JP5233172B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
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Description
また、半導体レーザ素子は気密状態に封止されなければ劣化しやすい。したがって、素子のライフ寿命を持続できる密封状態、及び所望の波長を有する出射光を放出可能な波長変換部材、の双方を十分に満足させる発光装置を実現するに至っていないのが現状である。
さらに、本発明の第3の半導体発光装置は、波長変換部材が、ガラス、SiO2、AlN、ZrO2、SiN、Al2O3、GaNの少なくとも一種を含む無機材料をバインダにして、蛍光体を固めたものであることを特徴とする。
の範囲にあることを特徴とする。
実施例1の半導体発光装置の一例として、半導体レーザ装置1の斜視図を図1に、また、図1におけるII−II’線における断面模式図を図2に示す。この半導体レーザ装置1は、主として、半導体発光素子2及びこれを固定する支持体3と、光透過体5及びこれを支持する封止用キャップ4と、波長変換部材7及びこれを支持する外側キャップ6と、を備える。
支持体3及びステム柱体9の材質は、封止用キャップ4、外側キャップ6との接着性や、放熱性の良いものであれば特に限定されず、例えば銅、または銅に少なくともW、Moのいずれか一つを含有させた合金、Fe等が挙げられる。支持体3及びステム柱体9は熱膨張係数の近い材質の組み合わせが好ましい。これにより両者の接合性を高めることができる。また、支持体3は、後述する光透過体を備える封止用キャップ4と共に構成される内部空間内に、半導体発光素子2を気密状態で固定できるものであれば、その形状は限定されない。例えば、図2では支持体3を略円盤形状の平面とし、上方に光透過体5を有する略円筒形状の封止用キャップ4を設置する構成を採用した。
光透過体5を支持する封止用キャップ4は、上述したように半導体レーザ素子2aが載置される内部空間を気密封止できる材質、つまり連結されるステム3a及び光透過体5との接着性に優れた材質であって、さらには半導体レーザ素子2a等の熱源からの伝導熱を放熱可能な材質であれば特に限定されない。一例としてCu、Al、Ni、またはNiとFeとの合金、Fe、鉄−ニッケル−コバルト合金(コバール)、ステンレススチール(SUS)等が挙げられる。SUSは、鉄にクロムを含有させた合金鋼であって、さらにニッケル、モリブデンを含有する場合もある。ステム3a及び封止用キャップ4は、例えば抵抗溶接によって接合されることより、抵抗溶接の溶接性を良好にする材料が好ましい。実施例1ではコバール製の封止用キャップ4とFe製のステム3aとを抵抗溶接にて溶接した。さらに具体的には、封止用キャップ4において、ステム3aと接合する面に突起を形成し、この突起とステム3a間に比較的大きな電極で加圧するプロジェクション溶接を施した。これにより封止用キャップ4及びステム3aは安定して接合でき、両者で構成される内部空間の気密性を高めることができる。また、気密封止には、不活性ガス、大気などを用いることができる。具体的には、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、酸素、フッ素、一酸化炭素、二酸化炭素、もしくは、これらを合わせたもの、または乾燥空気などを用いることができる。
また、封止用キャップ4において、光源からの出射光を受光する受光領域に設けられた第1貫通孔10は、キャップの厚さ方向に貫通されており、かつ半導体レーザ素子2aの光出射面13と離間されて位置する。この第1貫通孔10内に低融点ガラス等の接着材でもって光透過体5が固定でき、或いは接着材を使用せず、ガラス製の光透過体5と、封止用キャップ4との間で化学反応により両者を固定できる。これにより第1貫通孔10の貫通領域を閉塞状態とする。換言すれば光透過体5は封止用キャップ4でもって支持される。光透過体5は、半導体レーザ素子2aからの出射光の少なくとも一部を封止用キャップ4の外側へと透過可能にしており、好適には半導体レーザ素子2aからの出射光のほぼ全てを透過できるものとする。さらに光透過体5の径における中心軸は、半導体レーザ素子2aの出射光における光軸とほぼ等しい。光透過体5の径は、半導体レーザ素子2aからの出射光がほぼ全て進行できる大きさであれば特に限定しない。本明細書で言う「ほぼ全て」とは光の80%以上を意味しており、この範囲内であれば、光源から半導体レーザ装置1外への光取り出し効率が高まる。例えば、光透過体5における受光側の形状は、半導体レーザ素子2aの光出射パターンとほぼ同じ形状、若しくは円形状とすることができる。なぜなら、光源である半導体レーザ素子2aは、出射光の指向性が高いため一方向へ導光しやすい。したがって光透過体5の径は、半導体レーザ素子2aからの出射光のカバーできる径とすれば足り、入光部を必要以上に大きくする必要がない。換言すれば、光透過体5の受光側の形状は、半導体レーザ素子2aの出射パターン及び、半導体レーザ素子2aと光透過体5間との距離を考慮した光形状の面積を備えていればよい。
波長変換部材は、励起光源から射出される励起光の一部又は全部を吸収し、波長変換して、光源からの励起光よりも長波長域の光、例えば、赤色、緑色、青色、さらに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光を放出し得るものである。したがって、波長変換部材は、このような機能を実現することができる材料によって構成されるものであれば、その種類は限定されない。つまり、波長変換部材は、励起光源から発せられた光の一部又は全部を、長波長側に発光ピーク波長を有する光に変換して、導出する。
また、波長変換部材7において、光源との対向面である受光側(図2における下側)にARコート層を備えることができる。ARコート層は光透過体5に装着されるARコート層と同様のものを使用できる。これにより、光源からの出射光が戻り光となるのを防止でき、半導体レーザ素子2aのライフ特性が向上する。さらに光損失を低減できるため、装置全体の光取り出し効率を上昇させることができる。
また、波長変換部材7は、波長変換物質の他、粘度増量剤、光拡散物質、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することもできる。光拡散物質として例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、および、これらを少なくとも一種以上含む混合物等を挙げることができる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。同様に外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルター効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。
図2に示された外側キャップ6は、封止用キャップ4の外面側に封止用キャップ4と離間して構成され、外側キャップ6の底面領域でステム3aと、例えば抵抗溶接により接合される。また、外側キャップ6における、光透過体5を介した透過光を受光する領域には、外側キャップ6の厚み方向において内外と貫通した円筒状の第2貫通孔11が形成されてなる。この第2貫通孔11には波長変換部材7がシリコーン樹脂、セラミック、低融点ガラス等の接着材でもって装着され、第2貫通孔11を閉塞する。外側キャップ6は、波長変換部材7との接着性に優れ、さらに波長変換部材7等の熱源より伝導する熱を、効率良く外部へと放出可能な材質であれば、特に限定されない。また、波長変換部材7と熱膨張係数が等しい部材を用いることが好ましく、より具体的にはコバールを含有する部材が好ましい。このようにすれば、波長変換部材7と外側キャップ6との熱膨張係数の差に基づいて、波長変換部材7や外側キャップ6などに不良が発生することを防止することができ、歩留まりを向上させることができる。尚、波長変換部材7と外側キャップ6とを樹脂で配置する場合には、上記と同様の理由により、外側キャップ6には、当該樹脂と同じ材質の部材を用いることが好ましい。
上記の構造を有する半導体レーザ装置1によれば、封止用キャップ4の外面側に外側キャップ6備えた2重構造とすることで、封止領域12内の気密状態をさらに安定したものとできる。封止領域12内に搭載された半導体レーザ素子2aからの出射光は、光透過体5を透過し、さらに波長変換部材7へと進行することによって、透過光の少なくとも一部の光が波長変換される。これにより光源からの出射光と、波長変換された光との混色光を装置外へと放射することができる。つまり半導体レーザ素子2aのライフ特性を向上させると同時に、所望の波長を出射可能な発光装置とできる。さらに、光透過体5及び波長変換部材7において、指向性の高い半導体レーザ素子2aからの出射光のほぼ全てを透過できるに足りる径とすることで、照射される蛍光体の単位面積あたりの波長変換量を増大させることが可能となり、ひいては高輝度な光を装置外へと放出できる。
実施例1の半導体レーザ装置1では、光源である半導体発光素子として青色系の半導体レーザ素子2aを使用した。この半導体レーザ素子2aは、n型半導体層とp型半導体層との間に活性層を形成し、この活性層が多重量子井戸構造、又は単一量子井戸構造をなすものであって、特にIII−V族窒化物半導体より形成されるのが好ましい。これにより指向性が高く一方向に光を導波しやすいレーザ光を得ることができる。つまり高効率に光を装置の外部へと取り出すことが可能となる。
以下に実施例1に係る半導体発光装置1の製造方法の一例を図2を用いて示す。上記の方法で製造された半導体発光素子2は、ステム3aの上面の中央域に載置されたステム柱体9の一側面に、Au−Sn等の接着材を介して固定される。また、ステム3aの下面側には、外部電極と電気的に接続可能なリード8が連結されている。半導体レーザ素子2aはワイヤー等の導電部材を介して電気的にリード8と接続され、これにより外部電極から半導体レーザ素子2aへの電力供給が可能となる。
(波長変換部材)
また、波長変換部材7の形状は、波長変換部材7の光の出射側18方向(図2における上方向)へ導光できる形状とすることが望ましい。この具体的な形状を図6に示す。図6(a)〜(d)は、波長変換部材7の概略断面図である。図6(a)の波長変換部材7aの形状は円盤状であり、他の形状と比較して容易に形成できる形状であるため、歩留まりを向上させることができる。また、図6(b)に示す波長変換部材7bの形状は、光の出射側に凸となるドーム形状である。これにより光の出射側において全反射を生じ難くすることができ、光取り出し効率を向上させることができる。さらに、図6(c)の波長変換部材7cは球状である。このようにすれば、波長変換部材7cにおける光の出射側18での全反射のみならず、光の入射側19での全反射をも生じ難くできる。加えて、図6(d)に示す波長変換部材7dはレンズ形状であり、波長変換部材7dにおける光の出射側18及び入射側19での双方で全反射を抑制でき、反射・屈折光が半導体発光素子2側への戻り光となることを抑止できる。また、波長変換部材において、波長変換部材と空気との界面における屈折率差を考慮して、光の出射側18側の形状を適宜選択・加工することにより、集光・拡散等の波面制御が可能となる。
なお、図6(a)’〜(d)’に図示される波長変換部材7a’〜7d’の断面概略図は、図6(a)〜(d)の波長変換部材7a〜7dにおいて、光の入射側19の面に反射膜22が形成されたものである。反射膜22を有することにより、波長変換部材へと進行した光が、半導体発光素子2側へと戻り光となることを一層抑止でき、すなわち、光取り出し効率をさらに向上させることができるため、光出力の増大につながる。
また、図7(a)〜(g)は、外側キャップ6e〜6kにおいて、種々の形状の第2貫通孔11e〜11kを備える半導体レーザ装置の断面概略図である。ただし、この第2貫通孔11e〜11kに装着される波長変換部材の図示は省略されている。まず、図7(a)の外側キャップ6eにおける第2貫通孔11eは、光透過体5と近傍する貫通孔連結部11−1に形成された孔の内壁から連続し、貫通孔連結部11−1の孔よりも内径が大きい円柱状の孔11−2を形成する内壁を有している。このようにすれば、貫通孔連結部11−1と孔11−2の形状がともに円柱状となるため、外側キャップ6eの加工が容易となり、歩留まりを向上させることができる。また、貫通孔連結部11−1の内壁が構成する径の大きさは、少なくとも光透過体5の径の大きさを有するものとし、好ましくはほぼ同一とする。これにより、指向性を有する半導体発光素子2からの出射光が、第2貫通孔11e内に進行する際の光損失を低減しつつ、さらに出射側18へと効率良く導光できるため、光取り出し効率を向上させることができる。
さらに、図7に示す外側キャップ6e〜6kにおける第2貫通孔11e〜11k内には、図6に示す波長変換部材7a〜7d、7a’〜7d’が、任意の組み合わせにより装着できる。一例として、図7(a)に示される外側キャップ6e内に、図6(a)の波長変換部材7aが装着される際の取り付け方法を図8を用いて説明する。図8(a)の外側キャップ6eにおいて、波長変換部材7aを、第2貫通孔11eに装着させる際には、まず第2貫通孔11e内に低融点ガラス(または樹脂)23を挿入する。続いて波長変換部材7aを低融点ガラス(または樹脂)23に密着させるよう第2貫通孔11e内に装着させることにより、波長変換部材7aを外側キャップ6eに固定することができる。
また、図12に示すように封止用キャップ4bの外面側には、反射層15を備えることができる。反射層15は、少なくとも半導体レーザ素子2aからの出射光を透過可能な面、つまり図における上部の略環状面16の外面側に備えられる。ただ、封止用キャップ4bの外面側及び外側キャップ6bの内面側すべてに反射層15を有することもできる。これにより、光源からの出射光が光透過体5を介して波長変換部材7に進行し、波長変換部材7内に含有された蛍光体でもって反射され、光が封止用キャップ4b側へと導光された場合でも、反射層15でもって再び波長変換部材7側へと進行方向を矯正できる効果を奏する。すなわち装置内での光損失を低減できる。実施例2では反射層15としてAgのメッキ層を形成した。Agは300nm以上、特に365nm以上の波長を有する光を好適に反射する。例えば実施例2においてはYAG蛍光体により波長変換された470〜800nmの波長を有する光を選択的に反射できるため、概蛍光体を有する半導体レーザ装置では好適に使用できる。
2…半導体発光素子
2a…半導体レーザ素子
3、3b、3d…支持体
3a…ステム
4、4b、4c、4d…封止用キャップ
5、5a、5b、5c、5d…光透過体
6、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i、6j、6k…外側キャップ
7、7a、7b、7c、7d、7a’、7b’、7c’、7d’…波長変換部材
8…リード
9…ステム柱体
10…第1貫通孔
11、11e、11f、11g、11h、11i、11j、11k…第2貫通孔
11−1…貫通孔連結部
11−2、11−3、11−4、11−5、11−6、11−7、11−8、11−9、11−10、11−11、11−12、11−13…孔
12…封止領域
13…光出射面
14、14b、14c、14d、14e…鍔領域
15…反射層
16…封止用キャップの環状面
17…封止用キャップの露出領域
18…光の出射側
19…光の入射側
20、20b…ARコート層
21…ガラス層
22…反射膜
23…低融点ガラス(または樹脂)
25、25’…融着
100…照明用光源装置
101…半導体レーザ素子
102…ヒートシンク
103…拡散レンズ
104…蛍光体
105…真空ガラス管
Claims (13)
- 半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を固定可能な支持体と、
前記半導体発光素子からの出射光を透過する、蛍光体を含まない光透過体と、
前記支持体に固定され、前記光透過体を支持する封止用キャップと、
前記封止用キャップの外側に配置され、前記光透過体より透過された透過光の少なくとも一部を波長変換可能な、蛍光体を分散させてなる波長変換部材と、
前記波長変換部材を、前記光透過体と離間させかつ対向させた位置に支持する外側キャップと、
を有しており、
前記封止用キャップ及び前記外側キャップは、前記支持体と熱伝導状態に固定されてなることを特徴とする半導体発光装置。 - 半導体発光素子と、
少なくとも一部を開口しており、前記半導体発光素子を固定可能な支持体と、
前記支持体の開口部分を閉塞するように前記支持体と固定される封止用キャップと、
前記支持体又は前記封止用キャップに固定され、前記半導体発光素子からの出射光を透過する、蛍光体を含まない光透過体と、
前記支持体又は前記封止用キャップの外側であって、前記支持体上に固定され、前記光透過体より透過された透過光の少なくとも一部を波長変換可能な、蛍光体を分散させてなる波長変換部材と、
前記波長変換部材を、前記光透過体と離間させかつ対向させた位置に支持する外側キャップと、
を有しており、
前記封止用キャップ及び前記外側キャップは、前記支持体と熱伝導状態に固定されてなることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1又は2に記載の半導体発光装置であって、
前記波長変換部材が、ガラス、SiO2、AlN、ZrO2、SiN、Al2O3、GaNの少なくとも一種を含む無機材料をバインダにして、蛍光体を固めたものであることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記光透過体の中心軸は、前記半導体発光素子からの出射光の光軸と略同一であり、
前記中心軸上に、前記波長変換部材が配置されることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記封止用キャップの外面と、前記外側キャップの内面とが接触領域を有することを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至6のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記封止用キャップ及び前記外側キャップの少なくとも一方のキャップにおいて、端部には前記支持体と略平行で且つ外側に折曲させた鍔領域が形成されており、
前記鍔領域と前記支持体は固定されてなることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項7に記載の半導体発光装置であって、
前記封止用キャップにおける前記鍔領域が前記支持体と連結されており、
前記外側キャップは、前記封止用キャップの鍔領域の外面側と接触しており、
前記封止用キャップの鍔領域は、前記支持体及び前記外側キャップに狭着され、かつ前記鍔領域の少なくとも一部は外部に露出しており、
前記封止用キャップの鍔領域と、前記支持体との連結領域は、前記鍔領域と前記外側キャップとの接触領域よりも大きいことを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記光透過体が、レンズ状であることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子は、360nm乃至800nmに発光ピーク波長を有する半導体レーザ素子若しくは端面発光型LEDであることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至10のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記蛍光体は、LAG、BAM、BAM:Mn、YAG、CCA、SCA、SCESN、SESN、CESN、CASBN及びCaAlSiN3:Euからなる群から選択される少なくとも1種を含むことを特徴とする発光装置。 - 請求項1乃至11のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記光透過体または前記波長変換部材における少なくとも光出射面側の表面が、高低差を有するよう加工されていることを特徴とする半導体発光装置。 - 請求項1乃至12のいずれか一に記載の半導体発光装置であって、
前記光透過体または前記波長変換部材において、フィラーを含有することを特徴とする半導体発光装置。
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