JP5045193B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザと発光ダイオードとを組み合わせて発光色を調節した半導体レーザ装置に関する。
青色発光ダイオード素子と黄色蛍光体とを組み合わせた白色発光装置が実用化されている。この発光装置は、補色の関係にある青色と黄色とを混色した白色光であるため、赤色成分を含まないという特徴があり、演色性が低いという問題があった。
この演色性の問題を解決するために、青色と黄色との混色による白色光に、赤色成分を加える試みが行われている。例えば、青色を発光する発光ダイオード素子と、発光ダイオード素子からの青色発光を吸収して赤色に発光する半導体層と、青色発光を吸収して黄色発光する蛍光層とを組み合わせて、青色、赤色、及び黄色の成分を含む白色発光装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
また、別の例としては、青色発光ダイオード素子と、赤色発光ダイオード素子と、青色発光を吸収して黄色に発光する蛍光体とを組み合わせた白色発光ランプが知られている（例えば特許文献３参照）。蛍光体は、２つの発光ダイオード素子を封止する封止樹脂内に分散されている。
特開２００５−１９９８１号公報
特開２００５−２６８７７０号公報
特開２００２−５７３７６号公報
また、別の例としては、青色発光ダイオード素子と、赤色発光ダイオード素子と、青色発光を吸収して黄色に発光する蛍光体とを組み合わせた白色発光ランプが知られている（例えば特許文献３参照）。蛍光体は、２つの発光ダイオード素子を封止する封止樹脂内に分散されている。
青色半導体レーザ素子と黄色蛍光体とを組み合わせて、輝度の高い白色光を得る試みは始まっている。しかしながら、そこに赤色成分を加えて演色性を良くする試みはされておらず、その方法は確立されていない。
そこで、本発明では、半導体レーザ素子で発振されたレーザ光に、レーザ光より長波長の光を混合して、色合いを調節できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を覆うように被せられ、前記半導体レーザ素子のレーザ光の光路上に開口部を有するキャップと、前記キャップの前記開口部を塞ぐように配置される透光性部材と、前記半導体レーザ素子を載置する素子載置部を有し、前記キャップが固定される台座と、を備えたレーザ装置であって、前記半導体レーザ素子が、レーザ光を出射する第１端面と、前記第１端面と対向して配置され前記レーザ光の一部を出射する第２端面と、を有し、前記レーザ装置は、前記半導体レーザ素子の前記第２端面側に配置される発光ダイオード素子をさらに備え、前記発光ダイオード素子の発光ピーク波長は、前記半導体レーザ素子の発光ピーク波長より長波長であることを特徴とする。
本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と発光ダイオード素子とを組み合わせることにより、半導体レーザ素子の発光色に発光ダイオード素子の発光色を混色して、色味を調節することができる。また、発光ダイオード素子が、半導体レーザ素子からのレーザ光の一部を吸収して発光するので、半導体レーザ素子のエネルギーを有効に利用できる。
＜実施の形態１＞
実施の形態１について、図を用いて説明する。図１〜図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す概略断面図である。台座の一例として、ステムを使用するが、カップ形状のものや基板形状のものも使用することができる。
半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子２０と、発光ダイオード素子３０と、ステム４０と、積層キャップ６０とを備えている。ステム４０は、ステム本体４１の第１表面４５に突出した略半円柱状の素子載置部４２を有しており、その素子載置部４２に、発光ダイオード素子３０と半導体レーザ素子２０とが固定されている。半導体レーザ素子２０と素子載置部４２との間にはサブマウント８０が介在しており、半導体レーザ素子２０の放熱を促進している。また、ステム本体４１の第２主面４６からはリードピン４３が突出しており、外部装置との通電及び半導体レーザ装置１０の取付けに使用される。
実施の形態１について、図を用いて説明する。図１〜図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す概略断面図である。台座の一例として、ステムを使用するが、カップ形状のものや基板形状のものも使用することができる。
半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子２０と、発光ダイオード素子３０と、ステム４０と、積層キャップ６０とを備えている。ステム４０は、ステム本体４１の第１表面４５に突出した略半円柱状の素子載置部４２を有しており、その素子載置部４２に、発光ダイオード素子３０と半導体レーザ素子２０とが固定されている。半導体レーザ素子２０と素子載置部４２との間にはサブマウント８０が介在しており、半導体レーザ素子２０の放熱を促進している。また、ステム本体４１の第２主面４６からはリードピン４３が突出しており、外部装置との通電及び半導体レーザ装置１０の取付けに使用される。
半導体レーザ素子２０は、第１端面（出射端面）２１から高輝度のレーザ光２６を出射する。出射されたレーザ光２６は、積層キャップ６０の開口部６１に嵌め込まれた透光性部材５０を通過して外部に取り出される。半導体レーザ素子２０の第２端面（後端面）２２からは、レーザ光の一部（いわゆるモニタ光）２５が出射される。このモニタ光２５は、出射しているレーザ光２６の強度に比例して強度が高くなることから、ピックアップ用レーザ装置などでは、レーザ光２６の出射光の強度をモニタリングするのに使用される。本発明では、半導体レーザ素子２０の第２端面２２側に発光ダイオード素子３０を配置するので、モニタ光２５は発光ダイオード素子３０に照射される。
発光ダイオード素子３０は、半導体レーザ素子２０に比べて半値幅が広いため、よりブロードな色調を実現することができ、半導体レーザ装置から放射される光の色調を調整することができる。また、発光ダイオード素子３０の発光ピーク波長は、半導体レーザ素子２０の発光ピーク波長よりも長く設定している。すなわち、発光ダイオード素子３０を構成する半導体材料のバンドギャップは、半導体レーザ素子２０からのレーザ光のエネルギーよりも小さいので、発光ダイオード素子３０はレーザ光を吸収して、別の光に変換することができる。例えば、赤色に発光する発光ダイオード素子３０に対して、青色に発光する半導体レーザ素子２０を使用した場合、発光ダイオード素子３０は青色レーザ光を吸収して赤色光を発光する。このような発光はＰＬ光（フォトルミネセンス光）と呼ばれている。
発光ダイオード素子３０にモニタ光２５が照射されるように配置することにより、モニタ光２５を吸収した発光ダイオード素子３０は、ＰＬ光３６を発光する。このＰＬ光３６は、モニタ光２５の強度に比例して強くなるので、レーザ光２６の強度が高くなると、ＰＬ光３６の強度も高くなる。すなわち、ＰＬ光の強度上昇は、レーザ光２６の強度上昇に比例するため、レーザ光２６の色味を調節するのに都合がよい。
半導体レーザ素子２０の後端面２２側（例えば、ピックアップ用レーザ装置等において、モニタ光をモニタリングするセンサーを設置する位置）に発光ダイオード素子３０を配置しているので、設計変更やサイズアップをすることなく、従来のキャン型ＬＤの構成をそのまま使用できる利点がある。また、もしも発光ダイオード素子３０がなければ、モニタ光２５はステム本体４１に照射されてエネルギーの無駄になるだけでなく、ステム４０を昇温させるという悪影響を及ぼす可能性もある。このように半導体レーザ素子２０の後端面２２側に発光ダイオード素子３０を配置することにより、半導体レーザ装置１０の色味を調節するだけでなく、さらにステム４０の昇温を防止するのに有効である。
半導体レーザ素子２０のＰＬ光３６の強度は、レーザ光２６の色味を十分に調節するには弱すぎるので、発光ダイオード素子３０に通電して発光ダイオード素子３０自身を発光させる（これを電流注入発光３５と称する）。本発明では、発光ダイオード素子３０への電流注入量を調節することにより、色味調節を任意に行える利点がある。なお、発光ダイオード素子３０の電流注入発光３５は放射状に広がるため、本発明のように発光ダイオード素子３０を半導体レーザ素子２０の後ろに配置したとしても、電流注入発光３５が半導体レーザ素子２０によって完全に遮光されることはない。
発光ダイオード素子３０と積層キャップ６０の開口部６１との間に半導体レーザ素子２０が位置している。よって、発光ダイオード素子３０からの発光３７（電流注入発光３５及びＰＬ光３６を含む）は、ステム４０の表面４４や積層キャップ６０の内面６５において１回又は複数回にわたって反射して、最終的には開口部６１から取り出される。よって、ステム４０の表面４４及びキャップ６０の内面６５が、発光３７を反射しやすいＡｕを含む膜又はＡｇを含む膜により被覆されているのが好ましい。これにより、発光ダイオード素子３０からの発光３７の損失を抑制することができる。またＡｌ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ等の少なくとも１種を含む膜も使用することができる。
積層キャップ６０の開口部６１を塞ぐように配置される透光性部材５０は、透光性の材料から形成することができる。「塞ぐように配置」とは、開口部６１内に配置したり、また開口部６１を覆うように積層キャップの外側に配置したり、開口部６１を覆うように積層キャップの内側に配置したりするなどの構成を採ることができる。さらに、透光性部材５０は、波長変換材料を含有することができる。本明細書において「波長変換材料」とは、半導体レーザ素子２０からのレーザ光の一部を吸収して、別の波長の光に変換することのできる材料を指している。透光性部材５０が波長変換材料を含有すれば、半導体レーザ素子２０のレーザ光２６と、透光性部材５０からの発光と、発光ダイオード素子３０の発光３７との３色の光を混色することができ、表現できる色の幅が広がる。
特に、３６０ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持つ半導体レーザ素子２０と、４７５ｎｍ〜８００ｎｍに発光ピーク波長を持つ発光ダイオード素子３０と、半導体レーザ素子２０からの光を吸収して４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピーク波長を持つ光を放出する波長変換材料から成る透光性部材５０と、を組み合わせるのが好ましい。この組み合わせにより構成した半導体レーザ装置１０は、演色性のよい白色レーザ光を出射することができる。特に、発光ダイオード素子３０は、５９０ｎｍ〜７００ｎｍに発光ピーク波長を持つ方が好ましい。５９０ｎｍ以上とすることにより赤色領域の光を放射し、より広範囲の色調を実現することができる。また、７００ｎｍ以下とすることにより視認性を向上することができる。
好ましい透光性部材５０としては、透光性の無機部材を母材５２に、波長変換材料の一種である蛍光体粒子５１を分散させたものが挙げられる。透光性部材５０は、蛍光体粒子５１がレーザ光２６を吸収することにより熱を持つようになる。このときに、無機部材は樹脂に比べて熱伝導率が高いので、透光性部材５０の熱を放熱しやすい点で好ましい。無機部材として、ガラスやセラミックスなどがあるが、特に、ガラスは耐光性、耐熱性及び耐候性に優れている点から、母材５２に好適である。
蛍光体粒子５１は、半導体レーザ素子のレーザ光を吸収して、所望の波長の光に波長変換するものが選ばれる。さらに、耐劣化性と耐光性に優れ、母材中での分散性が良好な蛍光体が好ましい。蛍光体粒子５１の混合量（濃度）は、半導体レーザ素子２０からのレーザ光の透過量と、蛍光体粒子５１からの発光量とのバランスで決定される。
本実施の形態では、２つのキャップを重ねた積層キャップ６０を使用している。積層キャップは、外側の第１キャップ６３０と、内側の第２キャップ６４０を重ねて構成されている。この積層キャップ６０は、透光性部材５０の固定に極めて有利である。
図示した例では、透光性部材５０が平面視で円形、かつ、断面視で中央部が盛り上がった、いわゆる平凸レンズ形状になっており、外側の第１キャップ６３０の開口部６３１は、透光性部材５０の傾斜面に一致するようなテーパ状に形成されている。
図示した例では、透光性部材５０が平面視で円形、かつ、断面視で中央部が盛り上がった、いわゆる平凸レンズ形状になっており、外側の第１キャップ６３０の開口部６３１は、透光性部材５０の傾斜面に一致するようなテーパ状に形成されている。
積層キャップ６０の組立のときには、第２キャップ６４０の開口部６４１を覆うように透光性部材５０を載置し、さらに第１キャップ６３０を第２キャップ６４０に重ねる。透光性部材５０は、傾斜した側面が第１キャップ６３０の開口部６３１の開口部６３１内でスライドし、所定の位置に位置した状態で、第１キャップ６３０と第２キャップ６４０との間に挟持される。本実施の形態は、透光性部材５０の脱落の心配がないので、透光性部材５０を極めて安定して取着できる。
透光性部材５０の形状を平凸レンズの形状にした場合、凸面が第１キャップ５３０の開口部６３１に接触するように配置すれば、同様の固定方法を適用することができる。そして、この固定方法は、透光性部材５０の位置を簡単かつ正確に位置決めできるので、透光性部材５０のレンズ中心を所定位置に容易に配置できる。
以下に、各構成部材について詳述していく。
＜半導体レーザ素子２０＞
半導体レーザ素子２０は、基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。発光層は、量子効果が生ずる薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としても良い。
半導体レーザ素子２０は、基板上にＧａＡｌＮ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。半導体の構造としては、ＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やＰＮ接合を有したホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルへテロ構成のものが挙げられる。半導体層の材料やその混晶度によって発光波長を紫外光から赤外光まで種々選択することができる。発光層は、量子効果が生ずる薄膜とした単一量子井戸構造や多重量子井戸構造としても良い。
屋外などでの使用を考慮する場合、高輝度な発光素子を形成可能な半導体材料として窒化ガリウム系化合物半導体を用いることが好ましく、また、赤色ではガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を用いることが好ましいが、用途によって種々利用することもできる。
窒化ガリウム系化合物半導体を使用した場合、半導体基板にはサファイヤ、スピネル、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯやＧａＮ単結晶等の材料が用いられる。結晶性の良い窒化ガリウムを量産性良く形成させるためにはＧａＮ単結晶基板を用いることが好ましい。窒化物系化合物半導体を用いた発光素子１０例を示す。ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ、ＡｌＮ等のバッファー層を形成する。その上にＮ或いはＰ型のＧａＮである第１のコンタクト層、量子効果を有するＩｎＧａＮ薄膜である活性層、Ｐ或いはＮ型のＡｌＧａＮであるクラッド層、Ｐ或いはＮ型のＧａＮである第２のコンタクト層を順に形成した構成とすることができる。窒化ガリウム系化合物半導体は、不純物をドープしない状態でＮ型導電性を示す。なお、発光効率を向上させる等所望のＮ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を適宜導入することが好ましい。
一方、Ｐ型窒化ガリウム半導体を形成させる場合は、Ｐ型ドーパンドであるＺｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等をドープさせる。窒化ガリウム系半導体は、Ｐ型ドーパントをドープしただけではＰ型化しにくいためＰ型ドーパント導入後に、炉による加熱、低電子線照射やプラズマ照射等によりアニールすることでＰ型化させる必要がある。こうして形成された半導体ウエハーを部分的にエッチングなどさせ正負の各電極を形成させる。その後半導体ウエハーを所望の大きさに切断することによって半導体レーザ素子２０を形成させることができる。
半導体レーザ素子２０は、３６０ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持つものを使用できるが、４００ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持つものが好ましい。例えば４４５ｎｍ付近に発光ピーク波長を持つものを使用することができる。
＜発光ダイオード素子３０＞
発光ダイオード素子３０は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。
発光ダイオード素子３０は、４７５ｎｍ〜８００ｎｍに発光ピーク波長を持つものを使用できる。特に５９０ｎｍ〜７００ｎｍに発光ピーク波長を持つものが好ましい。
発光ダイオード素子３０は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ等の半導体を発光層として形成させたものが用いられる。
発光ダイオード素子３０は、４７５ｎｍ〜８００ｎｍに発光ピーク波長を持つものを使用できる。特に５９０ｎｍ〜７００ｎｍに発光ピーク波長を持つものが好ましい。
＜透光性部材５０＞
（母材５２）
透光性部材５０の母材には、セラミックス、ガラスや樹脂などの透光性材料が利用できるが、特に、ガラスは、樹脂に比べて、放熱性、耐光性、耐熱性及び耐候性の点で優れているので、母材に好適である。
ガラス母材としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＡｌＮ、ＧａＮなどを含む物質がある。
樹脂母材としては、耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が好ましく、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。
透光性部材５０の形状は特に問わないが、平凸レンズ状、平板状、円盤形状、断面台形の裁頭円錐形状、球状、たまご状など種々の形状を採ることができる。
（母材５２）
透光性部材５０の母材には、セラミックス、ガラスや樹脂などの透光性材料が利用できるが、特に、ガラスは、樹脂に比べて、放熱性、耐光性、耐熱性及び耐候性の点で優れているので、母材に好適である。
ガラス母材としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＡｌＮ、ＧａＮなどを含む物質がある。
樹脂母材としては、耐熱性に優れた熱硬化性樹脂が好ましく、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、アクリレート樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。
透光性部材５０の形状は特に問わないが、平凸レンズ状、平板状、円盤形状、断面台形の裁頭円錐形状、球状、たまご状など種々の形状を採ることができる。
（蛍光体粒子５１）
波長変換材料として使用される蛍光体粒子５１は、半導体レーザ素子からのレーザ光を吸収して、異なる波長の光に波長変換するものであればよい。特に、蛍光体粒子５１が、半導体レーザ素子２０からの光を吸収して４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピーク波長を持つ光を放出する材料であることが好ましい。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体・サイアロン系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類硫化物蛍光体、アルカリ土類チオガレート蛍光体、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体、ゲルマン酸塩蛍光体、又は、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に付活される希土類アルミン酸塩蛍光体、希土類ケイ酸塩蛍光体又はＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これに限定されない。
波長変換材料として使用される蛍光体粒子５１は、半導体レーザ素子からのレーザ光を吸収して、異なる波長の光に波長変換するものであればよい。特に、蛍光体粒子５１が、半導体レーザ素子２０からの光を吸収して４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピーク波長を持つ光を放出する材料であることが好ましい。例えば、Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体・酸窒化物系蛍光体・サイアロン系蛍光体、Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体、アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体、アルカリ土類ケイ酸塩蛍光体、アルカリ土類硫化物蛍光体、アルカリ土類チオガレート蛍光体、アルカリ土類窒化ケイ素蛍光体、ゲルマン酸塩蛍光体、又は、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に付活される希土類アルミン酸塩蛍光体、希土類ケイ酸塩蛍光体又はＥｕ等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体等から選ばれる少なくともいずれか１以上であることが好ましい。具体例として、下記の蛍光体を使用することができるが、これに限定されない。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体は、Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ、ＭＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ、ＭＡｌ１−ＸＢＸＳｉＮ３：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。０＜Ｘ＜１である。）などがある。また、Ｍ２Ｓｉ５Ｎ８：ＥｕのほかＭＳｉ７Ｎ１０：Ｅｕ、Ｍ１．８Ｓｉ５Ｏ０．２Ｎ８：Ｅｕ、Ｍ０．９Ｓｉ７Ｏ０．１Ｎ１０：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などもある。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、ＭＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活されるサイアロン系蛍光体は、Ｍｐ／２Ｓｉ１２−ｐ−ｑＡｌｐ＋ｑＯｑＮ１６−ｐ：Ｃｅ、Ｍ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。ｑは０〜２．５、ｐは１．５〜３である。）などがある。
Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、Ｍ５（ＰＯ４）３Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される酸窒化物系蛍光体は、ＭＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。
Ｅｕ、Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活されるサイアロン系蛍光体は、Ｍｐ／２Ｓｉ１２−ｐ−ｑＡｌｐ＋ｑＯｑＮ１６−ｐ：Ｃｅ、Ｍ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。ｑは０〜２．５、ｐは１．５〜３である。）などがある。
Ｅｕ等のランタノイド系、Ｍｎ等の遷移金属系の元素により主に付活されるアルカリ土類ハロゲンアパタイト蛍光体には、Ｍ５（ＰＯ４）３Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン蛍光体には、Ｍ２Ｂ５Ｏ９Ｘ：Ｒ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｒ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｒ、ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｒ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｒ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ１２：Ｒ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｒ（Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
アルカリ土類硫化物蛍光体には、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕなどがある。
Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体には、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体などがある。また、Ｙの一部若しくは全部をＴｂ、Ｌｕ等で置換したＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅなどもある。
アルカリ土類金属アルミン酸塩蛍光体には、ＳｒＡｌ２Ｏ４：Ｒ、Ｓｒ４Ａｌ１４Ｏ２５：Ｒ、ＣａＡｌ２Ｏ４：Ｒ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：Ｒ、ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ１２：Ｒ、ＢａＭｇＡｌ１０Ｏ１７：Ｒ（Ｒは、Ｅｕ、Ｍｎ、ＥｕとＭｎ、のいずれか１以上である。）などがある。
アルカリ土類硫化物蛍光体には、Ｌａ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕなどがある。
Ｃｅ等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体には、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｙ３（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）５Ｏ１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）３（Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２の組成式で表されるＹＡＧ系蛍光体などがある。また、Ｙの一部若しくは全部をＴｂ、Ｌｕ等で置換したＴｂ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅなどもある。
その他の蛍光体には、ＺｎＳ：Ｅｕ、Ｚｎ２ＧｅＯ４：Ｍｎ、ＭＧａ２Ｓ４：Ｅｕ（Ｍは、Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｚｎから選ばれる少なくとも１種以上である。Ｘは、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉから選ばれる少なくとも１種以上である。）などがある。
上述の蛍光体は、所望に応じてＥｕに代えて、又は、Ｅｕに加えてＴｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選択される１種以上を含有させることもできる。
また、前記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。
また、前記蛍光体以外の蛍光体であって、同様の性能、効果を有する蛍光体も使用することができる。
これらの蛍光体は、半導体レーザ素子の励起光により、黄色、赤色、緑色、青色に発光スペクトルを有する蛍光体を使用することができるほか、これらの中間色である黄色、青緑色、橙色などに発光スペクトルを有する蛍光体も使用することができる。これらの蛍光体を種々組み合わせて使用することにより、種々の発光色を有する表面実装型発光装置を製造することができる。
例えば、青色に発光するＧａＮ系化合物半導体を用いて、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ若しくは（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅの蛍光物質に照射し、波長変換を行う。半導体レーザ素子からの光と、発光ダイオード素子からの光と、蛍光体からの光と、の混合色により白色に発光する表面実装型発光装置を提供することができる。
例えば、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ又はＳｒＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光するＣａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ又はＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕと、からなる蛍光体６０を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する表面実装型発光装置を提供することができる。これは、色の三源色である赤・青・緑を使用しているため、第１の蛍光体及び第２の蛍光体の配合比を変えることのみで、所望の白色光を実現することができる。
例えば、青色に発光するＧａＮ系化合物半導体を用いて、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ若しくは（Ｙ０．８Ｇｄ０．２）３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅの蛍光物質に照射し、波長変換を行う。半導体レーザ素子からの光と、発光ダイオード素子からの光と、蛍光体からの光と、の混合色により白色に発光する表面実装型発光装置を提供することができる。
例えば、緑色から黄色に発光するＣａＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕ又はＳｒＳｉ２Ｏ２Ｎ２：Ｅｕと、蛍光体である青色に発光する（Ｓｒ，Ｃａ）５（ＰＯ４）３Ｃｌ：Ｅｕ、赤色に発光するＣａ２Ｓｉ５Ｎ８：Ｅｕ又はＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕと、からなる蛍光体６０を使用することによって、演色性の良好な白色に発光する表面実装型発光装置を提供することができる。これは、色の三源色である赤・青・緑を使用しているため、第１の蛍光体及び第２の蛍光体の配合比を変えることのみで、所望の白色光を実現することができる。
＜第１キャップ６３０、第２キャップ６４０＞
第１キャップ６３０には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの熱伝導率の高い金属材料を使用することができる。第２キャップ６４０には、第１キャップ６３０よりも熱伝導率が低い材料が選択される。特に、ステムとの溶接が可能なステンレス鋼、コバール、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎなどが好適である。
第１キャップ６３０には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏなどの熱伝導率の高い金属材料を使用することができる。第２キャップ６４０には、第１キャップ６３０よりも熱伝導率が低い材料が選択される。特に、ステムとの溶接が可能なステンレス鋼、コバール、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｎなどが好適である。
＜ステム４０＞
ステムは、銅、鉄、ニッケル−鉄合金、銅−タングステン、銅−モリブデン合金、これらを組み合わせたものなどを使用することができる。ステムは略円柱状のものの他、略だ円柱、略円錐台形、略矩形、カップ状などの形状とすることもできる。また、段差や凹みを設け、キャップとの固定を良好にすることができる。
ステムは、銅、鉄、ニッケル−鉄合金、銅−タングステン、銅−モリブデン合金、これらを組み合わせたものなどを使用することができる。ステムは略円柱状のものの他、略だ円柱、略円錐台形、略矩形、カップ状などの形状とすることもできる。また、段差や凹みを設け、キャップとの固定を良好にすることができる。
本発明の半導体レーザ装置は、プロジェクタ、高輝度が必要な特殊検査器、自動車のヘッドライト、照明などに用いることができる。
１０ 半導体レーザ装置
２０ 半導体レーザ素子
２１ 第１端面（出射端面）
２２ 第２端面（後端面）
２５ モニタ光
２６ レーザ光
３０ 発光ダイオード素子
３５ 発光ダイオード素子のＰＬ光
３６ 発光ダイオード素子の電流注入発光
３７ 発光ダイオード素子の発光
４０ 台座（ステム）
４１ ステム本体
４２ 素子載置部
４４ ステムの表面
５０ 透光性部材
５１ 波長変換材料（蛍光体粒子）
５２ 母材
６０ 積層キャップ
６１ 積層キャップの開口部
６３０ 第１キャップ
６４０ 第２キャップ
６５ キャップの内面
８０ サブマウント
２０ 半導体レーザ素子
２１ 第１端面（出射端面）
２２ 第２端面（後端面）
２５ モニタ光
２６ レーザ光
３０ 発光ダイオード素子
３５ 発光ダイオード素子のＰＬ光
３６ 発光ダイオード素子の電流注入発光
３７ 発光ダイオード素子の発光
４０ 台座（ステム）
４１ ステム本体
４２ 素子載置部
４４ ステムの表面
５０ 透光性部材
５１ 波長変換材料（蛍光体粒子）
５２ 母材
６０ 積層キャップ
６１ 積層キャップの開口部
６３０ 第１キャップ
６４０ 第２キャップ
６５ キャップの内面
８０ サブマウント
Claims (4)
- 半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を覆うように被せられ、前記半導体レーザ素子のレーザ光の光路上に開口部を有するキャップと、
前記キャップの前記開口部を塞ぐように配置される透光性部材と、
前記半導体レーザ素子を載置する素子載置部を有し、前記キャップが固定される台座と、を備えたレーザ装置であって、
前記半導体レーザ素子が、レーザ光を出射する第１端面と、前記第１端面と対向して配置され前記レーザ光の一部を出射する第２端面と、を有し、
前記レーザ装置は、前記半導体レーザ素子の前記第２端面側に配置される発光ダイオード素子をさらに備え、
前記発光ダイオード素子の発光ピーク波長は、前記半導体レーザ素子の発光ピーク波長より長波長であることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記透光性部材が、前記半導体レーザ素子からのレーザ光の一部を吸収して異なる波長の発光に変換する波長変換材料を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 波長変換材料が、蛍光体であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザ素子は、３６０ｎｍ〜４７０ｎｍに発光ピーク波長を持ち、
前記発光ダイオード素子は、４７５ｎｍ〜８００ｎｍに発光ピーク波長を持ち、
波長変換材料は、前記半導体レーザ素子からの光を吸収して４７５ｎｍ〜７５０ｎｍに発光ピーク波長を持つ光を放出することを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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