JP6940785B2 - 発光装置 - Google Patents

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Description

本開示は、発光装置に関する。
従来、半導体発光素子（半導体レーザ素子）を覆うキャップ本体（キャップ）の貫通孔に波長変換物質含有の光透過体（波長変換部材）を配置する半導体発光装置（発光装置）が提案された（特許文献１参照）。
特開２００８−１５３６１７号公報
上記従来の発光装置よりも光学特性の安定性と放熱性とに優れた発光装置を提供する。
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子を覆い前記半導体レーザ素子からの光を通過させるための貫通孔を備えたキャップと、前記キャップの貫通孔内に設けられ前記半導体レーザ素子からの光とは異なる波長の光を発する波長変換部材と、を備えた発光装置であって、前記キャップは、セラミックで構成された第１部材と、金属材料で構成された第２部材と、を備え、前記貫通孔は、前記第１部材を貫通する第１貫通孔と前記第２部材を貫通する第２貫通孔とを有し、前記波長変換部材は、前記第２部材に設けられている、ことを特徴とする発光装置。
光学特性の安定性と放熱性とに優れた発光装置を提供することができる。
実施形態１に係る発光装置の模式図（波長変換部材の下面が第２部材に接触する形態例）であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中のＡで示した箇所を拡大した図である。 実施形態１に係る発光装置の模式図（波長変換部材の下面と第２部材との間に金属部材が介在する形態例）であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施形態１に係る発光装置の模式図（波長変換部材の側面と第１部材とが離間する形態例）であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施形態２に係る発光装置の模式図（波長変換部材の側面が第２部材に接触する形態例）であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 実施形態２に係る発光装置の模式図（波長変換部材の側面と第２部材との間に金属部材が介在する形態例）であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲んだ部分を拡大した図である。 貫通孔の平面視における形状の一例を示す模式図であり、（ａ）は貫通孔の形状が平面視において円形状である場合の一例を示し、（ｂ）は貫通孔の形状が平面視において矩形状である場合の一例を示す。 波長変換部材が多層構造である場合の一例を示す模式図であり、（ａ）は実施形態２に係る発光装置の全体図、（ｂ）は（ａ）中の破線で囲んだ部分を拡大した図である。
［実施形態１に係る発光装置１００］
図１から図３に示すように、実施形態１に係る発光装置１００は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０を覆い半導体レーザ素子１０からの光を通過させるための貫通孔３０ａを備えたキャップ３０と、キャップ３０の貫通孔３０ａ内に設けられ半導体レーザ素子１０からの光とは異なる波長の光を発する波長変換部材４０と、を備えた発光装置であって、キャップ３０は、セラミックで構成された第１部材３１と、金属材料で構成された第２部材３２と、を備え、貫通孔３０ａは、第１部材３１を貫通する第１貫通孔３１ａと第２部材３２を貫通する第２貫通孔３２ａとを有し、波長変換部材４０は、第２部材３２に設けられている発光装置である。以下、順に説明する。
（半導体レーザ素子１０）
半導体レーザ素子１０としては、レーザダイオードなどを用いることができる。レーザダイオードとしては、例えば３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲、好ましくは４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するものを用いることができる。３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するレーザダイオードを半導体レーザ素子１０として用いる場合には、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）をセラミックとして用い銅を金属材料として用いることにより、セラミックの反射率を金属材料の反射率よりも高くすることできる。さらに、４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲に発光ピーク波長を有するレーザダイオードを半導体レーザ素子１０として用いる場合には、３００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲に発光ピーク波長がある場合と同様の効果があることに加えて、ＹＡＧ系蛍光体などを波長変換部材４０として用いて半導体レーザ素子１０からの光（例：青色系、紫色系など）と波長変換部材４０（例：ＹＡＧ系蛍光体など）からの光とを組み合わせることで白色光を容易に取り出すことができるという効果がある。
半導体レーザ素子１０はヒートシンク２０上に載置されている。ヒートシンク２０としては、熱伝導性に優れた部材、例えば、銅、アルミニウム、真鍮などを用いることが好ましい。ヒートシンク２０は板状のステム２１に固定されている。半導体レーザ素子１０はワイヤーなどの導電部材を介してリード２２に接続されている。
（キャップ３０）
キャップ３０は、半導体レーザ素子１０を覆い半導体レーザ素子１０からの光を通過させるための貫通孔３０ａを備えている。半導体レーザ素子１０から出射した光はキャップ３０が備える貫通孔３０ａを通過してキャップ３０の外部に取り出される。貫通孔３０ａの形状は特に限定されないが、例えば、図６（ａ）や図６（ｂ）に示すように、平面視において円形状や矩形状などにすることができる。
キャップ３０は、セラミックで構成された第１部材３１と、金属材料で構成された第２部材３２と、を備えている。セラミックで構成された第１部材３１を用いることで、酸化や硫化などによる反射率の低下を抑制して、安定した光学特性を得ることができる。また、金属材料で構成された第２部材３２を用いることで、波長変換部材４０で生じた熱をキャップ３０の外部へ効率的に放熱することができる。第１部材３１と第２部材３２とは多層構造であってもよい。
セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などを用いることができる。金属材料としては、熱伝導率が１００Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上である部材（例：銅、アルミニウム、真鍮）を用いることができる。第１部材３１には、実質的にセラミックのみで構成されているという程度にセラミック以外の部材が含まれていてもよい。同様に、第２部材３２には、実質的に金属材料のみで構成されているという程度に金属材料以外の部材が含まれていてもよい。
半導体レーザ素子１０からの光に対するセラミックの反射率は、金属材料の反射率より低くてもよいが、高いことが好ましい。例えば、半導体レーザ素子１０からの光に対するセラミックの反射率は、半導体レーザ素子１０からの光に対する金属材料の反射率の好ましくは１６０％以上であり、より好ましくは１７０％以上であり、さらに好ましくは１８０％以上である。セラミックの半導体レーザ素子１０からの光に対する反射率は、７０％以上、好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上である。
貫通孔３０ａは、第１部材３１を貫通する第１貫通孔３１ａと第２部材３２を貫通する第２貫通孔３２ａとを有している。第１貫通孔３１ａと第２貫通孔３２ａの形状は特に限定されないが、例えば、第２部材３２を第１部材３１より半導体レーザ素子１０側に設け、第２貫通孔３２ａの開口径を第１貫通孔３１ａの開口径より小さくすることが好ましい。このようにすれば、貫通孔３０ａ内において第２貫通孔３２ａの内壁面が第１貫通孔３１ａの内壁面よりも内側に位置し第２部材３２が貫通孔３０ａ内において突き出すため、波長変換部材４０の下面を第２部材３２の上面により支持することができる。したがって、波長変換部材４０を貫通孔３０ａに設けることが容易になるとともに、波長変換部材４０を比較的大きな接触面積で第２部材３２に接触させることが可能となる。なお、波長変換部材４０の下面は、第２部材３２の上面により直接支持されてもよいし（図１、３参照）、金属部材５０を介して支持されてもよい（図２参照）。金属部材５０としては、Ａｕ−Ｓｎなどの共晶接合材を用いることができる。このような材料を金属部材５０として用いることで、放熱性を損なうことなく波長変換部材４０と第２部材３２とを接合することができる。
第１貫通孔３１ａと第２貫通孔３２ａは、半導体レーザ素子１０側からキャップ３０外に向かって開口径が大きくなるように形成してもよい（図３参照）。このようにすれば、第１貫通孔３１ａや第２貫通孔３２ａの傾斜した内壁面により、キャップ３０外に向かって効率良く光を反射することができるため、より一層、安定した光学特性を維持することができる。
キャップ３０は、第２部材３２の下面の外周を支持する円筒状の支持体３３を備えていてもよい。支持体３３は例えばステム２１上に固定される。支持体３３は、放熱性の観点から、金属で形成されていることが好ましい。第２部材３２と支持体３３は、例えば、ＹＡＧレーザ溶接などによって固定することができる。半導体レーザ素子１０とキャップ３０の貫通孔３０ａとの間には、半導体レーザ素子１０からの光を集光するレンズなどの部材を設けてもよい。
（波長変換部材４０）
波長変換部材４０は、キャップ３０の貫通孔３０ａ内に設けられ半導体レーザ素子１０からの光とは異なる波長の光を発する。波長変換部材４０としては、例えば、半導体レーザ素子１０からの光により励起される蛍光体６０を含有した焼結体、透光性樹脂、あるいはガラスなどを用いることができる。この場合は、波長変換部材４０に入射した半導体レーザ素子１０からの光により、焼結体中または透光性樹脂中の蛍光体６０が励起され、この励起された蛍光体６０から半導体レーザ素子１０からの光とは異なる波長の光が発せられる。
焼結体は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などのセラミックを用いることが好ましい。セラミックを用いることで蛍光体６０の発熱による波長変換部材４０の変形などを抑制できるため安定した光学特性を得ることができる。
蛍光体６０としては、例えば、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＹＡＧ系蛍光体）、ルテチウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＬＡＧ系蛍光体）、テルビウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体（ＴＡＧ系蛍光体）、サイアロン系蛍光体などを単独または組み合わせて用いることができる。
波長変換部材４０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）などの粒状の光散乱部材を含有していてもよい。このようにすれば、半導体レーザ素子１０からの光を波長変換部材４０中で散乱させることができるため、発光装置１００から取り出される光の色ムラを抑制することができる。
波長変換部材４０の形状は特に限定されないが、例えば、円柱状、四角柱状、円錐台形状などにすることができる。
波長変換部材４０は、第２部材３２に設けられている。波長変換部材４０が第２部材３２に設けられている形態の一例としては、例えば、波長変換部材４０が第２部材３２に接触している形態（図１、３参照）や、波長変換部材４０が第２部材３２に接触する金属部材５０に接触している形態（図２参照）を挙げることができる。波長変換部材４０が第２部材３２に設けられていることにより、波長変換部材４０で生じた熱が第２部材３２を介してキャップ３０の外側へ効率的に放熱される。
波長変換部材４０は、第１部材３１に接触していてもよいし（図１、２参照）、接触していなくてもよい（図３参照）。波長変換部材４０と第１部材３１とが接触する場合の一例としては、例えば、波長変換部材４０が第１部材３１の第１貫通孔３１ａと同一の形状（完全に同一の形状である場合のほか、誤差と呼べる程度に形状に違いがある場合を含む。）である場合を挙げることができる。また、波長変換部材４０の形状を第１貫通孔３１ａの形状と同一にすることが製造上難しい場合は、波長変換部材４０と第１貫通孔３１ａの内壁面との隙間を透光性の部材で埋没してもよい。例えば、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、原子層堆積法、ゾルゲル法などにより形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、透光性の樹脂などにより波長変換部材４０と第１貫通孔３１ａの内壁面との隙間を埋没することが好ましい。特に、原子層堆積法、ゾルゲル法により形成することが好ましく、隙間を容易に埋没することができる。このようにすれば、波長変換部材４０と第１部材３１との密着性が向上することで放熱経路が増加し、放熱性を向上させることができる。
第２部材３２を貫通する第２貫通孔３２ａの内壁面には、セラミックで構成された第３部材３４を設けてもよい。このようにすれば、波長変換部材４０の下面から半導体レーザ素子１０側に向かう光（例：波長変換部材４０の下面や波長変換部材４０の内部で反射された光）をセラミックで構成された第３部材３４で反射させ、波長変換部材４０に再び入射させることが可能となる。第３部材３４としては、半導体レーザ素子１０からの光の反射を目的として上記した第１部材３１と同一の部材（同一の材料からなるセラミック）を用いることが好ましい。
第２部材３２の内壁面に第３部材３４を設ける場合には、第３部材３４を第２部材３２の内壁面に嵌合させる段差等の嵌合部Ｘを第３部材３４と第２部材３２の内壁面とに設けることが好ましい。このようにすれば、第２部材３２の内壁面における第３部材３４の位置決めが容易となるとともに、第２部材３２の内壁面と第３部材３４の密着性を向上させることができる。
第３部材３４は第２部材３２の内壁面に接触していてもよい。
以上説明したように、実施形態１に係る発光装置１００によれば、キャップ３０がセラミックで構成された第１部材３１と金属材料で構成された第２部材３２とを備え、貫通孔３０ａが第１部材３１を貫通する第１貫通孔３１ａと第２部材３２を貫通する第２貫通孔３２ａとを有し、波長変換部材４０が第２部材３２に設けられる。したがって、光学特性の安定性と放熱性とに優れた発光装置を提供することができる。
［実施形態２に係る発光装置２００］
図４、図５に示すように、実施形態２に係る発光装置２００は、波長変換部材４０の「側面」が第２部材３２に設けられている点で、波長変換部材４０の「下面」が第２部材３２に設けられている実施形態１に係る発光装置１００と相違する。実施形態２によっても、実施形態１と同様に、光学特性の安定性と放熱性とに優れた発光装置を提供することができる。
図４、図５に示すように、波長変換部材４０と、第２部材３２の第２貫通孔３２ａと、を同一の形状（完全に同一の形状である場合のほか、誤差と呼べる程度に形状に違いがある場合を含む。）とすることもできる。これにより、波長変換部材４０の側面を第２部材３２に設けることが容易になる。なお、波長変換部材４０の形状を第２貫通孔３２ａの形状と同一にすることが製造上難しい場合は、波長変換部材４０の側面と第２貫通孔３２ａの内壁面との隙間を透光性の部材で埋没してもよい。例えば、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、原子層堆積法、ゾルゲル法などにより形成された酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、透光性の樹脂などにより波長変換部材４０の側面と第２貫通孔３２ａの内壁面との隙間を埋没し接触させることが好ましい。特に、原子層堆積法、ゾルゲル法により形成することが好ましく、隙間を容易に埋没することができる。このようにすれば、波長変換部材４０の側面と第２部材３２との密着性が向上し放熱経路が増加するため、放熱性を向上させることができる。
波長変換部材４０は多層構造であってもよく、例えば、図７に示すように、焼結体からなる波長変換部材４０ａとガラスからなる波長変換部材４０ｂとが半導体レーザ素子１０側から順に設けられた構造であってもよい。この場合、ガラスからなる波長変換部材４０ｂには発光装置２００から出射する光を所望の色調に補正することを目的として蛍光体６０を含有させてもよく、例えば、赤色系の蛍光体を含有させてもよい。このような構成とすることで、発光装置２００の放熱性を維持しつつ発光装置２００の色調を調整することができる。なお、図７では、一例として、実施形態２に係る発光装置において波長変換部材４０が多層構造とされる形態を示したが、波長変換部材４０が多層構造である形態は、実施形態２に限定されるものではなく、波長変換部材４０は実施形態１やその他の形態においても多層構造にすることができる。
以上、実施形態について説明したが、これらの説明は、一例であり、特許請求の範囲に記載された構成は、これらの説明によって何ら限定されるものではない。
１０ 半導体レーザ素子
２０ ヒートシンク
２１ ステム
２２ リード
３０ キャップ
３０ａ 貫通孔
３１ 第１部材
３１ａ 第１貫通孔
３２ 第２部材
３２ａ 第２貫通孔
３３ 支持体
３４ 第３部材
４０ 波長変換部材
４０ａ 波長変換部材
４０ｂ 波長変換部材
５０ 金属部材
６０ 蛍光体
１００ 発光装置
２００ 発光装置
Ｘ 段差部

Claims (8)

  1. 発光色が青色系または紫色系の半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子の側方を囲う支持体と、
    セラミックで構成され、第１貫通孔を有する第１部材と、
    金属材料で構成され、第２貫通孔を有する第２部材と、
    前記半導体レーザ素子からの光とは異なる波長の光を発し、蛍光体を含有した焼結体の波長変換部材を下層に、赤色系の蛍光体を含有するガラスの波長変換部材を上層に設けた多層構造である波長変換部材と、
    を備え、
    前記第２部材は、前記第１部材よりも前記半導体レーザ素子の側に設けられており、かつ、前記半導体レーザ素子よりも上方において前記第２部材の下面が前記支持体の上面に支持され、
    前記波長変換部材の下面は前記支持体よりも上方に位置し、
    前記波長変換部材は、前記第１貫通孔と同一の形状であって、下面が前記第２部材の上面によって支持され、側面が前記第１貫通孔の内側に設けられ、さらに、前記第２貫通孔を塞ぐ発光装置。
  2. 前記波長変換部材の側面が、前記第１部材と接触している請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記支持体が金属材料で構成されている請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記半導体レーザ素子の発光ピーク波長は、４２０ｎｍ〜４７０ｎｍである請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
  5. 前記波長変換部材は、粒状の光散乱部材をさらに含む請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
  6. さらに、前記支持体の下面が固定され、かつ、前記半導体レーザ素子が上に配置される上面を有するステムを備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
  7. 前記半導体レーザ素子が載置されるヒートシンクを備え、
    前記ヒートシンクは前記ステムの上面に固定される請求項６に記載の発光装置。
  8. 前記第２部材よりも、前記第１部材の方が、前記半導体レーザ素子からの光に対する反射率が高い請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光装置。
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