JP2008235945A

JP2008235945A - 発光素子

Info

Publication number: JP2008235945A
Application number: JP2008174692A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Okazaki; 淳岡崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】半導体レーザチップを用いてコヒーレンスのない光を出射する発光素子を提供すること。
【解決手段】レーザ光を出射する半導体レーザチップと、レーザ光を受けてコヒーレンスを低下させて低コヒーレンス光を生成するコヒーレンス低下部材と、開口を有して前記レーザチップおよびコヒーレンス低下部材を内部に収容するパッケージを備え、コヒーレンス低下部材は、入射レーザ光の位相を乱して反射するように金属を粗く蒸着することにより粗面化処理された反射樹脂面を有し、前記半導体レーザレーザチップからのレーザ光がコヒーレンス低下部材によって低コヒーレント光に変換され開口から出射される。
【選択図】図１

Description

この発明は発光素子に関し、とくに半導体レーザチップを用いた発光素子に関する。

この発明に関連する従来技術としては、透明樹脂に混入させた蛍光体を発光ダイオード（ＬＥＤ）で励起して白色光を生成するようにした光源が知られている（例えば、特許文献１参照）。
そして、このようにＬＥＤを用いた光源は、近年、信号機や計器盤の表示などにおいて従来の電球に置き換えて利用されはじめている。また、一般家庭用の照明器具（例えばデスクスタンド）にも適用されつつある。
特許公報第２９２７２７９号（〔００１７〕−〔００１８〕）

しかしながら、ＬＥＤチップはその出力が数ｍＷから高々１０ｍＷであり、大きい出力を得ることが難しい。これに対し、半導体レーザチップは、３０〜５０ｍＷと大きい出力を有するが、光の波の位相が揃っており、いわゆるコヒーレンス（可干渉性）を有し、ヒトの目に有害であるため、一般の光源として利用することが難しいという問題がある。
この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、半導体レーザチップを使用し、そのコヒーレンスを低下させることにより一般的な光源として利用可能な発光素子を提供するものである。

この発明は、レーザ光を出射する半導体レーザチップと、レーザ光を受けてコヒーレンスを低下させて低コヒーレンス光を生成するコヒーレンス低下部材と、開口を有して前記レーザチップおよびコヒーレンス低下部材を内部に収容するパッケージを備え、コヒーレンス低下部材は、入射レーザ光の位相を乱して反射するように金属を粗く蒸着することにより粗面化処理された反射樹脂面を有し、前記半導体レーザチップからのレーザ光がコヒーレンス低下部材によって低コヒーレント光に変換され開口から出射される発光素子を提供するものである。

この発明によれば、半導体レーザチップの出射したレーザ光は、パッケージ内でコヒーレンス低下部材によりコヒーレンスが低下されてパッケージから出射されるので、目に安全な発光素子を提供することができる。

この発明において、コヒーレンス低下部材は、半導体レーザチップからのレーザ光によって励起されてレーザ光よりも波長の長い蛍光を生成する蛍光体であってもよい。蛍光はコヒーレンスを有することがない。
この場合、蛍光体は、基体，付活体および融剤からなり、基体は、亜鉛，カドミウム，マグネシウム，シリコン，イットリウム等の希土類元素等の酸化物，硫化物，珪酸塩，バナジン酸塩等の無機蛍光体又はフルオレセイン，エオシン，油類（鉱物油）等の有機蛍光体から選択され、付活体は銀，銅，マンガン，クロム，ユウロビウム，亜鉛，アルミニウム，鉛，リン，砒素，金から選択され、融剤は塩化ナトリウム，塩化カリウム，炭酸マグネシウム，塩化バリウムから選択することができる。

また、この発明において、半導体レーザチップが紫乃至青色レーザ光を出射するチップであり、コヒーレンス低下部材が紫乃至青色レーザ光に励起されて白色光を生成する蛍光層であってもよい。

ここで紫乃至青色レーザ光とは、３６０〜４８０ｎｍの波長を有するレーザ光であり、このレーザ光に励起されて白色光を生成する蛍光層としては、セリウムで付活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体、例えば、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ，Ｙ₃(Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4)₅Ｏ₁₂：Ｃｅ，又はＹ₃(Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5)₅Ｏ₁₂：Ｃｅなどを好適に用いることができる。

また、コヒーレンス低下部材は、入射レーザ光の位相を乱して反射するように粗面化処理された反射面を有する反射部材であってもよい。
この場合、反射部材とは、例えばアルミニウムのような金属の表面を研磨処理やエッチング処理により微細に粗面化したものや、樹脂表面に金属を粗く蒸着したものなど、いわゆる微細な梨地処理を施した反射面を有するものである。
なお、粗面化処理された表面粗さ（凹凸）は、高低差が入射レーザ光の波長の数倍から数十倍であることが好ましい。それによって入射レーザ光は位相が効率的に乱されてコヒーレンスが低下又は消滅する。

また、半導体レーザチップがＰＮ接合面に平行に２方向に紫乃至青色のレーザ光を出射する端面発光型のレーザチップであってもよいし、半導体レーザチップが面発光型レーザチップであってもよい。
この発明において、パッケージは、半導体レーザチップに直流電圧を印加するための正極端子と負極端子を備えてもよい。
パッケージは、半導体レーザチップの発熱を放熱するための金属ブロックを備えてもよい。
また、半導体レーザチップが赤色，緑色および青色をそれぞれ出射する３つのレーザチップの少なくとも１つからなるものであってもよい。

パッケージは、開口にはめ込まれた透光板を有してもよい。
この場合、透光板に凸または凹レンズの作用をもたせパッケージから出射する光を集光又は発散させるようにしてもよい。
また、透光板に蛍光物質を混入してもよい。
また、コヒーレンス低下部材は、半導体レーザチップからの光を蛍光に変換する蛍光部材と、蛍光部材の発する蛍光を開口へ反射する反射部材から構成されてもよい。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。

第１実施例
図１はこの発明による発光素子の第１実施例を示す上面図，図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
これらの図に示すように、パッケージ１は、側壁部材２と底部材３を備える。パッケージ１の内部のほぼ中央に端面発光型半導体レーザチップ４が金属製底部材（ステム）３の上に金属製のマウント部材５を介して設置される。半導体レーザチップ４は内部のＰＮ接合面に対して平行に２方向に波長３５０〜４８０ｎｍのレーザ光Ｌ１，Ｌ２を出射するようになっている。側壁部材２の内壁は断面が図２に示すように凹面形状を有し、その内壁に蛍光体層６が積層されている。そして、側壁部材２の上部開口は透光性の保護板７で塞がれている。

底部材３には２本の棒状の金属端子８，９が垂直に設けられ、金属端子８は底部材３に直接結合され、金属端子９は絶縁部材１０を介して底部材３に貫通するように取り付けられる。そして、金属端子８は底部材３とマウント部材５を介して半導体レーザチップ４のｎ電極へ電気的に接続され、金属端子９は金属細線１１を介してレーザチップ４のｐ電極へ電気的に接続される。金属細線１１には、金，銅，白金，又はアルミニウム等の直径３０μｍ程度のワイヤが用いられる。

ここで、側壁部材２はポリイミド樹脂で形成され、保護板７はエポキシ樹脂で形成される。また、蛍光体層６は、イットリウム・アルミニウム・ガーネット系の蛍光体で形成される。なお、開口が保護板７で塞がれたパッケージ１の内部は必要に応じて真空にすることができる。

このような構成において金属端子８と９の間に、所定の駆動電圧が印加されると、半導体レーザチップ４からレーザ光Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ出射される。レーザ光Ｌ１，Ｌ２は、蛍光体層６に衝突して蛍光体層６を励起する。それによって５００〜６００ｎｍ付近に発光ピークを有しコヒーレンスのない白色光が生成され、それぞれ矢印Ｂ，Ｃ方向にパッケージ１から出射される。

従って、蛍光体層６は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２を十分に受入れ、受入れたレーザ光Ｌ１，Ｌ２を効率よく白色光に変換し、かつ、その白色光を効果的にパッケージ１から出射できるような面積と形状を有することが好ましい。

なお、レーザ光Ｌ１，Ｌ２が蛍光体層６で反射してそのままパッケージ１から出射される光成分を有する場合には、保護板７に予め蛍光体を混入しておけば、その光成分で蛍光体を励起させることができる。それによってレーザ光Ｌ１，Ｌ２がそのままパッケージ１から出射することが防止される。この蛍光体には、蛍光体層６と同様の材料を用いることができる。

第２実施例
図３はこの発明による発光素子の第２実施例を示す上面図，図４は図３のＤ−Ｄ矢視断面図である。
これらの図に示すように、この実施例は第１実施例の一部を変更したものであり、第１実施例におけるパッケージ１がパッケージ１ａに置換されている。つまり、第１実施例の蛍光体層６，底部材３，および金属端子８，９がそれぞれ反射層６ａ，絶縁基板３ａ，および金属配線パターン８ａ，９ａに置換されている。その他の構成は第１実施例と同等である。
ここで、反射層６ａは側壁部材２の内壁にアルミニウムを蒸着させることにより表面が梨地状に形成され、その表面粗さ（凹凸）は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長の約１０倍つまり５μｍの平均高低差を有する。

このような構成において、配線パターン８ａ，９ａ間に所定の駆動電圧が印加されると、半導体レーザチップ４から出射されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ反射層６ａで乱反射され位相が乱されてコヒーレンスのない光となって矢印Ｂ，Ｃ方向にパッケージ１ａから出射される。
なお、この実施例では、レーザチップ４として、紫色〜赤色までの任意の波長を有する光を出射するチップを用いることができるが、その波長に対応して反射層６ａの表面粗さを最適に設定する必要がある。

第３実施例
図５と図６は、この発明の第３実施例を示し、第２実施例の図３と図４にそれぞれ対応する。つまり、第３実施例は、第２実施例における金属製のマウント部材５と金属パターン８ａとを金属製放熱ブロック５ａに置換したものであり、その他の構成は第２実施例と同等である。

この実施例においては、放熱ブロック５ａは絶縁基板３ａを貫通してその一部がパッケージ１ａから露出するように設置され、熱容量をマウント部材５（図４）に比べて十分大きくすることができる。
従って、この実施例では、半導体レーザチップ４の発熱を放熱効率よく吸収・発散することができるので、比較的大容量の半導体レーザチップを使用することが可能となる。

第４実施例
図７はこの発明による発光素子の第４実施例を示す縦断面図である。
同図に示すように、パッケージ１ｂは側壁部材２ａと絶縁基板３ａを備える。絶縁基板３ａは、金属配線パターン８ｂ，９ｂを備える。半導体レーザチップ４ａは絶縁基板３ａを貫通して設けられた金属製の放熱ブロック５ｂの上部に搭載される。側壁部材２ａの内壁は凹面状を有し、その内壁に蛍光体層６ｂが積層されている。側壁部材２ａの横開口は透光性の保護板７ａで塞がれている。この実施例における半導体レーザチップ４ａは２つのレーザ光放射端面の内、一方のレーザ光放射率を高めて片側面からレーザ光を放射する構成を有する。

従って半導体レーザチップ４ａは、レーザ光放射端面が出射されるレーザ光Ｌ３が効率よく蛍光体層６ａを照射するように、放熱ブロック５ｂによって斜めに設置されている。
また、金属配線パターン８ｂ，９ｂは、それぞれ金属細線１１ａ，１１ｂを介して半導体レーザチップ４ａのｎ電極とｐ電極へ接続される。
ここで、半導体レーザチップ４ａは第１実施例のチップ４と同じ波長のレーザ光を出射するチップであり、蛍光体層６ｂ，側壁部材２ａ，保護板７ａ，金属細線１１ａ，１１ｂなどは第１実施例のものと同じ材料で形成されている。

このような構成において配線パターン８ｂ，９ｂ間に所定の駆動電圧が印加されると、半導体レーザチップ４ａからレーザ光Ｌ３が出射される。レーザ光Ｌ３は蛍光体層６ｂに衝突して蛍光体層６ｂを励起する。それによってコヒーレンスのない白色光が生成され、パッケージ１ｂから矢印Ｅ方向に出射される。
なお、半導体レーザチップ４ａのレーザ光の波長と、それに対応する蛍光体層６ａの蛍光体材料を適当に選択すれば、用途に応じたコヒーレンスのない発光色の光をパッケージ１ｂから出射させることができる。

第５実施例
図８はこの発明による発光素子の第５実施例を示す上面図，図９は図８のＦ−Ｆ矢視断面図である。
これらの図に示すようにパッケージ１ｃは上部と側部に開口を有する側壁部材２ｃと、その側部開口を塞ぐ基板３ｂを備える。基板３ｂは配線パターン８ｃ〜８ｅと９ｃ〜９ｅを備える絶縁基板から構成される。３つの半導体レーザチップ４ｂ〜４ｄはパッケージ１ｃの内部のほぼ中央に縦１列に金属製のマウント部材５ｃ上に搭載される。マウント部材５ｃは図８に示すように基板３ｂに貫通して設置される。側壁部材２ｃの内壁は断面が図９に示すように凹面形状を有し、その内壁に反射層６ｃが積層されている。反射層６ｃは第２実施例の反射層６ａと同様に形成される。半導体レーザチップ４ｂ〜４ｄのｎ電極とｐ電極は金属細線を介してそれぞれ配線パターン８ｃ〜８ｅと９ｃ〜９ｅに接続される。側壁部材２ｃの上部開口は透光性の保護板７ｂで塞がれる。ここで、半導体レーザチップ４ｂ〜４ｄとしては、それぞれＲ(赤色)，Ｇ(緑色)，Ｂ(青色)のレーザ光を出射するチップが使用される。

このような構成において、配線パターン８ｃ〜８ｅと９ｃ〜９ｅを介して半導体レーザチップ４ｂ〜４ｄにそれぞれ駆動電圧が印加されると、半導体レーザチップ４ｂ〜４ｄからＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光が出射され、反射層６ｃで乱反射される。それによって各レーザ光の位相が乱されコヒーレンスのない光に変換される。そして、コヒーレンスのないＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光は互いに混り合って白色光となり、パッケージ１ｃから保護板７ｂを介して出射される。

この発明による発光素子の第１実施例の上面図である。図１のＡ−Ａ矢視断面図である。この発明による発光素子の第２実施例の上面図である。図３のＤ−Ｄ矢視断面図である。この発明による発光素子の第３実施例の上面図である。図５のＤ−Ｄ矢視断面図である。この発明による発光素子の第４実施例の縦断面図である。この発明による発光素子の第５実施例の上面図である。図８のＦ−Ｆ矢視断面図である。

符号の説明

１パッケージ
２側壁部材
３底部材
４半導体レーザチップ
５マウント部材
６蛍光体層
７保護板
８金属端子
９金属端子
１０絶縁部材
１１金属細線
Ｌ１レーザ光
Ｌ２レーザ光

Claims

レーザ光を出射する半導体レーザチップと、レーザ光を受けてコヒーレンスを低下させて低コヒーレンス光を生成するコヒーレンス低下部材と、開口を有して前記レーザチップおよびコヒーレンス低下部材を内部に収容するパッケージを備え、コヒーレンス低下部材は、入射レーザ光の位相を乱して反射するように金属を粗く蒸着することにより粗面化処理された反射樹脂面を有し、前記半導体レーザチップからのレーザ光がコヒーレンス低下部材によって低コヒーレント光に変換され開口から出射される発光素子。
半導体レーザチップがＰＮ接合面に平行に２方向に紫乃至青色のレーザ光を出射する端面発光型のレーザチップである請求項１記載の発光素子。
半導体レーザチップが面発光型レーザチップである請求項１記載の発光素子。
パッケージは、半導体レーザチップに直流電圧を印加するための正極端子と負極端子を備える請求項１記載の発光素子。
パッケージは、半導体レーザチップの発熱を放熱するための金属ブロックを備える請求項１記載の発光素子。
半導体レーザチップが赤色，緑色および青色をそれぞれ出射する３つのレーザチップの少なくとも１つからなる請求項１記載の発光素子。
パッケージは開口にはめ込まれた透光板を有する請求項１記載の発光素子。