JP6879290B2

JP6879290B2 - 発光装置

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Publication number: JP6879290B2
Application number: JP2018241971A
Authority: JP
Inventors: 利章山下
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: JP2019075577A

Description

本発明は発光装置に関する。

半導体発光素子の出射光を光取り出し窓から取り出す半導体発光装置であって、該光取り出し窓に光透過フィルムが貼り付けられた半導体発光装置が提案されている（特許文献１参照）。光透過フィルムにはあらかじめ蛍光物質が塗布されている。あるいは、光透過フィルムの内部にはあらかじめ蛍光物質が分散されている（特許文献１の段落０２５５参照）。

特開平１１−０８７７７８号公報

半導体発光装置の駆動時には、半導体発光素子の光が蛍光物質に照射され、蛍光物質が発熱する。従来の半導体発光装置ではこのような発熱に着目した構成がとられていないため、半導体発光装置を高出力化できない虞がある。

上記の課題は、例えば、次の手段により解決することができる。半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の上方に配置され、前記半導体レーザ素子の出射光を通過させる貫通孔を備えた支持体と、前記貫通孔内に配置され、前記半導体レーザ素子の出射光により励起され前記出射光とは異なる波長の光を発する蛍光体を含む蛍光部材と、基部と、前記基部から前記貫通孔内に突出する凸状部と、を有する透光性の放熱部材と、を備え、前記貫通孔は、下方から上方に向かって開口幅が大きくなっており、前記放熱部材は、前記凸状部の上面にて前記蛍光部材の下面と接合されており、前記基部の上面にて前記支持体の下面と接合されている発光装置。

蛍光部材の放熱性と発光装置の光取り出し効率とをともに向上させて、発光装置の高出力化を効果的に実現することができる。

実施形態１に係る発光装置の模式的断面図である。図１Ａ中の支持体、蛍光部材、及び放熱部材を拡大して示す図である。実施形態２に係る発光装置の模式的断面図である。図２Ａ中の支持体、蛍光部材、及び放熱部材を拡大して示す図である。実施形態３に係る発光装置の模式的断面図である。図３Ａ中の支持体、蛍光部材、及び放熱部材を拡大して示す図である。

［実施形態１に係る発光装置１］
図１Ａは実施形態１に係る発光装置１の模式的断面図であり、図１Ｂは図１Ａ中の支持体４０、蛍光部材５０、及び放熱部材６０を拡大して示す図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、発光装置１は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０の上方に配置され、半導体レーザ素子１０の出射光を通過させる貫通孔Ｙを備えた支持体４０と、貫通孔Ｙ内に配置され、半導体レーザ素子１０の出射光により励起され出射光とは異なる波長の光を発する蛍光体を含む蛍光部材５０と、基部６２と、基部６２から貫通孔Ｙ内に突出する凸状部６４と、を有する透光性の放熱部材６０と、を備えている。ここで、貫通孔Ｙは、下方から上方に向かって開口幅が大きくなっている。また放熱部材６０は、凸状部６４の上面にて蛍光部材５０の下面と接合されている。さらに、放熱部材６０は、基部６２の上面にて支持体４０の下面と接合されている。

本実施形態によれば、蛍光部材５０の放熱性と発光装置１の光取り出し効率とをともに向上させることができるため、発光装置１の高出力化を効果的に実現することができる。すなわち、蛍光部材５０の放熱性を向上させれば、蛍光部材５０により高い強度の光を照射することができるため、発光装置１の高出力化を図ることができる。また、発光装置１の光取り出し効率を向上させれば、より多くの光を発光装置１から取り出すことができるため、発光装置１の高出力化を図ることができる。したがって、蛍光部材５０の放熱性と発光装置１の光取り出し効率とをともに向上させれば、発光装置１の高出力化を効果的に実現することができる。以下、詳細に説明する。

（半導体レーザ素子１０）
半導体レーザ素子１０には、例えば４２０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲内に発振ピーク波長を有する半導体レーザ素子を用いることができる。本実施形態により蛍光部材５０の放熱性を向上させれば、例えば、出力が２．０Ｗ以上、好ましくは２．０Ｗ〜５．０Ｗの範囲にある高出力なレーザ光を蛍光部材５０に照射する場合であっても、安定した光学特性で発光装置１を動作させることができる。

半導体レーザ素子１０はヒートシンク２０の側方に載置されている。ヒートシンク２０としては、蛍光部材５０の放熱性がさらに向上するよう、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端子２２に電気的に接続されている。

（包囲部材３０）
包囲部材３０は、半導体レーザ素子１０の周囲を包囲する部材であり、半導体レーザ素子１０の出射光を通過させる開口部Ｘを有している。放熱部材６０の下面と包囲部材３０の上面とは接触しており、支持体４０の下面と包囲部材３０の上面とは放熱部材６０を介して接合されている。支持体４０の熱を放熱部材６０へ逃がし、さらにその熱を包囲部材３０に逃がす放熱経路を確保することで、蛍光部材５０の放熱性をさらに向上させることができる。包囲部材３０にはＳＵＳやコバールなどを用いることができる。

（支持体４０）
支持体４０は半導体レーザ素子１０の上方に配置される。支持体４０には、例えば、高反射性を有するセラミック、または貫通孔Ｙの内壁に反射膜が形成された金属部材を用いることができる。これらを支持体４０として用いれば、蛍光部材５０からの光を貫通孔Ｙの内壁で反射させやすくなるため、発光装置１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

支持体４０は、半導体レーザ素子１０からの光を通過させる貫通孔Ｙを備えている。貫通孔Ｙは下方から上方に向かって幅が大きくなる形状を有している。このような形状とすることで、例えば、蛍光部材５０で反射された一部の光を貫通孔Ｙの内壁で上方に向けて反射させやすくなるので、発光装置１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

（蛍光部材５０）
蛍光部材５０は貫通孔Ｙ内に配置される。したがって、蛍光部材５０の側方には貫通孔Ｙの内壁が位置している。このように蛍光部材５０の側方に貫通孔Ｙの内壁が位置することにより、蛍光部材５０からの光を貫通孔Ｙの内壁で反射して、発光装置１の光取り出し効率を向上させることができる。

蛍光部材５０には、半導体レーザ素子１０の出射光により励起され出射光とは異なる波長の光を発する蛍光体が含まれる。具体的には、例えば、セラミックからなる焼結体や透光性樹脂などの母材に、蛍光体を含有させた部材を蛍光部材５０として用いることができる。特にセラミックからなる焼結体を母材として用いる場合には、蛍光体の発熱による蛍光部材５０の変形などを抑制できるため、発光装置１の光学特性を安定させることができる。したがって、蛍光部材５０にさらに高い強度の光を照射して、発光装置１の高出力化をより効果的に実現することができる。セラミックには、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などを用いることができる。

蛍光体には、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。

蛍光部材５０は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの光散乱部材を含有してもよい。蛍光部材５０が光散乱部材を含有することで、半導体レーザ素子１０の出射光を蛍光部材５０中で散乱させることができるため、発光装置１から取り出される光の色ムラを低減することができる。光散乱部材は例えば粒状である。

（放熱部材６０）
放熱部材６０は、基部６２と、基部６２から貫通孔Ｙ内に突出する凸状部６４と、を有しており、半導体レーザ素子からの光に対して透光性を有する部材である。放熱部材６０には透光性を有するサファイアやマグネシアなどを用いることができるが、比較的高い放熱性を有するサファイアを用いることが好ましい。放熱部材６０の厚みとしては、２００μｍ以上１０００μｍ以下程度とすることができる。放熱部材６０の厚みを２００μｍ以上とすることで、放熱部材６０の放熱性を高め、より一層、蛍光部材５０の放熱性を高めることができる。また放熱部材６０の厚みを１０００μｍ以下とすることで、放熱部材６０の側方に向かう光の伝搬を低減して、より一層、発光装置１の光取り出し効率を高めることができる。

凸状部６４の上面と蛍光部材５０の下面とは接合されている。また、基部６２と支持体４０の下面とは接合されている。ここでは、前者の接合で形成される接合面を第１接合面Ａと呼び、後者の接合で形成される接合面を第２接合面Ｂと呼ぶ。このように、蛍光部材５０の熱を直接的に放熱部材６０へ逃がす放熱経路（第１接合面Ａを介する放熱経路）に加えて、蛍光部材５０の熱を支持体４０を介して間接的に放熱部材６０へ逃がす放熱経路（第２接合面Ｂを介する放熱経路）を確保することで、蛍光部材５０の放熱性が向上する。特に蛍光部材５０の下面は半導体レーザ素子の出射光が照射されることにより発熱しやすいため、第１接合面Ａを介する放熱経路を確保することで蛍光部材５０の放熱性を効果的に向上させることができる。

本実施形態では、放熱部材６０が凸状部６４を有し、凸状部６４の上面が蛍光部材５０の下面と接合されている。そのため、放熱部材６０が平坦である場合よりも、蛍光部材５０から下方に向かう光が貫通孔Ｙの内壁で反射されやすく、そして貫通孔Ｙの内壁で反射された光の一部は上方に向かいやすい。本実施形態は、このようにして、発光装置１の光取り出し効率を向上させている。

放熱部材６０の下面には、発光装置１の光取り出し効率を向上させるべく、特定の波長域の光を反射する誘電体多層膜を配置してもよい。誘電体多層膜には、例えば、半導体レーザ素子１０から発振される波長帯の光を透過するとともに、蛍光部材５０が発する波長帯の光を反射する機能を有する膜を用いることができる。放熱部材６０の下面にこのような誘電体多層膜を設けることで、放熱部材６０の下面に向かう光を貫通孔Ｙにて上方に反射させることができる。したがって、発光装置１の光取り出し効率をさらに向上させることができる。

［実施形態２に係る発光装置２］
図２Ａは実施形態２に係る発光装置２の模式的断面図であり、図２Ｂは図２Ａ中の支持体４０、蛍光部材５０、及び放熱部材６０を拡大して示す図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、発光装置２は、第２接合面Ｂが断面視において凹凸を有する点で、第２接合面Ｂが断面視において直線状である実施形態１に係る発光装置１と相違する。実施形態２によれば、第２接合面Ｂが断面視において直線状である場合よりも、基部６２と支持体４０の下面との接合面積（第２接合面Ｂの面積）を増加させることができる。そのため、蛍光部材５０の熱を支持体４０を介して間接的に放熱部材６０へ逃がす放熱経路（第２接合面Ｂを介する放熱経路）において、より効果的に放熱を行い、蛍光部材５０の放熱性をさらに向上させることができる。

［実施形態３に係る発光装置３］
図３Ａは実施形態３に係る発光装置３の模式的断面図であり、図３Ｂは図３Ａ中の支持体４０、蛍光部材５０、及び放熱部材６０を拡大して示す図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、発光装置３は、蛍光部材５０が、凸状部６４の上面に接合して配置される第１蛍光部材５２と、側面が貫通孔Ｙの内壁に支持され、下面の一部が第１蛍光部材５２と接合して配置される第２蛍光部材５４と、を有する点で、実施形態１に係る発光装置１と相違する。また、発光装置３は、貫通孔Ｙ内において、第１蛍光部材５２の側方に第１蛍光部材５２より屈折率の低い低屈折率部７０が存在する点で、発光装置１と相違する。低屈折率部７０は、第１蛍光部材５２よりも低い屈折率を有する部分であり、好ましくは支持体４０と第１蛍光部材５２の双方よりも低い屈折率を有する部分である。ここで、第１蛍光部材５２の屈折率とは、蛍光部材５２の表面に主に露出する部材の屈折率である。低屈折率部７０は、例えば空気であることが好ましい。

第１蛍光部材５２の側方に第１蛍光部材５２より低い低屈折率の低屈折率部７０が存在することで、第１蛍光部材５２と低屈折率部７０との界面で全反射が生じやすくなる。そのため、第１蛍光部材５２中から貫通孔Ｙの内壁に向かう光を減少させ、発光装置１の光取り出し効率をさらに高めることができる。支持体４０にセラミックなどを用いる場合は、低屈折率部７０がさらに支持体４０よりも低い屈折率を有することが好ましい。これにより、低屈折率部７０から支持体４０に向かう光を貫通孔Ｙの内壁で反射させやくなる。したがって、支持体４０内に進入する光を低減して、発光装置１の外部に光が漏れ出ることをさらに抑制することができる。

本実施形態は、支持体４０がセラミックなどのように反射率が比較的低い部材からなる場合に好ましく適用することができるが、支持体４０が金属材料などのように反射率が比較的高い部材からなる場合にも好ましく適用することができる。すなわち、金属材料などはセラミックなどより反射率が高い部材であるが、蛍光部材５０が金属材料に接している場合には、蛍光部材５０が金属材料から離間している場合とは異なり、金属材料の表面において光吸収が発生しやすい。しかしながら、低屈折率部７０を設ければ、このような場合であっても、低屈折率部７０が支持体４０よりも屈折率が低くなることを利用して、発光装置１の光取り出し効率の低下を抑制することができる。

本実施形態では、第１蛍光部材５２の側方に低屈折率部７０を設け、第２蛍光部材５４の側面と貫通孔Ｙの内壁、及び第２蛍光部材５４の下面の一部と第１蛍光部材の上面を接合している。このような形態とすることで、第１蛍光部材５２を、第２蛍光部材５４の下面と放熱部材６０の上面とで挟みこむように固定できる。このため、融点が高いため融着によっては貫通孔Ｙの内壁に固定しにくい第１蛍光部材５２であっても、第２蛍光部材５４を貫通孔Ｙの内壁に融着固定することで、貫通孔Ｙ内に配置することができる。

第１蛍光部材５２には蛍光体含有セラミックを用い、第２蛍光部材５４には蛍光体含有ガラスを用いることが好ましい。このようにすれば、第１蛍光部材５２の上方に第２蛍光部材５４を配置し、第２蛍光部材５４を第１蛍光部材５２の上面及び貫通孔Ｙの内壁に融着させることにより、第１蛍光部材５２及び第２蛍光部材５４を固定することができる。また、半導体レーザ素子１０からの光が最初に照射される第１蛍光部材５２に、耐熱性に優れた蛍光体含有セラミックを用いることができるので、第２蛍光部材５４に例えば耐熱性に劣る蛍光体を含めることができる。なお、上記融着の際は、ガラスが用いられた第２蛍光部材５４が融着可能な程度に融け、セラミックが用いられた第１蛍光部材５２が融着可能な程度に融けない温度で、第１蛍光部材５２と第２蛍光部材５４とを加熱する。例えば、８５０℃程度の温度で加熱する。このような温度で加熱を行えば、熱による蛍光体へのダメージを抑制しつつ、第１蛍光部材５２及び第２蛍光部材５４を貫通孔Ｙ内に固定することができる。

第１蛍光部材５２と第２蛍光部材５４には、それぞれ異なる波長の光を発する蛍光体を含有させてもよい。これにより、発光装置３から取り出される光の色調を補正することができる。例えば、青色の光の発する半導体レーザ素子を半導体レーザ素子１０として用い、黄色系の光を発する蛍光体を含有させた蛍光部材を第１蛍光部材５２として用い、赤色系の光を発する蛍光体を含有させた蛍光部材を第２蛍光部材５４として用いれば、発光装置３から白色の光を取り出すことができる。

以上、実施形態１から３について説明したが、これらは本発明を何ら限定するものではない。

１、２、３発光装置
１０半導体レーザ素子
２０ヒートシンク
２１ステム
２２リード端子
３０包囲部材
４０支持体
５０蛍光部材
５２第１蛍光部材
５４第２蛍光部材
６０放熱部材
６２基部
６４凸状部
７０低屈折率部
Ａ第１接合面
Ｂ第２接合面
Ｘ開口部
Ｙ貫通孔

Claims

半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子の周りを囲い、前記半導体レーザ素子の出射光が通過する開口部を有する包囲部材と、
前記半導体レーザ素子の上方に配置され、前記半導体レーザ素子の出射光により励起され前記出射光とは異なる波長の光を発する蛍光体を含む第１蛍光部材と、
前記包囲部材の上方に配置され、前記半導体レーザ素子の出射光を通過させる貫通孔を備え、前記貫通孔内に前記第１蛍光部材が配置される支持体と、
上面が前記第１蛍光部材の下面及び前記支持体の下面に接合される透光性の放熱部材と、
前記第１蛍光部材の下面よりも下方に設けられる反射膜であって、前記放熱部材の下面に設けられ、かつ、前記支持体の下面には設けられない反射膜と、を備え、
前記反射膜は、誘電体多層膜で形成され、前記半導体レーザ素子からの光を透過し、前記第１蛍光部材により波長が変換された光を反射し、
前記放熱部材の下面と前記包囲部材の上面とが接合されており、
前記放熱部材は、前記貫通孔内に配置され、前記支持体の下面よりも上方に突出した凸状部を有し、前記凸状部の上面が前記第１蛍光部材の下面に接合される発光装置。
前記反射膜は、前記第１蛍光部材の下面よりも２００μｍ以上、下方に設けられる請求項１に記載の発光装置。
前記第１蛍光部材の下面には反射膜が設けられていない請求項１または２に記載の発光装置。
前記支持体は、セラミックを用いて形成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。
前記放熱部材は、サファイアを用いて形成される請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発光装置。
下面が前記第１蛍光部材の上面に接合される第２蛍光部材を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発光装置。
前記第１蛍光部材には、蛍光体を含有するセラミックが用いられ、
前記第２蛍光部材には、蛍光体を含有するガラスが用いられる請求項６に記載の発光装置。
下面が前記第１蛍光部材の上面に接合される第２蛍光部材を有し、
前記支持体は、セラミックを用いて形成され、
前記放熱部材は、サファイアを用いて形成され、
前記第１蛍光部材には、蛍光体を含有するセラミックが用いられ、
前記第２蛍光部材には、蛍光体を含有するガラスが用いられる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光装置。