JP4902513B2

JP4902513B2 - 発光装置およびこれを利用した照明装置、表示装置

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Publication number: JP4902513B2
Application number: JP2007319664A
Authority: JP
Inventors: 幸生山崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2009146938A

Description

本発明は、半導体レーザ素子と蛍光体とを備える発光装置に関するものであり、詳しくは、照明装置、または、表示装置として利用できる発光装置に関するものである。

近年では、白熱電球や蛍光灯のような従来からの照明装置に代って、半導体発光デバイスと蛍光体とを用いた照明装置が開発されている。半導体発光デバイスの一例としてはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光層を含む発光ダイオードを挙げることができ、赤色から青色さらには白色で発光する発光ダイオードが実用化されている。発光ダイオードを用いた照明装置は、小型かつ安価であって消費電力が少なくて寿命が長いといった従来の照明装置にない特徴を有している。しかしながら、発光ダイオードを用いた照明装置は、白熱電球や蛍光灯ほどの大きな光出力を有し得ないことから、現在のところでは主としてディスプレイのバックライト、イルミネーション、インジケータなどとして利用されるに留まっている。

半導体発光デバイスとしては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による半導体レーザを用いた照明装置も考案されている。特許文献１（特開平７−２８２６０９号公報）には、半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子からのレーザ光を拡散させるレンズと、該レンズからの拡散レーザ光を励起光として可視光に変換する蛍光体とを備えた照明装置が開示されている。また、特許文献１には、赤、緑、および青の三色の半導体レーザの出力光を重ね合わせることによって白色照明を得る構成が開示されている。半導体レーザを光源に用いた場合、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高く、また大幅な高出力化が可能となることが期待される。

このように、半導体レーザ素子を用いた照明装置および表示装置は、電気−光変換効率が極めて高くて高出力化が可能であるという利点がある。しかし、半導体レーザ素子の密閉手段が破損した場合、またはユーザーにより故意に破壊された場合、レーザ光が蛍光体に照射されず、レーザ光がユーザーの目に直接入る危険がある。特に可視波長の光を発する蛍光体を用いる場合、波長３８０〜４８０ｎｍの近紫外若しくはそれに近い短波長光を発する半導体レーザ素子が選択されるが、それらは高い光子密度を有し、生体細胞を死滅させる力が強い。また、照明装置および表示装置として動作させる際、半導体レーザ素子の出力は少なくとも１Ｗ以上の高出力で動作させている。これらの理由により、ユーザーの目に直接入ると、視力低下や失明を生じる虞がある。
特開平７−２８２６０９号公報

上述のような問題に鑑み、本発明の目的は、電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも、万一半導体レーザ素子の密閉手段が破損しても、レーザ光が外部に漏れない安全な発光装置、照明装置および表示装置を提供することである。

本発明は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子が発するレーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、半導体レーザ素子を外気から遮断するための密閉手段と、密閉手段内に配置され、かつ、密閉手段内に入り込んだ外気を検知したとき電気信号を発する外気検知手段と、電気信号に基づいて半導体レーザへの通電を停止する通電停止手段とを備える、発光装置に関する。

また、本発明の発光装置において、半導体レーザ素子は、窒化物半導体を含むことが好ましい。

また、本発明の発光装置において、半導体レーザ素子は、発振波長が３８０〜４８０ｎｍであることが好ましい。

また、本発明の発光装置において、密閉手段の内圧は外気圧と１０％以上異なり、外気検知手段は圧力センサであることが好ましい。

また、本発明の発光装置において、密閉手段内の湿度は５％以下であり、外気検知手段は湿度センサであることが好ましい。

また、本発明は、上述の発光装置を利用した照明装置、または、表示装置に関する。
本発明において、密閉手段とは、その内圧または内側の湿度がその外側と異なる状態が、外側が常温（２５℃）・常圧（１ａｔｍ）の下で、長時間保持されるように加工する手段を指すものとする。そして、密閉手段の気密性を定量化する方法としては、たとえば一般的な気密検査装置を用いる方法がある。これは、チャンバ内に密閉手段を施した加工品を入れ、ヘリウム雰囲気で加圧を行うことにより密閉手段内側にヘリウムガスを導入した後、密閉手段を施した加工品をヘリウム検出装置に入れ、検出されたヘリウムのリーク量で、気密性を定量化するものとする。本明細書において、密閉手段を施した加工品は、ヘリウム加圧条件を圧力４．５ｋｇ／ｃｍ²、２時間とし、このときのヘリウムリーク量が１×１０^-3Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下を満たす場合を指すものとする。

また、本発明において、密閉手段は、半導体レーザ素子のレーザ光を直接外部に出さないものである。

電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも、半導体レーザ素子の密閉手段が破損しても、半導体レーザ素子のレーザ光が外部に漏らさない安全な発光装置、照明装置および表示装置を提供することができる。

以下、本願の図面において、同一の符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

図１は、本発明における発光装置の構成を示すブロック図である。
以下、図１を参照して説明する。本発明における発光装置は、半導体レーザ素子１００１と、蛍光体１００３と、密閉手段１００４と、外気検知手段１００５と、通電停止手段１００６と、電源１００７とを備える。そして、半導体レーザ素子１００１が発するレーザ光１００２は、蛍光体１００３に吸収されるように半導体レーザ素子１００１と蛍光体１００３とが配置されている。そして、密閉手段１００４内に半導体レーザ素子１００１と外気検知手段１００５とが配置され、密閉手段１００４内部は、密閉空間となっている。ここで、本発明における「密閉空間」とは、密閉手段１００４の内部に形成され、気体の圧力または湿度が、密閉手段１００４の外部と異なる状態でかつ、該状態のまま長時間保持されている空間を指すものとする。密閉手段１００４の密閉性（気密性）を定量化する方法としては、たとえば一般的な気密検査装置を用いる方法がある。

また、外気検知手段１００５は、密閉手段１００４内に入り込んだ外気を検知したとき、たとえば、密閉が破られたことを感知した場合や、密閉手段１００４内部における密閉状態が解除された場合などを検知したとき電気信号を発する。通電停止手段１００６は、該電気信号に基づいて電源１００７から半導体レーザ素子１００１への通電を停止する。通電停止手段１００６には、外気検知手段１００５を駆動する回路等を検知し、半導体レーザ素子への通電を停止させる仕組みを含むものとする。

ここで、本発明の発光装置において、蛍光体１００３、通電停止手段１００６および電源１００７は全て、密閉手段１００４の外側に配置してもよいし、密閉手段１００４内部に配置されてもよい。つまり、半導体レーザ素子１００１と外気検知手段１００５とが一つの密閉手段１００４内に配置されていればよい。

また、本発明の発光装置において、密閉手段１００４は、一つだけ設けても、複数設けてもよい。たとえば半導体レーザ素子１００１のみが、外気検知手段１００５を含まない密閉手段１００４内部に配置され、該外気検知手段１００５を含まない密閉手段１００４と外気検知手段１００５との両方が、別の密閉手段１００５により密閉されていてもよい。

また、本発明における発光装置は、照明装置、または、表示装置に利用することができ、以下に示す実施の形態１〜実施の形態３における発光装置は適宜照明装置、または、表示装置に利用してもよい。

［実施の形態１］
図２Ａは、本発明の実施の形態１に従う発光装置をしめす模式的な平面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１に従う模式的な断面図である。

以下、図２Ａおよび図２Ｂに基づいて説明する。本実施の形態の発光装置は、パッケージ２００１と、ヒートシンク２００２と、サブマウント２００３と、半導体レーザ素子２００４と、配線板２００５と、リード線２００６と、圧力センサ２００７と、配線板２００８と、リッド２０１２と、窓２０１３と、蛍光体２０１４とを備える。また、図２Ａおよび図２Ｂにおいては図示されないが、該発光装置はスイッチングシステムと、半導体レーザ素子２００４に通電するための電源とをさらに備え、後述する図６において図示される。

パッケージ２００１は、半導体レーザ素子２００４と、圧力センサ２００７とを内部に配置している。パッケージ２００１の内部の底面にヒートシンク２００２が溶接されており、ヒートシンク２００２の上にサブマウント２００３を介して半導体レーザ素子２００４が実装されている。そして、半導体レーザ素子２００４を駆動するための電流がパッケージ２００１内部に設けられた配線板２００５と、該配線板２００５に電気的に接続されたリード線２００６とを通じて、パッケージ２００１外部の電源から供給される。また、パッケージ２００１内部に固定された圧力センサ２００７は、パッケージ２００１内部に設けられた配線板２００８と、該配線板２００８に電気的に接続されたリード線２００６とを通じてスイッチングシステムと電気的に接続されている。また、パッケージ２００１内部は、パッケージ２００１およびリッド２０１２によって密閉空間となっており、圧力は一定に保たれている。

たとえば、パッケージ２００１等で形成された密閉空間の内部に外気が入り込み、気密が損なわれ、パッケージ２００１の内圧が変化すると、圧力センサ２００７がその変化を検知して電気信号を発する。該電気信号に基づいて、スイッチングシステムは、電源からの半導体レーザ２００４への通電を停止する。

すなわち、本実施の形態においては、パッケージ２００１およびリッド２０１２が「密閉手段」を構成し、圧力センサ２００７が「外気検知手段」を構成し、スイッチングシステムが「通電停止手段」を実現する。

パッケージ２００１内部には半導体レーザ素子２００４と、圧力センサ２００７と、配線板２００５と、配線板２００８とが実装されている。配線板２００５は半導体レーザ素子２００４とリード線２００６とを、配線板２００８は圧力センサ２００７とリード線２００６と、を電気的に接続するためのものである。そして、パッケージ２００１と、半導体レーザ素子２００４とを電気的に分離するため、配線板２００５は、絶縁層２０１０と金属層２０１１とで構成されている。また、配線板２００８も同様の構成である。すなわち、半導体レーザ素子２００４と金属層２０１１と、および、金属層２０１１とリード線２００６とがワイヤー等により互いに配線され、金属層とパッケージとは絶縁層により電気的に分離されている。

リッド２０１２には、半導体レーザ素子２００４からの出射光をパッケージ２００１外部に取り出すための窓２０１３が設けられている。さらに窓２０１３の外側における、半導体レーザ素子２００４からの出射光が照射される部分の概略全面に、蛍光体２０１４が設置されている。

ここで、本実施の形態において、パッケージ２００１およびリッド２０１２で形成される密閉空間の内圧と外気圧とは、１０％以上異なることが好ましく、２０％以上１００％以下異なることがさらに好ましく、２５％以上７０％以下異なることが特に好ましい。たとえば、該内圧を１．２ａｔｍとした場合において、外気圧（１ａｔｍ）と比較すると２０％異なる。この場合には、該外気圧に対して、該内圧は、０．９ａｔｍ以下または１．１ａｔｍ以上となっていることが好ましい。これは、以下の理由からである。

本実施の形態において、該密閉空間に入り込んだ外気を検知すること、すなわち密閉手段が破られたことを検知することは、圧力センサ２００７によってなされる。そして、圧力センサ２００７から発する電気信号の変化量がある閾値を超えると、スイッチングシステムによって半導体レーザ２００７への通電を停止する。そして、該内圧と外気圧との差が小さすぎると、前述の閾値を小さくする必要があり、外乱による電気信号のノイズが発生すると、該ノイズと圧力センサ２００７からの電気信号の変化とが区別できず、誤って半導体レーザ素子２００４への通電を停止させてしまう虞が生じる。したがって、前述の閾値はある程度以上大きく設定することが好ましく、該内圧と外気圧との差の上限については特に制限がない。ただし、外気圧が１ａｔｍの場合において、該内圧が１１ａｔｍ以上になると、パッケージ２００１に要求される仕様が厳しくなるため、密閉空間の内圧は１１ａｔｍ以下とすることが好ましい。

次に本実施の形態における発光装置における各部材について説明する。
圧力センサ２００７には、たとえばＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システムズ）デバイスを用いることができる。該ＭＥＭＳデバイスは、電気的機械的に動作する微細素子であり、その内部のシリコンダイヤフラムが圧力を受けた際の応力を電気信号に変換し、圧力を計測するもので、ピエゾ式・静電容量式など様々なものがあり、最も初期の形態としてはたとえば実開昭５８−１４１３６が挙げられる。近年は技術の向上により、約１ｍｍ角の小型でかつ高性能なものも報告されている（株式会社日立製作所・ニュースリリースダイジェストＮＲＤ０７−０１１９）。

半導体レーザ素子としては、波長３８０〜４８０ｎｍでレーザ発振する窒化物半導体レーザ素子を用いることが好ましい。また、窒化物半導体レーザ素子を用いた例について述べるが、本発明はこれに限定されるものではなく、たとえば青〜青緑の発振波長を有するＺｎＳｅ系半導体レーザ素子や、赤〜赤外の発振波長を有するＧａＡｓ系・ＧａＰ系半導体レーザ素子にＳＨＧ（第２高調波）デバイスを組み合わせて紫外〜青の発振波長を有する半導体レーザ素子を用いても良い。

ただし、本実施の形態にかかる発光装置を後述するような照明装置や表示装置に利用する場合においては、蛍光体で可視波長の光を発生させるために、該可視波長の光より高エネルギーの光子エネルギーを有するレーザ光を発生させる必要があり、長くとも４８０ｎｍ以下のレーザ光を発生する半導体レーザ素子であることが好ましい。また下限については、波長が短くなりすぎると、後述するレーザ光を取り出す窓構造に用いられる材料の透過率が低くなるため、光出力が低下し、実用上好ましくないことから設定され、３８０ｎｍ以上であることが好ましい。

本実施の形態において蛍光体としては、たとえばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）蛍光体（黄色）、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（黄色）、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（緑色）、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ（赤色）、セリウムを含む酸窒化物結晶（青色）、等を挙げることができる。これらの蛍光体については、単独種で用いる場合もあれば、複数種を混合させて用いる場合も有り、発光装置の用途や要求仕様により選択することができる。本実施の形態においては、高効率・高演色性に優れた組み合わせの例として、たとえば、α−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ（黄色）とＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ（赤色）との組み合わせを採用することができる。

なお、図２Ａにおいては、リッド、窓および蛍光体は省略してある。
図３は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の構造を表す模式的な要部断面図である。

以下、図３に基づいて説明する。なお、以下に示す半導体レーザ素子および寸法は例示であって、本実施の形態において適宜変更することができる。図３に示す半導体レーザ素子は、窒化物半導体レーザ素子であって、ｎ型ＧａＮ基板３０１上に、膜厚３μｍのｎ型ＧａＮ層３０２、ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバッファ層３０３、膜厚２．０μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層３０４、膜厚０．１μｍのｎ型ＧａＮ光導波層３０５、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ３重量子井戸活性層３０６（膜厚各４０Å／８０Å×３ＭＱＷ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ））、膜厚２００Åのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアストップ層３０７、膜厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光導波層３０８、膜厚０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層３０９、膜厚０．２μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３１０が順次積層形成されている。

さらに、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ３重量子井戸活性層３０６の上部構造の一部に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０９に到達するまでエッチングすることにより、幅２〜１００μｍ（たとえば１０μｍ）のリッジ形状のストライプ３１２が形成されている。図３に示す半導体レーザ素子においては、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ３重量子井戸活性層３０６およびｐ型ＧａＮ光導波層３０８がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０９に挟まれた光閉じ込め導波路構造を有しており、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ３重量子井戸活性層３０６で発光した光は、この導波路構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生じる。

また、エッチングされずに残ったｐ型ＧａＮコンタクト層３０９の上にはｐ側コンタクト電極３１１が形成されており、またエッチングされた領域には絶縁膜３１３と厚さ０．１μｍ以下の金属膜３１６が形成されている。またｐ側コンタクト電極３１１と接するように、厚さ１〜５μｍ（たとえば３μｍ）のｐ電極パッド３１４が形成されている。図３においては、金属膜３１６は絶縁膜３１３とｐ電極パッド３１４との密着性を向上させるために形成されており、たとえばＭｏ等が用いられるが、無くても半導体レーザ素子特性上に支障はない。

また、ｎ型ＧａＮ基板３０１基板における導波路構造が形成されている面と逆の面には、ｎ側電極３１５が形成されている。ｎ型ＧａＮ基板３０１の厚さは５０〜２００μｍ（たとえば１００μｍ）になるまで研磨されている。リッジ形状のストライプ３１２に垂直な面でウェハを劈開することにより、劈開ミラーを作成しており、１対の劈開ミラーが光共振器を構成しており、この間を光が行き来することによりレーザ発振動作を生じている。

図４は、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の全体斜視図である。
以下、図４に基づいて説明する。なお、図４における領域４００２を拡大したものが図３に示す図となる。図４に示すように、本実施の形態の半導体レーザ素子４００１は、リッジ形状のストライプ４００３が一定間隔を置いて複数形成された状態で、ウェハから切り出されている。このストライプ間距離は、またリッジ形状のストライプ３１２に垂直な劈開ミラー４００４、４００５が、劈開により形成されている。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の実施の形態１に従う発光装置の製造方法をしめす模式的な斜視図である。

以下、図５Ａおよび図５Ｂに基づいて説明する。まず、図５Ａに示すようなリード線５００６を備えたパッケージ５００１を準備する。該パッケージ５００１には、ヒートシンク５００２を溶接等により接着する。パッケージ５００１およびヒートシンク５００２の材料は、半導体レーザ素子５００４からの発熱を抑えるため、熱伝導率の高い材料が用いられることが好ましく、たとえばＣｕ、ＣｕＷ、コバール、鉄が用いることができる。またパッケージ５００１およびヒートシンク５００２は、材料の腐食防止や、密閉手段の溶接に用いるため、通常表面全体をＡｕでコーティング仕上げを行っている。コーティング材料構成は、たとえばＮｉ／Ａｕ等を用いる。

次に、パッケージ５００１に、配線板５００５および配線板５００８および圧力センサ５００７を実装する。圧力センサ５００７は、たとえば前述のＭＥＭＳデバイスを用いることができる。実装の際には、たとえば共晶温度約２８０℃のＡｕＳｎ（Ｓｎ＝２０％）ハンダを用いてパッケージ５００１全体を加熱することにより接着することができる。

次に、半導体レーザ素子５００４をサブマウント５００３に接着したものを、ヒートシンク５００２上に接着する。半導体レーザ素子５００４には、上述の「窒化物半導体レーザ素子」を用いることができる。そして、半導体レーザ素子５００４は、放熱性を良くするためリッジ形状ストライプの存在する面側がサブマウント５００３と対向する向きで、いわゆるジャンクションダウンの向きで接着することが好ましい。半導体レーザ素子５００４とサブマウント５００３との接着は、たとえば共晶温度約２８０℃のＡｕＳｎ（Ｓｎ＝２０％）ハンダを用いてサブマウントを加熱することにより接着する。サブマウント材料としては、熱伝導率２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有する材料で構成されることが望ましく、たとえばＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、ＣｕＷおよびダイヤモンド等を用いることができる。

次に、半導体レーザ素子５００４が接着されたサブマウント５００３を、ヒートシンク５００２に接着する。接着方法としては、たとえば共晶温度約２１７〜２２５℃のＳｎＡｇＣｕハンダを用いてパッケージ全体を加熱することにより接着する方法が用いられる。このとき、パッケージ温度が高くなりすぎると、前述の配線板５００５や圧力センサ５００７とパッケージ５００１との間、および半導体レーザ素子５００４とサブマウント５００３との間のハンダが溶けてしまうため、注意する必要がある。

次に、半導体レーザ素子５００４と配線板５００５との間、配線板５００５とリード線５００６との間、圧力センサ５００７と配線板５００８との間、配線板５００８とリード線５００６との間を電気的に接続する。電気的に接続する方法としては、たとえばワイヤーボンド装置を用いてＡｕ線等のワイヤーを両者間に張ることにより達成される。

次に、図５Ｂに示すように、パッケージ５００１をリッド５００９により気密封じする。リッド５００９には、半導体レーザ素子５００４から発せられたレーザ光が蛍光体を介してパッケージ５００１外部に取り出されるように、レーザ光に対して透明な窓５０１０が設けられており、たとえばサファイアを主成分とするガラスの両面に無反射コーティングを施したふた５０１１を、溶融ガラスにより気密性が保持された状態でリッド５００９に取り付けられて形成されている。リッド５００９のパッケージへの気密封じは、たとえばシーム溶接機を用いて溶接により実施する。

また、気密封じを行う空間（本実施の形態では、シーム溶接機のチャンバ内）は、１．２ａｔｍに保った状態で行なうことができる。これにより、パッケージ５００１の内圧を１．２ａｔｍに保った状態で密閉される。

図６は、本発明の実施の形態１の電源およびスイッチングシステムを説明するための模式図である。

以下、図６に基づいて説明する。電源６００２は半導体レーザ素子６００１を駆動するためのものである。また、圧力センサ６００３はセンサドライバー６００４で駆動され、出力として圧力センサ６００３が検知した電気信号としての圧力に対応する電圧信号ｖ（ｔ）が生じている。この信号は、微分器６００５により、変化が生じたとき、電圧信号がスイッチ６００６に到達すると、スイッチ６００６が開放となって半導体レーザ素子６００１への通電が停止される仕組みになっている。なお、実際には微分器６００５およびスイッチ６００６や、センサドライバーはアナログＩＣチップに組み込まれ、小型化されている。また実際には、電気信号（微分信号）がある閾値を超えたときのみスイッチ６００６が動作する仕組みが存在するが、図６では省略している。また図６は、電源６００２およびスイッチングシステムの一例であり、圧力センサの圧力を示す信号が変化したときに半導体レーザ素子への電力供給を停止する仕組みになっていれば良く、上述したものに限定されるものではない。

≪製造時の条件≫
図７は、窒化物半導体レーザ素子（１個）を７０℃で１２０ｍＡ、ＡＣＣ（電流制御）駆動させたときの、電圧の時間変化をプロットしたものである。横軸が７０℃で１２０ｍＡ、ＡＣＣ（電流制御）駆動させてからの時間を示し、縦軸が電圧を示す。

以下、図７に基づいて説明する。データ７００１は室温（２０℃）における湿度が２５％（露点温度０℃に相当）、データ７００２は１０％（露点温度−１０℃に相当）、データ７００３は５％（露点温度−２０℃）とした密閉空間で、気密封じを実施して製造した窒化物半導体レーザ素子についての電圧の時間変化を測定し、プロットしている。これにより、本実施の形態において、半導体レーザ素子として窒化物半導体レーザ素子を用いる場合、該気密封じは、露点温度が−２０℃以下とすることが好ましい。また、該気密封じにおいて、室温で湿度が１０％以上では、ある程度時間が経過すると、急激な電圧上昇が発生しており、室温における湿度が５％以下では、電圧上昇が発生していないことから、該湿度を５％以下とすることが好ましい。

図８は、窒化物半導体レーザ素子（１個）を７０℃で１２０ｍＡ、ＡＣＣ（電流制御）駆動させたとき、駆動開始後２４時間以内に電圧上昇が発生する割合を縦軸にとり、気密封じを行なう空間をＯ₂とＮ₂との混合ガスで満たした場合の、Ｏ₂濃度を横軸にとってプロットしたものである。

以下、図８に基づいて説明する。Ｏ₂濃度が０．１％以下では、電圧上昇は発生していない。この現象が生じる原因については詳細には明らかになっていないが、窒化物半導体レーザ素子を長時間駆動させると、窒化物半導体レーザ内部のＨ原子が増加し、ｐ型ドーパントであるＭｇが補償され、キャリア濃度が低減し、抵抗率が増大し、動作電圧が増大することが推測される。以上の理由より、窒化物半導体レーザ素子を用いる場合、気密封じを行なう空間は、室温における湿度が５％以下であり、かつ、Ｏ₂濃度が１％以上であることが好ましい。さらに好ましくは、室温における湿度が１．５％以下、Ｏ₂濃度が１０％以上であることが良い。この条件が満たされた空間で気密封じを行った場合、密閉手段内は同じ条件が満たされていることになる。

［実施の形態２］
本実施の形態においては、外気検知手段を構成するものとして湿度センサを用いる以外は、実施の形態１と同様にすることができる。該湿度センサは、市販されており、たとえばＳｅｎｓｉｒｉｏｎ製ＳＨＴシリーズ、米Ｈｙｇｒｏｍｅｔｒｉｘ，Ｉｎｃ．製ＨＭＸ２０００などが挙げられる。なお湿度センサは、ＭＥＭＳ構造となっており、２ｍｍ角のＳｉチップなどが心臓部分となっているものを採用できる。

次に、動作について説明する。たとえば、上述した密閉空間における湿度を５％以下に設定し、該湿度が上昇したこと、つまり、外気が密閉空間内に入り込んだことを検知した湿度センサが、電気信号を発し、該電気信号に基づいてスイッチングシステムにより半導体レーザ素子への通電を停止させることができる。

なお、日本国内における年間の平均湿度は、場所により異なるが、下限は東京都・１月の４６％、上限は沖縄県・６月の８２％であり、密閉空間が破られたことは、湿度の変化で十分検知することが可能である。

また実施の形態１において、気密封じを行う空間を、大気圧に比べ±１０％以上圧力を変化させた状態で行う必要があったが、本実施の形態においては大気圧（１ａｔｍ）で気密封じを実施してよい。

［実施の形態３］
図９Ａは、本発明の実施の形態３に従う発光装置をしめす模式的な平面図である。図９
Ｂは、本発明の実施の形態３に従う模式的な断面図である。

以下、図９Ａおよび図９Ｂに基づいて説明する。パッケージ９００１の内部には、ステムに実装し、密閉された半導体レーザ素子９００２が埋め込まれている。リード線９００３は、パッケージ９００１底面から取り出されており、半導体レーザ素子９００２への駆動電流は、リード線９００３を通して、パッケージ９００１外部の電源から供給される。

また半導体レーザ素子９００２とパッケージ９００１底面は、ハンダにより接着されており、気密が保たれている。また、パッケージ９００１内部には、圧力センサ９００４が固定されている。圧力センサ９００４もリード線９００５を通して、パッケージ９００１外部のスイッチングシステムに、電気的に接続されている。パッケージ９００１の気密が損なわれ、パッケージ９００１内部の圧力が変化すると、その電気信号をスイッチングシステムに送り込むことで通電を停止する。

すなわち、本実施の形態においては、パッケージ９００１およびリッド９００６が「密閉手段」を構成し、圧力センサ９００４が「外気検知手段」を構成し、スイッチングシステムが「通電停止手段」を実現する。

また、パッケージ９００１内部には半導体レーザ素子９００２と圧力センサ９００４とが実装されている。パッケージ９００１内部に実装された半導体レーザ素子９００２、圧力センサ９００４は、リッド９００６によって密閉されている。リッド９００６には、半導体レーザ素子９００２からの出射光９００７をパッケージ９００１外部に取り出すための窓９００８が設けられている。さらに窓９００８の外側における、半導体レーザ素子９００２からの出射光９００７が照射される部分の概略全面に、蛍光体９００９が形成されている。

ここで、本実施の形態において、パッケージ９００１およびリッド９００６で形成される密閉空間の内圧と外気圧とは、１０％以上異なることが好ましく、２０％以上１００％以下異なることがさらに好ましく、２５％以上７０％以下異なることが特に好ましい。該内圧については、実施の形態１と同様に設定することができる。

本実施例の半導体レーザ素子９００２は、サブマウントやヒートシンクなどを介さず、ステムに実装され、直接パッケージ９００１に接触している。また、圧力センサ９００４は、パッケージ９００２に直接実装されている。該ステムは、たとえば光ディスク用途において一般的な５．６φステム、９φステム、ＨＨＬパッケージ等を用いることができ、ステムに応じたキャップが放電圧着によりステムと接着されることにより、該密閉空間を形成することができる。

また、圧力センサ９００４には、実施の形態１と同じＭＥＭＳデバイスを用いても良いが、光ファイバ式圧力センサを用いてもよい。具体的には、ルナ社製ｍｏｄｅｌＥＦＰＩを挙げることができる。

また、本実施の形態において、実施の形態２と同様の設定で圧力センサ９００４の代わりに湿度センサを備えてもよい。また、本発明においては、圧力センサと湿度センサとの双方を備えてもよい。

なお、図９Ａにおいては、リッド、窓および蛍光体は省略してある。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明における発光装置の構成を示すブロック図である。Ａは、本発明の実施の形態１に従う発光装置をしめす模式的な平面図であり、Ｂは、本発明の実施の形態１に従う模式的な断面図である。本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の構造を表す模式的な要部断面図である。本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の全体斜視図である。ＡおよびＢは、本発明の実施の形態１に従う発光装置の製造方法をしめす模式的な斜視図である。本発明の実施の形態１の電源およびスイッチングシステムを説明するための模式図である。窒化物半導体レーザ素子（１個）を７０℃で１２０ｍＡ、ＡＣＣ（電流制御）駆動させたときの、電圧の時間変化をプロットしたものである。窒化物半導体レーザ素子（１個）を７０℃で１２０ｍＡ、ＡＣＣ（電流制御）駆動させたとき、駆動開始後２４時間以内に電圧上昇が発生する割合を縦軸にとり、気密封じを行なう空間をＯ₂とＮ₂の混合ガスで満たした場合の、Ｏ₂濃度を横軸にとってプロットしたものである。Ａは、本発明の実施の形態３に従う発光装置をしめす模式的な平面図であり、Ｂは、本発明の実施の形態３に従う模式的な断面図である。

符号の説明

３０１ｎ型ＧａＮ基板、３０２ｎ型ＧａＮ層、３０３ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバッファ層、３０４ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層、３０５ｎ型ＧａＮ光導波層、３０６Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ｎ型Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ３重量子井戸活性層、３０７ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアストップ層、３０８ｐ型ＧａＮ光導波層、３０９ｐ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層、３１０ｐ型ＧａＮコンタクト層、３１１ｐ側コンタクト電極、３１２，４００３ストライプ、３１３絶縁膜、３１４ｐ電極パッド、３１５ｎ側電極、３１６金属膜、１００１，２００４，４００１，５００４，６００１，９００２半導体レーザ素子、１００２，９００７レーザ光、１００３，２０１４，９００９蛍光体、１００４密閉手段、１００５外気検知手段、１００６通電停止手段、１００７，６００２電源、２００１，５００１，９００１パッケージ、２００２，５００２ヒートシンク、２００３，５００３サブマウント、２００５，２００８，５００５，５００８配線板、２００６，５００６，９００３，９００５リード線、２００７，５００７，６００３，９００４圧力センサ、２０１０絶縁層、２０１１金属層、２０１２，５００９，９００６リッド、２０１３，５０１０，９００８窓、４００２領域、４００４，４００５劈開ミラー、５０１１ふた、６００４センサドライバー、６００５微分器、６００６スイッチ、７００１，７００２，７００３データ。

Claims

半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が発するレーザ光を吸収して蛍光を放射する蛍光体とを備える発光装置であって、
半導体レーザ素子を外気から遮断するための密閉手段と、
前記密閉手段内に配置され、かつ、前記密閉手段内に入り込んだ外気を検知したとき電気信号を発する外気検知手段と、
前記電気信号に基づいて前記半導体レーザへの通電を停止する通電停止手段とを備える、発光装置。
前記半導体レーザ素子は、窒化物半導体を含む、請求項１に記載の発光装置。
前記半導体レーザ素子は、発振波長が３８０〜４８０ｎｍである、請求項１または２に記載の発光装置。
前記密閉手段の内圧は外気圧と１０％以上異なり、前記外気検知手段は圧力センサである、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
前記密閉手段内の湿度は５％以下であり、前記外気検知手段は湿度センサである、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置を利用した照明装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置を利用した表示装置。