーン、ガラス、スピンオンガラス、またはゾルゲル法によって形成された材料が含まれる。接着剤の好ましい特性としては、高熱伝導率、光透過性、良好な接着性、ならびに高温および光束への長期曝露下での安定性が含まれる。

図７Ｂ～図７Ｃに示すように、接合された材料のシートは、所望の形状にダイシングしてもよい。この例では、シートが、八角形にダイシングされる。これには、異なる角度での複数の切断が必要となる。八角形の形状は、正方形の形状ほど効率的にシート領域を利用しないが、八角形の形状は円形に近く、いくつかの用途にとって望ましいものとなる場合がある。

図７Ｄ～図７Ｅは、八角形の光透過性材料３および波長変換材料４（「八角形の材料」）の側面の周囲に形成された反射材料５を示している。反射材料５は、拡散体積散乱体であってもよい。反射材料５は、ダイシング後、まだ八角形の材料がダイシングキャリアもしくはテープ上に取り付けられている間に、または、八角形の材料を除去し、それらを新しいキャリア上に所望の間隔で再度組み付けた後に、八角形の材料の周りに分注するようにしてもよい。一実施形態において、反射材料５は、八角形の材料の配列間の隙間に分注するか、またはそれ以外の方法で堆積させてもよい。反射材料５を硬化させ、必要に応じて八角形の材料への接着を確実にするために、熱処理を用いてもよい。これに代えて、反射材料５を八角形の材料の配列上に堆積させ、その後、研磨、ラッピングなどの平坦化プロセスによって除去するか、または、反射材料５がまだ液体またはペーストの形成である場合にはスキージを用いて除去するようにしてもよい。反射材料５によって囲まれた八角形の材料は、ダイシングプロセスを使用して個片化してもよい。

図７Ｆは、レーザダイオードチップ１および材料２上への、反射材料５によって囲まれた八角形の材料の組み付けを示す。取り付けに使用する材料は、エポキシ、シリコーン、ガラス、スピンオンガラス、またはゾルゲル法によって形成される材料などの光透過性材料であってもよい。これに代えて、取り付けに使用する材料は、はんだ、または接合面が金属被覆されるような同様の材料であってもよい。この場合、金属被覆は、反射材料５および／または光透過性材料３の下面に、材料２の接合面に対応したパターンで付加されるようにしてもよい。金属被覆は、反射体として機能させてもよい。一実施形態において、金属被覆には、ＳｉＯ_２／Ａｇ／ＴｉＷ／Ａｕを含めることができる。はんだが金属被覆に含まれていてもよく、この場合、積層体は、ＳｉＯ_２／Ａｇ／ＴｉＷ／ＡｕＳｎを含んでいてもよい。

図８Ａ～図８Ｂは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。これらの図は、材料２の溝が異なる形状を有すること、および金属被覆が異なるパターンで光透過性材料３に付加されることを除いて、図７Ａおよび図７Ｆと同様である。他のステップは、図７Ｂ～図７Ｅに対応するものであってもよく、別途示してはいない。

図９Ａ～図９Ｃは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。本実施形態の構成は、本実施形態が、第１のレーザダイオードチップ１ａと、第２のレーザダイオードチップ１ｂとを備えること、および、それぞれのレーザダイオードチップのために、材料２が溝の別個の部分を備えることを除き、図７Ａ～図７Ｆに示す実施形態の構成と同様である。溝の形状に応じ、いくつかの実施形態では、各レーザダイオードチップについて、別個の溝を設けるようにしてもよい。

図９Ａ～図９Ｃに示す例では、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂの両方が、溝内に光を入射する。いくつかの実施形態において、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂのそれぞれからの光は、実質的に同様の波長（例えば、４４０～４６０ｎｍ）であってもよいし、またレーザダイオードチップ１ａ，１ｂのそれぞれからの光が異なる波長（例えば、４５０ｎｍと５９０～６５０ｎｍ、４５０ｎｍと８５０ｎｍ、４５０ｎｍと９０５ｎｍ、４５０ｎｍと９４０ｎｍ、４５０ｎｍと９８０ｎｍ、４５０ｎｍと４０５ｎｍ、またはそれ以外の任意の波長）であってもよい。いくつかの実施形態において、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂのうちの一方は、ダウンコンバートされない発光波長（例えば、赤色波長または赤外線波長）を有していてもよい。

図１０Ａ～図１０Ｃは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。本実施形態は、図９Ａ～図９Ｃのものと同様であるが、この例では、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを備え、それぞれが溝の別個の部分に光を入射する。別の実施形態では、より多いか、またはより少ないレーザダイオードチップを備え、それぞれが別個の溝、または溝の別個の部分に光を入射するようにしてもよい。材料２のサイズは、追加のレーザダイオードチップのために、溝の周りにより多くの空間をもたらすように増大させてもよい。

図１１Ａ～図１１Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。図１１Ｂは、光透過性材料３の溝と位置合わせされた光ガイド１Ｌを示すために反射材料５が取り去られていることを除き、図１１Ａと同様である。図１２Ａ～図１２Ｂは、光ガイド１Ｌおよび光透過性材料３の溝を示す簡略化した底面図である。光ガイド１Ｌは、レーザダイオードチップ１からの光を、光透過性材料３の溝に導く。レーザダイオードチップ１、材料２、光透過性材料３、導波路変換材料４、および反射材料５は、それ以外の点で、図１Ａ～図１Ｄに関して上述した対応する特徴と同様とすることができる。

本実施形態において、光ガイド１Ｌは、レーザダイオードチップ１からの光を、光透過性材料３の溝に導く。光は、溝に入射され、波長変換部材４へと伝播される。材料２の上面は、光透過性材料３を通過するように光を上方に反射する反射材料で覆われていてもよい。

溝は、光透過性材料３の下面に形成されていてもよい。溝は、Ｕ字状、Ｖ字状、トレンチ状、またはそれ以外の任意の形状を有していてもよい。溝は、光透過性材料３の一部を通って延在していてもよい。溝は、光ガイド１Ｌと一直線状に位置合わせされていてもよいし、光ガイド１Ｌの光軸に対し、斜めの向きであってもよい。溝の表面は、滑らかであってもよいし、粗くてもよい。

図１３は、本考案の一実施形態に係る光ガイド構造の簡略図である。光ガイド構造は、光ガイド１Ｌ（または導波路）と、フレームとを備える。光ガイド１Ｌは、いくつかの実施形態において、矩形断面を有してテーパ状をなしていてもよいし、また別の実施形態において、光ガイド１Ｌは、円形を含む異なる断面を有していてもよい。光ガイド１Ｌは、いくつかの実施形態において、テーパなしを含め、様々なテーパ角度を有することが可能である。光ガイド１Ｌは、光ファイバを備えていてもよい。光ガイド１Ｌをもたらす構造により、蛍光体一体型レーザベース光源の組み立てにおける機械的支持および／または補助を提供することができる。光ガイド１Ｌは、コア材を取り囲む低屈折率材料（クラッド）を含んでいてもよい。クラッドは、例えば、ガラスコア上にＭｇＦ_２を堆積させることによって形成してもよい。

図１４Ａ～図１４Ｅは、本考案の一実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の一部を形成するためのプロセスを示す簡略図である。図１４Ａにおいて、材料２は、パッケージベース上に配置されている。材料２は、パッケージベースにはんだ付けするか、または接着剤を使用してパッケージベースに接着するようにしてもよい。図１４Ｂでは、光ガイド１Ｌを有した光ガイド構造が、材料２上に配置されている。光ガイド構造は、材料２にはんだ付けするか、またはエポキシもしくはシリコーンなどの接着剤を使用して材料２に接着するようにしてもよい。これに代えて、光ガイド構造は、材料のシート（材料２のシート）に接着されるシート形態の類似構造の配列の一部であってもよい。このような実施形態では、個片化プロセスを使用して、光ガイド構造および材料２を形成し、次に、それらをパッケージベース上に組み付けることができる。いずれの実施形態においても、光ガイド構造は、例えば、堆積、パターニング、エッチング、および個片化を含み得る既知のプロセスを使用し、ガラス基板から形成することができる。

図１４Ｃでは、光透過性材料３および波長変換材料４が、材料２上に組み付けられている。光透過性材料３および波長変換材料４は、この実施形態が、図１５Ａ～図１５Ｂに示すように、光透過性材料の下面に溝を形成し得ることを除き、上述の図７Ｂ～図７Ｃに示すようにして形成してもよい。光透過性材料３の下面の溝は、光ガイド１Ｌの端部と位置合わせされる。取り付けに使用する接着剤は、エポキシ、シリコーン、ガラス、スピンオンガラス、またはゾルゲル法によって形成される材料など、光学的に透明なものであってもよい。これに代えて、取り付けに使用する材料は、はんだ、または接合面が金属被覆されるような同様の材料であってもよい。この場合、図１６に示すように、光透過性材料３の下面に金属被覆を付加してもよい。金属被覆を反射体として機能させてもよい。一実施形態において、金属被覆は、ＳｉＯ_２／Ａｇ／ＴｉＷ／Ａｕを含んでいてもよい。はんだが金属被覆に含まれていてもよく、この場合、積層体は、ＳｉＯ_２／Ａｇ／ＴｉＷ／ＡｕＳｎを含んでいてもよい。

図１４Ｄでは、拡散体積散乱体などの反射材料５が、光透過性材料３および波長変換材料４の側面の周囲に形成されている。図１４Ｅでは、レーザダイオードチップ１が、パッケージベース上に組み付けられている。レーザダイオードチップ１は、例えば、はんだ付けプロセスを用いて、パッケージベースに結合されてもよい。レーザダイオードチップ１の発光アパーチャは、レーザダイオードチップ１から放出される光を溝に導くことができるように、光ガイド１Ｌと位置合わせされている。

図１７Ａ～図１７Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源の簡略図である。本実施形態の構成は、本実施形態が、第１のレーザダイオードチップ１ａおよび第２のレーザダイオードチップ１ｂを備え、光ガイド構造が、レーザダイオードチップごとに別個の光ガイド１Ｌを備えることを除き、図１４Ａ～図１４Ｅに示す実施形態の構成と同様である。光ガイド１Ｌは、図１７Ｂに示すように、単一の溝の両端部と位置合わせされるようにしてもよく、ここでは、分かりやすくするために、反射材料５が取り去られている。別の実施形態において、光ガイドのそれぞれは、別個の溝と位置合わせされるようにしてもよい。

図１７Ａ～図１７Ｂに示す例では、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂの両方が、同じ溝に光を入射する。いくつかの実施形態において、レーザダイオードチップ１ａ，１ｂのそれぞれからの光は、実質的に同様の波長（例えば、４４０～４６０ｎｍ）であってもよいし、またレーザダイオードチップ１ａ，１ｂのそれぞれからの光が異なる波長（例えば、４５０ｎｍと５９０～６５０ｎｍ、４５０ｎｍと８５０ｎｍ、４５０ｎｍと９０５ｎｍ、４５０ｎｍと９４０ｎｍ、４５０ｎｍと９８０ｎｍ、４５０ｎｍと４０５ｎｍ、またはそれ以外の任意の波長）であってもよい。図１８Ａ～図１８Ｂは、一実施形態に係り、光透過性材料３の溝のそれぞれの端部にある光ガイド１Ｌを示す簡略化した底面図である。

図１９～図２１は、本考案のいくつかの実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した断面図である。図１９では、エポキシまたははんだなどの接着剤を使用して、窓または蓋とパッケージ側壁との間にシールが形成されている。窓は、光が通過可能なガラスまたは別の光透過性材料とすることができる。窓、パッケージ側壁、およびパッケージベースは、レーザダイオードチップ１、材料２、光透過性材料３、波長変換材料４、および反射材料５のための気密シールを提供することができる。

図２０では、ソルダガラス、ろう付け材料、または金属はんだなどの接着剤を使用し、窓または蓋と金属缶の壁との間にシールが形成されている。金属缶とパッケージベースとの間のシールは、プロジェクション溶接によって形成してもよい。金属缶の壁は、レーザダイオード１からの迷光を遮断することができる。窓、壁、およびパッケージベースは、レーザダイオードチップ１、材料２、光透過性材料３、波長変換材料４、および反射材料５のための気密シールを提供することができる。

図２１では、エポキシやはんだなどの接着剤を用い、金属フランジと反射材料５との間にシールが形成されている。反射材料５および波長変換材料４は、レーザダイオードチップ１、材料２、および光透過性材料３の気密シールを可能にするような非多孔質であってもよい。

図２２Ａ～図２２Ｂは、本考案の別の実施形態に係る蛍光体一体型レーザベース光源のパッケージの簡略化した斜視図である。この例では、例えば図１１Ａ～図１１Ｂに関して上述したような光ガイド構造が、パッケージエンクロージャの一部を形成する。エポキシまたはんだなどの接着剤を使用し、金属フランジと光ガイド構造との間に、シールが形成される。エポキシ、はんだなどの接着剤、またはプロジェクション溶接を用いて、金属フランジと側壁との間に、シールが形成される。

上述の方法、システム、およびデバイスは、いくつかの例である。様々な構成は、必要に応じ、様々な手順または構成要素を、省略、置換、または追加してもよい。例えば、代替の構成では、説明した順序とは異なる順序で方法を実行したり、様々なステージの追加、省略、および／または組み合わせを行ったりすることができる。また、いくつかの構成に関して説明した特徴は、別の様々な構成に組み合わせてもよい。構成の様々な態様および要素は、同様の方法で組み合わせてもよい。また、技術は進歩するので、要素の多くは、例であって、本考案、即ち実用新案登録請求の範囲を限定するものではない。

Claims (20)

1. パッケージベースと、
   前記パッケージベースに結合されて、ガリウムおよび窒素含有材料を備え、出力ファセットから電磁放射のレーザビームを出力するように構成され、前記電磁放射を第１の波長で放出するように構成されたレーザダイオードチップと、
   前記パッケージベースに結合され、前記レーザダイオードチップに隣接して前記パッケージベースに配置された熱伝導性材料であって、反射性上面を有する熱伝導性材料と、
   前記熱伝導性材料の前記反射性上面に結合された光透過性材料であって、前記熱伝導性材料の一部と前記光透過性材料の一部との間に溝が延在し、当該溝が、前記レーザダイオードチップからの前記電磁放射を受けるように、前記レーザダイオードチップと位置合わせされる、光透過性材料と、
   前記光透過性材料に結合された波長変換材料であって、前記溝内に放出されて、前記光透過性材料を透過する前記電磁放射の少なくとも一部を受けるように構成され、前記第１の波長を有した前記レーザビーム内の前記電磁放射の少なくとも一部を、前記第１の波長よりも長い第２の波長に変換するように構成された波長変換材料と、
   前記光透過性材料および前記波長変換材料の側面を囲む反射材料であって、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面に入射する一部の前記電磁放射を反射するように構成される反射材料とを備え、
   前記波長変換材料は、前記第１の波長を有した第１の部分と、前記第２の波長を有した第２の部分とを含む光を、上面から放出するように構成される、
   蛍光体一体型レーザベース光源。
2. 前記溝は、多角形の形状を有する部分を含む、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
3. 前記溝は、前記熱伝導性材料の上面に形成され、前記熱伝導性材料の側面から延在しており、前記溝は、前記電磁放射の少なくとも一部を、前記光透過性材料に向けて上方向に反射する、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
4. 前記熱伝導性材料は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、サファイア、セラミック窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミック酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、セラミック窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）を含む、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
5. 前記溝は、前記光透過性材料の下面に形成され、前記光透過性材料の側面から延在する、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
6. 前記光透過性材料は、単結晶炭化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、またはガーネットもしくはスピネル族からの透明結晶を含む、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
7. 前記電磁放射は、４００ｎｍ～４８５ｎｍの範囲の第１の波長である、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
8. 前記溝の側面は、反射コーティングで覆われる、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
9. 前記反射材料は、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面を完全に覆う、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
10. 前記波長変換材料の前記上面から放出される光は、白色光である、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
11. 前記レーザダイオードチップは、それぞれが前記パッケージベースに結合されて前記溝の一部と位置合わせされた複数のレーザダイオードチップからなる、請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
12. 請求項１に記載の蛍光体一体型レーザベース光源を備える表面実装デバイス（ＳＭＤ）。
13. パッケージベースと、
    前記パッケージベースに結合されて、ガリウムおよび窒素を含有材料を備え、出力ファセットから電磁放射のレーザビームを出力するように構成され、前記電磁放射を第１の波長で放出するように構成されたレーザダイオードチップと、
    前記パッケージベースに結合され、前記レーザダイオードチップに隣接して前記パッケージベースに配置された熱伝導性材料であって、反射性上面を有する熱伝導性材料と、
    前記熱伝導性材料の前記反射性上面に結合された光透過性材料であって、当該光透過性材料の下面に沿って溝が延在する光透過性材料と、
    一端が前記レーザダイオードチップの前記出力ファセットと位置合わせされ、他端が前記溝と位置合わせされた光ガイドであって、前記レーザダイオードチップからの前記電磁放射を、前記光透過性材料の前記溝に導くように構成され配置された光ガイドと、
    前記光透過性材料に結合された波長変換材料であって、前記溝内に放出されて、前記光透過性材料を透過する前記電磁放射の少なくとも一部を受けるように構成され、前記第１の波長を有した前記レーザビーム内の前記電磁放射の少なくとも一部を、前記第１の波長よりも長い第２の波長に変換するように構成された波長変換材料と、
    前記光透過性材料および前記波長変換材料の側面を囲む反射材料であって、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面に入射する一部の前記電磁放射を反射するように構成される反射材料とを備え、
    前記波長変換材料は、前記第１の波長を有した第１の部分と、前記第２の波長を有した第２の部分とを含む光を、上面から放出するように構成される、
    蛍光体一体型レーザベース光源。
14. 第２のレーザダイオードチップと、第２の光ガイドとを更に備え、前記光ガイドは、前記溝の第１の端部と位置合わせされ、前記第２の光ガイドは、前記溝の第２の端部と位置合わせされ、前記第２の光ガイドは、前記第２のレーザダイオードチップからの第２の電磁放射を、前記光透過性材料の前記溝に導くように構成され配置される、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
15. 前記熱伝導性材料は、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、サファイア、セラミック窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、セラミック酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、セラミック窒化ホウ素（ＢＮ）、アルミニウム（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）を含む、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
16. 前記光透過性材料は、単結晶炭化ケイ素、サファイア、ダイヤモンド、またはガーネットもしくはスピネル族からの透明結晶を含む、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
17. 前記電磁放射は、４００ｎｍ～４８５ｎｍの範囲の第１の波長である、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
18. 前記反射材料は、前記光透過性材料および前記波長変換材料の前記側面を完全に覆う、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
19. 前記波長変換材料の前記上面から放出される光は、白色光である、請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源。
20. 請求項１３に記載の蛍光体一体型レーザベース光源を備える表面実装デバイス（ＳＭＤ）。

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