特許 6780377 発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6780377

(24)【登録日】2020年10月19日

(45)【発行日】2020年11月4日

(54)【発明の名称】発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20201026BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

【請求項の数】7

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-168031(P2016-168031)

(22)【出願日】2016年8月30日

(65)【公開番号】特開2018-37484(P2018-37484A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2019年4月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】柴田 浩伸

(72)【発明者】

【氏名】三浦 創一郎

(72)【発明者】

【氏名】浪江 貴史

【審査官】 大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１２２６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５３６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１６０８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０６０８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５４７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３０９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７９５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０９２３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１２６７０４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００ − ５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００ − ３３／６４

Ｆ２１Ｋ ９／００ − ９／９０

Ｆ２１Ｓ ２／００ − ４５／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１光を発する半導体レーザ素子と、
前記第１光が照射されることにより第２光を発する波長変換部材と、
前記第１光の光路上に貫通孔が設けられた支持部材とを備え、
前記貫通孔は、前記第１光の光入射側から光出射側に向かって順に、該光入射側から光出射側に向かって開口幅が縮小する下側部と、前記波長変換部材が固定された上側部とを有し、
前記半導体レーザ素子は、前記第１光のビーム径が前記半導体レーザ素子から出射して前記下側部を規定する内壁に至るまで拡がる位置であって、かつ前記第１光が前記下側部内に入射する一方で前記第１光が前記下側部を規定する内壁で反射される位置に配置されていることを特徴とする発光装置。

【請求項2】

前記貫通孔は、前記上側部が、前記光入射側から光出射側に向かって幅が拡大する形状である請求項１に記載の発光装置。

【請求項3】

前記半導体レーザ素子と前記貫通孔の下側部との間に、レンズが介在していない請求項１又は２に記載の発光装置。

【請求項4】

前記貫通孔の内壁に反射膜が設けられている請求項１から３のいずれか１つに記載の発光装置。

【請求項5】

前記半導体レーザ素子と前記貫通孔の光入射側開口部との最短距離は、前記貫通孔の光入射側開口部の幅よりも小さい請求項１から４のいずれか１つに記載の発光装置。

【請求項6】

前記半導体レーザ素子と前記貫通孔の光入射側開口部との最短距離は、前記貫通孔の下側部の長さの３倍よりも小さい請求項１から５のいずれか１つに記載の発光装置。

【請求項7】

前記下側部を規定する内壁は、前記第１光の光軸に対して１０〜２５度の傾斜角を有する請求項１から６のいずれか１つに記載の発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザダイオードなどを光源として用いた発光装置が提案されている（特許文献１、２）。これらの発光装置は、半導体レーザ素子を覆い、その上方に貫通孔を有する支持部材と、貫通孔を塞いで配置される波長変換部材とを備え、半導体レーザ素子からの光は波長変換部材を介して出射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１５３６１７号公報

【特許文献2】特開２０１４−１７５６４４号広報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

半導体レーザ素子からの光が、波長変換部材に直接照射される場合、レーザ光は光路中心の光が強く、波長変換部材が薄いと、光路中心部分のレーザ光が抜けることがある。これによって、例えば、色度等の均一性が低下することがある。その一方、波長変換部材を厚くすると波長変換部材を抜ける光が減少し、発光装置の光取り出し効率が低下するというトレードオフの関係がある。
また、波長変換部材の上面視におけるサイズが小さい場合には、波長変換部材と半導体レーザ素子のレーザ光出射口とを近接させることで波長変換部材へのレーザ光の到達率を向上させることができるが、一方で部品同士の衝突を回避するために一定以上の間隔を確保する必要がある。
さらに、波長変換部材と、半導体レーザ素子との間にレンズを配置して、レーザ光を集光して波長変換部材に導入することにより、波長変換部材へのレーザ光の到達率が高く、小さな波長変換部材に適用することができるが、レンズの高い実装精度が必要となるとともに、発光装置の小型化が困難となる。
本開示は、半導体レーザ素子を用いた発光装置において、簡便な構成によって小型化を実現しながら、光取り出し効率の向上を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の発明を含む。
第１光を発する半導体レーザ素子と、
前記第１光が照射されることにより第２光を発する波長変換部材と、
前記第１光の光路上に貫通孔が設けられた支持部材とを備え、
前記貫通孔は、前記第１光の光入射側から光出射側に向かって順に、該光入射側から光出射側に向かって開口幅が縮小する下側部と、前記波長変換部材が固定された上側部とを有し、
前記半導体レーザ素子は、前記第１光が前記下側部内に入射する一方で前記第１光が前記下側部を規定する内壁で反射される位置に配置されている発光装置。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、半導体レーザ素子を用いた発光装置において、簡便な構成によって小型化を実現しながら、光取り出し効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】本発明の発光装置の一実施形態を示す概略断面図である。

【図1B】図１Ａの要部の拡大図である。

【図2】本発明の発光装置の別の実施形態を示す概略断面図である。

【図3】本発明の発光装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図である。

【図4】本発明の発光装置のさらに別の実施形態を示す概略断面図である。

【図5】図１Ａの発光装置の波長変換部材に照射されるレーザ光の強度分布を示す図である。

【図6】比較のための発光装置の波長変換部材に照射されるレーザ光の強度分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。ただし、以下に説明する実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、一の実施の形態、実施例において説明する内容は、他の実施の形態、実施例にも適用可能である。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。

【0009】

実施形態１
この実施形態では、例えば、図１Ａ及び１Ｂに示すように、発光装置１０は、半導体レーザ素子１と、前記半導体レーザ素子１の光路上に貫通孔３が設けられた支持部材４と、波長変換部材２とを備える。
貫通孔３は、光の入射側から出射側に向かって開口幅が縮小する下側部３ａと、上側部３ｂとを有する。
半導体レーザ素子１は、半導体レーザ素子１から出射された第１光が下側部３ａ内に入射し、この第１光が下側部３ａの内壁で反射される位置に配置されている。
なお、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を第１光と、第１光が照射されることにより波長変換部材によって変換された光を第２光と称することがある。また、本明細書では、発光装置から最終的に光が取り出される側を上側とし、その反対側を下側とする。また、図１Ａ及び１Ｂは、支持部材４と波長変換部材２とを、貫通孔３の貫通方向に沿って切断した状態を示す概略断面図である。後述する図２及び３も同様である。

【0010】

このような発光装置１０では、貫通孔３の下側部３ａが、光の入射側から出射側に向かって開口幅が狭まる（以下「縮幅」ともいう）内壁を有するため、半導体レーザ素子１からの光が貫通孔３の下側部３ａに入射した際に、その入射した光を、下側部３ａの内壁で内側且つ上方に反射させることができる。このように、発光装置１０においては、下側部３ａの内壁で反射させることで第１光の拡がりを低減させることができる。このため、半導体レーザ素子１と波長変換部材２との間にレンズを介在させることなく、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の大部分を波長変換部材２に集めることが可能であり、これによって発光装置１０の発光を高輝度化することが可能である。したがって、発光装置の部品数を削減し、小型化することができる。
さらに、下側部３ａの内壁で光を反射させることによって、レーザ光の強度分布の偏り、つまり、中心が強くその周辺が弱いという分布の偏りを緩和することができる。すなわち、レーザ光の外周部分が下側部３ａの内壁で反射されて下側部３ａの上端に向かうため、レーザ光の外周部分の発光強度が高まりやすく、中心部と外周部との強度差を低減することができる。よって、波長変換部材２を経た光の色度の偏りを緩和することができる。これにより、色度の偏りを緩和させるための波長変換部材２の厚膜化を回避することができるため、波長変換部材２の薄膜化を実現することができる。このような波長変換部材２の薄膜化により、光の散乱を低減させることができ、光取り出し効率をより一層向上させることができる。
また、このような構成の発光装置１０では、半導体レーザ素子１の実装位置が、支持部材４の貫通孔３に対して、多少シフトしても、レーザ光が貫通孔３内に導入しさえすれば、反射を利用することができる。すなわち、実装位置が多少シフトしても光取り出し効率の低下を抑制することができ、品質のバラつきを低減することが可能となるため、歩留りを向上させることができる。

【0011】

（半導体レーザ素子１）
半導体レーザ素子１としては、例えば、窒化物半導体（主として一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表される）、ＩｎＡｌＧａＡｓ系半導体、ＩｎＡｌＧａＰ系半導体などの半導体層を備える素子が挙げられる。これらの材料及びその組成等を調整することにより、半導体レーザ素子１の発振波長を調整することができる。例えば、活性層がＩｎＧａＮ井戸層を含む量子井戸構造であり、４００〜５３０ｎｍの範囲に発振波長を有する半導体レーザ素子１を用いることができる。

【0012】

（支持部材４）
支持部材４は、後述する波長変換部材２を支持するための部材であって、半導体レーザ素子１を被覆する機能も果たす。
支持部材４の形状は、半導体レーザ素子１の光を通過させ、波長変換部材２を支持するための貫通孔３を備えるものを採用することができる。例えば、平板状、円筒形状等、種々の形状が挙げられる。
支持部材４の大きさ及び厚みは、使用目的によって、適宜設定することができる。なかでも、放熱性及び／又は強度と、生産性とを考慮すると、０．２ｍｍ程度以上２．０ｍｍ程度以下の厚みを有することが好ましい。

【0013】

支持部材４は、少なくとも貫通孔３の内壁が、光を吸収しにくい、反射性の材料からなることが好ましい。ここで反射性とは、用いる光源、すなわち半導体レーザ素子１から出射される光を８０％以上反射する材料、さらには９０％以上反射する材料が好ましい。支持部材４は、熱伝導性が良好な材料からなることが好ましい。ここで、熱伝導性が良好とは、２０℃における熱伝導率が数Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが好ましく、２５Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がさらに好ましい。支持部材４は、耐熱性の良好な材料からなることが好ましい。ここで、耐熱性が良好とは、融点が数百℃以上のものが好ましく、１０００℃以上がより好ましい。
支持部材４の材料は、例えば、セラミックス、金属、これらの複合体などが挙げられる。セラミックスとしては、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム等が挙げられ、金属としては、鉄、銅、ステンレス鋼、タングステン、タンタル、モリブデン、コバール等が挙げられる。例えば、支持部材４をステム７に接合することによって半導体レーザ素子１を気密封止する場合には、支持部材４の材料としてステム７と溶接可能な金属材料を選択する。このような金属材料としては例えばコバールが挙げられる。また、ステム７に接合する蓋体を別に設け、その蓋体に支持部材４を接合する場合には、例えば光反射率の比較的高いセラミックスを支持部材４として用いることができる。このようなセラミックスとしては、例えば、主として酸化アルミニウムを含む材料により形成されたものが挙げられる。

【0014】

図１Ａでは、支持部材４は、主として、安価且つ加工容易なステンレス鋼によって、円筒形状に形成されている。貫通孔３の内壁には、ステンレス鋼よりも高反射率の金属反射層が設けられており、この金属反射層は主として銀を含む。ここでの支持部材４の大きさは、直径が６．８ｍｍの円柱状であり、貫通孔３の貫通方向における厚み（図１ＢのＬ）は０．２８ｍｍである。

【0015】

支持部材４において、貫通孔３の形状は、半導体レーザ素子１からの光の入射側から出射側に向かって順に、下側部３ａと、上側部３ｂとを有する。
下側部３ａは、光の入射側から出射側に向かって、幅が縮小している。下側部３ａの内壁は、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の光軸に対して５〜４０度の傾斜角を有するものが好ましく、１０〜４０度がより好ましく、１０〜２５度がさらに好ましい。なお、下側部３ａの内壁のレーザ光の光軸に対する傾斜角は図１Ｂ中においてα−９０となる。このような角度に設定することにより、入射した光を、下側部３ａの内壁で反射させて、波長変換部材２側に効率的に進行させることができる。
上側部３ｂが、下側部３ａの上端の幅よりも小さい幅を有するものであれば、下側部３ａからの光が半導体レーザ素子１側に戻される場合がある。したがって、上側部３ｂは、下側部３ａ下側部３ａの上端の幅と同じかそれ以上の幅を有しているものが好ましい。光の入射側から出射側に向かって、一定であってもよいし、拡幅又は縮幅していてもよい。なかでも、光入射側から光出射側に向かって一定の幅の形状、拡幅する形状、又はこれらを組み合わせた形状であることが好ましい。上側部３ｂが光入射側から光出射側に向かって幅が拡大する形状であることにより、下側部３ａの側に戻ろうとする光を上側部３ｂの内壁で反射させ、発光装置１０の外部に取り出すことができる。この場合、上側部３ｂの内壁は、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の光軸に対して１０〜４５度の傾斜角を有するものが好ましい。なお、上側部３ｂの内壁の傾斜角は図１Ｂ中において９０−βとなる。
幅の拡張又は縮小は、傾斜的又は段階的のいずれでもよい。つまり、支持部材４における貫通孔３は、柱状、錐台形状又はこれらを組み合わせた形状とすることができる。ただし、上側部３ｂの内壁のうち波長変換部材２が固定される面は平坦であることが好ましく、これにより波長変換部材２を確実に固定することができる。

【0016】

貫通孔３の全長Ｌは、用いる支持部材４の大きさ、厚みにより適宜設定することができる。例えば、０．２〜２．０ｍｍ程度が挙げられる。下側部３ａの長さＬ１は、貫通孔の全長Ｌの１０〜９０％が挙げられ、２０〜８０％とすることができる。
貫通孔３の下側部３ａは、光の入射側から出射側に向かって縮幅するように、その内壁によって規定されている。これにより、半導体レーザ素子１から貫通孔３の下側部３ａに入射した光を、下側部３ａの内壁で反射させることができ、光出射側に効率的に取り出すことができる。特に、下側部３ａの内壁で光を反射させることによって、レーザ光の強度分布の偏り、つまり、中心が強くその周辺が弱いという分布の偏りを緩和することができる。よって、波長変換部材２における色度の偏りを緩和することができる。さらに、色度の偏りを緩和させるための波長変換部材２の厚膜化を回避することができるために、波長変換部材２の薄膜化を実現することができる。これによって波長変換部材２による光の散乱を低減させることができ、光取り出し効率をより一層向上させることができる。

【0017】

貫通孔３の光入射側からの平面視における形状は、例えば、円形、楕円形、三角形及び四角形等の多角形が挙げられる。用いる半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の形状は楕円形状であるため、これを入射させるために、円形又は楕円形が好ましい。
貫通孔３の大きさは、例えば、半導体レーザ素子１から出射されるレーザ光を通過させることができる大きさとする。貫通孔３の光入射側の開口は、半導体レーザ素子１から出射されるレーザ光の中心部を含む略全てが貫通孔３に進入できるものが好ましい。レーザ光の中心部を含む略全てとは、具体的には、レーザ光のビーム径として定義される部分の全てである。ビーム径は、例えば、ピーク強度値から１／ｅ²になったときの強度での幅で定義される。例えば、貫通孔３の光入射側の開口の面積は、以下の式（１）で表される範囲に設定することができる。

（式中、Ａは、貫通孔３の光入射側の開口の面積（ｍｍ²）を表す。Ｓは、半導体レーザ素子１と支持部材４との最短距離（ｍｍ）を表す。Ｒは、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の拡がり角（°）を表す。）
ここで、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の拡がり角とは、上述のビーム径の全角を指す。さらに、貫通孔３の光入射側の開口の面積Ａは以下の式（２）で表される範囲に設定することが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光のうちビーム径として定義される部分の全てを貫通孔３に入射させることができる。

具体的には、半導体レーザ素子１の種類にもよるが、下側部３ａの半導体レーザ素子１からのレーザ光の入射側の端部において、つまり、支持部材４の下面において、貫通孔３の幅Ｄ１が０．１〜５．０ｍｍであることが好ましい。

【0018】

下側部３ａの上端の幅Ｄ２は、レーザ光の外周部の少なくとも一部が下側部３ａの内壁で反射される程度に小さい。レーザ光は、例えば横方向（半導体層の面に平行な方向）の幅よりも縦方向（半導体層の面に対して垂直な方向）の幅の方が大きな楕円形状である。したがって、幅Ｄ２は、レーザ光の縦方向の両端が下側部３ａの内壁で反射される程度に小さくすることが好ましい。これによってレーザ光の強度分布の偏りをより一層緩和することができる。また、貫通孔３の幅Ｄ２は、小さくするほど下側部３ａの上端におけるレーザ光の断面積を小さくすることができる、すなわち理想的な点光源に近づけることができる。しかし一方で、レーザ光を点に近づけるほど光密度が上昇し、波長変換部材２の発熱温度が上昇する。このため、貫通孔３の幅Ｄ２は、４．０ｍｍ以下とすることが好ましく、さらには０．０５〜４．０ｍｍであることが好ましい。
なお、貫通孔３の幅とは、半導体レーザ素子１が出射するレーザ光の光軸の垂直方向における、貫通孔３の最大長さを指す。例えばレーザ光の光軸の垂直方向における断面形状が円形状である場合には、貫通孔３の幅とは貫通孔３の直径である。

【0019】

貫通孔３の光入射側の開口部すなわち貫通孔３の下端と、半導体レーザ素子１とを近づけるほど、半導体レーザ素子１から出射された光を貫通孔３に導入させやすく、波長変換部材２で効率的に変換することができる。具体的には、支持部材４は、貫通孔３の光入射側開口部と、半導体レーザ素子１との最短距離Ｓが、貫通孔３の光入射側の開口部の幅Ｄ１よりも小さくなるように、支持部材４と半導体レーザ素子１との間隔を調整することが好ましい。また、別の観点から、貫通孔３の光入射側の開口部と、半導体レーザ素子１との最短距離Ｓは、貫通孔３の下側部３ａの長さＬ１の３倍よりも小さいことが好ましい。さらに、最短距離Ｓは、Ｄ１よりも小さく、かつＬ１の３倍よりも小さいことが好ましい。これによって、半導体レーザ素子１から出射された光の略全部を、貫通孔３に導入することができ、後述する波長変換部材２で効率的に変換することができる。一方で、最短距離Ｓを０以下とすると、支持部材４を実装する際に支持部材４が半導体レーザ素子１と接触する可能性が高まるため、最短距離Ｓは０より大きいことが好ましい。

【0020】

上述した範囲で、半導体レーザ素子からのレーザ光が、貫通孔３の下側部３ａの内壁で０〜１回程度の反射回数となるように、傾斜角度、形状等を設定することが好ましい。これにより、半導体レーザからのレーザ光を、貫通孔３の内壁によって効率的に後述する波長変更部材２へ集光させることができるため、光の取り出し効率を向上させることができる。貫通孔３は、例えば下側部３ａ及び上側部３ｂのみからなる。また、貫通孔３の下側部３ａ内にはサファイア等の透光性部材を配置することもできるが、下側部３ａは空洞であること、つまり気体が充填されていることが好ましい。下側部３ａが空洞であることにより、下側部３ａに透光性部材が配置されている場合よりも、半導体レーザからのレーザ光をより多く波長変換部材２まで到達させることができる。

【0021】

図１Ａ及び１Ｂでは、貫通孔３は、平面視で、略円形である。貫通孔３の全長Ｌは、支持部材４の厚みと等しく、例えば、２８０μｍである。下側部３ａの長さＬ１は、８０μｍである。
貫通孔３の下側部３ａは、図１Ｂに示すような縦断面視で、略円錐台形状である。貫通孔３の下側部３ａの光入射側の端部の直径Ｄ１は２６０μｍであり、貫通孔３の下側部３ａの光出射側の端部の直径Ｄ２は、２００μｍである。
上側部３ｂは、縦断面視で、逆転した略円錐台形状である。貫通孔３の上側部３ｂの光入射側の端部の直径は２００μｍであり、貫通孔３の上側部３ｂの光出射側の直径は、３００μｍである。
貫通孔３の光入射側の開口部、つまり、貫通孔３の下端と、半導体レーザ素子１との最短距離Ｓは２００μｍである。

【0022】

貫通孔３の内壁、特に、下側部３ａの内壁には、反射膜１４が形成されていることが好ましい。下側部３ａの内壁よりもレーザ光に対する反射率の高い反射膜を設けることにより、下側部３ａに入射したレーザ光の波長変換部材２への到達率を向上させることができる。反射膜１４は、例えば、銀又は銀合金によって形成することができる。この場合の反射膜１４の反射率は、８０％以上が好ましく、例えば、８０〜９５％がより好ましい。図１Ｂに示すように、反射膜１４は下側部３ａだけでなく上側部３ｂにも設けることができる。なお、反射膜１４は数μｍ以下程度の薄膜で設けることが可能であるため、上述の貫通孔３の幅Ｄ１、Ｄ２等の好ましい範囲を、反射膜１４を設ける場合の貫通孔３の幅Ｄ１、Ｄ２等としてそのまま採用することができる。もしくは、反射膜１４の表面を貫通孔３の内壁と読み替えて、上述の貫通孔３の幅の好ましい範囲を採用してもよい。

【0023】

（波長変換部材２）
波長変換部材２は、支持部材４の貫通孔３の中、つまり、上側部３ｂに配置されている。
波長変換部材２の形状は、貫通孔３の上側部３ｂの形状に応じて適宜調整することができる。なかでも、貫通孔３の上側部３ｂの形状に一致した形状で、貫通孔３の上側部３ｂの内壁に接触するような形状であることが好ましい。このような形状によって、支持部材４との密着性を図ることができ、波長変換部材２に照射される光により生じる熱を効果的に支持部材４に逃がすことができる。

【0024】

波長変換部材２の光入射面及び光出射面は、例えば互いに平行に対向する平坦面である。いずれか一方又は双方が凹又は凸を有していてもよい。なかでも、光入射面及び光出射面は、半導体レーザ素子が出射するレーザ光の進行方向を示す軸線、すなわち光軸に対して、それぞれ垂直に配置されることが好ましい。

【0025】

波長変換部材２の大きさは、上述した貫通孔３の大きさに合わせて適宜調整することができる。具体的には、半導体レーザ素子１の種類にもよるが、その最大幅を０．１〜３．０ｍｍとすることが好ましい。なお、貫通孔３の貫通方向に対して一定の幅でなくてもよい。波長変換部材２の厚みは、用いる支持部材４の大きさに合わせて適宜設定することができる。例えば、０．２〜１．０ｍｍ程度が挙げられる。これによって、波長変換部材２の外周面が支持部材４と接触することによって効果的な放熱効果を発揮させることができる。

【0026】

波長変換部材２は、光透過率のよい材料によって形成されていることが好ましい。例えば、波長変換部材２が蛍光体と別の部材とが混在するセラミックス等である場合は、蛍光体の割合が波長変換部材２の総重量に対して５０重量％以下、さらには３０重量％以下であることが好ましい。このとき、蛍光体の割合は波長変換部材２の総重量に対して１重量％以上であることが好ましい。もしくは、蛍光体の単結晶を波長変換部材２として用いてもよい。単結晶の波長変換部材２はセラミックスの波長変換部材２と比較して光を散乱し難い。したがって、蛍光体の単結晶を波長変換部材２として用いることで、光取り出し効率を向上させることができる。一方で、光散乱が少ないということは、レーザ光の強度分布の偏りがほぼそのまま波長変換部材２から取り出される光の強度分布に反映されるということでもある。しかし、発光装置１０であれば、下側部３ａの内壁で光を反射させることによってレーザ光の強度分布の偏りを緩和することが可能であるため、単結晶の波長変換部材２であっても、波長変換部材２から取り出される光の強度分布の偏りを緩和することができる。また、波長変換部材２としては、高出力の光が照射されても変質等しない耐光性及び耐熱性の良好な材料によって形成されているものが好ましい。例えば、融点が１０００℃〜３０００℃のものが挙げられ、１３００℃〜２５００℃が好ましく、１５００℃〜２０００℃がより好ましい。

【0027】

波長変換部材２の材料としては、例えば、セラミックスが挙げられる。具体的には、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃、融点：約１９００℃〜２１００℃）、石英ガラス等の二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂、融点：約１５００℃〜１７００℃）、酸化バリウム（ＢａＯ、融点：１８００℃〜２０００℃）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃、融点：２４２５℃）、等が挙げられる。これらは単独で又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、透光性が良好であり、融点、熱伝導性及び拡散性等の観点から、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素を含むものが好ましく、酸化アルミニウムを含むものがより好ましい。
このような材料により波長変換部材２を形成することにより、半導体レーザ素子の高出力化により波長変換部材２が高温になった場合でも、波長変換部材２自体が融解することを抑制することができ、ひいては波長変換部材２の変形及び変色を回避することができる。よって、長期間、光学特性を劣化させることなく維持することができる。また、熱伝導率に優れるものを用いることにより、光源に起因する熱を効率よく放出することができる。
波長変換部材２は、単一の材料又は複数の材料によって形成することができ、単層構造又は積層構造を採用することができる。

【0028】

波長変換部材２は、蛍光体を含有している。これによって、半導体レーザ素子１から出射される光を波長変換することができ、典型的には、半導体レーザ素子１からの光と、波長変換された光との混色光を外部に放出することができる。
蛍光体としては、例えば、用いる光源の出射光の波長、得ようとする光の色などを考慮して選択することができる。具体的には、セリウムで賦活されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、セリウムで賦活されたルテチウム・アルミニウム・ガーネット（ＬＡＧ）、ユウロピウム及び／又はクロムで賦活された窒素含有アルミノ珪酸カルシウム（ＣＡＳＮ）、などが挙げられる。なかでも、耐熱性に優れたＹＡＧ蛍光体を用いることが好ましい。
蛍光体は、複数の種類の蛍光体を組み合わせて用いてもよい。例えば、発光色の異なる蛍光体を所望の色調に適した組み合わせや配合比で用いて、演色性や色再現性を調整することもできる。
複数の種類の蛍光体は、単層構造の波長変換部材において、組み合わせて用いてもよいし、積層構造の波長変換部材に、異なる層それぞれに異なる蛍光体を含有させてもよい。

【0029】

これらの蛍光体を利用することにより、可視波長の第１光及び第２光の混色光（例えば白色系）を出射する発光装置とすることができる。特に、第１光が青色である場合、これに組み合わせて白色発光させる蛍光体としては、青色光で励起されて黄色のブロードな発光を示すＹＡＧ蛍光体等の黄色蛍光体を用いることが好ましい。

【0030】

波長変換部材２は、光入射面及び／又は光出射面に、任意に、反射防止層（ＡＲ層）や、後述するものなどの機能性膜が形成されていてもよい。また、波長変換部材２の光入射側及び／又は光出射側にサファイア等の透光性部材を配置してもよい。

【0031】

図１Ａでは、波長変換部材２は、蛍光体としてＹＡＧが波長変換部材の全重量に対して１１重量％含有された酸化アルミニウム（融点：約１９００℃〜２１００℃）によって形成されている。波長変換部材２は、その上面の直径が０．５ｍｍであり、下面の直径が０．３ｍｍであり、厚みが０．３ｍｍである。波長変換部材２は、後述する第１透光部材が溶融することにより、波長変換部材２と支持部材４とを密着させており、波長変換部材２自体は、溶融していない。

【0032】

（第１透光部材）
貫通孔の内壁と波長変換部材とを融着するために第１透光部材を利用することができる。この場合、第１透光部材は、貫通孔３、特に上側部３ｂの内壁に膜状に配置される。
第１透光部材を構成する材料としては、無機材料からなるものが挙げられ、例えば、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、ソーダガラス、鉛ガラスなどのガラスからなるものが好ましい。
第１透光部材の厚みは、例えば、貫通孔３の上側部３ｂの内壁上において、０．０１〜５μｍ程度が挙げられ、０．０５〜３μｍ程度が好ましい。

【0033】

（第２透光部材）
支持部材４の貫通孔３の上側部３ｂ内及び／又は上側部３ｂの上側の開口を塞ぐ位置には、波長変換部材２の光出射面を被覆するように、第２透光部材が配置されていてもよい。第２透光部材は、透光性を有する材料によって形成されており、例えば第１透光部材で例示した材料の中から選択することができる。
第２透光部材は、上述した蛍光体及び／又は光散乱材又はフィラーを含有していてもよい。これによって、波長変換部材を通過した光を均一化させることができるとともに、色調整を行うこともできる。

【0034】

（機能性膜）
機能性膜としては、光の透過性、反射性等に好適に機能し得る膜が挙げられる。例えば、第１光を透過し第２光を反射するショートパスフィルター、又は第１光を反射し第２光を透過するロングパスフィルターが挙げられる。これらは、その機能に適した位置に配置される。例えば、波長変換部材２の光の出射面側にロングパスフィルターを配置すること、及び／又は光の入射面側にショートパスフィルターを配置することができる。

【0035】

（装置構成部材）
この発光装置１０においては、半導体レーザ素子１は、サブマウント５及びヒートシンク６を用いて板状のステム７に固定されている。ヒートシンク６とステム７は一体であってもよい。支持部材４とステム７により、半導体レーザ素子１は密閉されている。ステム７には、外部電力と電気的に接続するための複数のリード８がそれぞれステム７に設けた複数の貫通孔を通して配置されている。貫通孔は、低融点ガラスなどの材料から構成される封止材でさらに密閉することができる。半導体レーザ素子１は、ワイヤ９等の導電部材を介してリード８と電気的に接続されている。
半導体レーザ素子１と支持部材４との間には、レンズ等の集光部材を設けないことが好ましい。これにより、発光装置１０を小型化することができるとともに、集光部材の使用を避けることにより部品数の低減、ひいては製造コストを減少させることができる。言い換えると、少ない部品数で、半導体レーザ素子１からのレーザ光を効率よく波長変換部材２に集光することができる。

【0036】

このような構成を有する発光装置１０は、半導体レーザ素子１から出射された光が、入射光として、支持部材４の貫通孔を通って、波長変換部材２に照射され、波長変換部材２から外部に出る光が発光装置１０の発光として取り出される。
これによって、波長変換部材２で所望の光に波長変換することができ、かつ、波長変換部材２を通過した光の強度及び色度の分布を均一に近づけることができる。

【0037】

実施形態２
この実施形態の発光装置２０は、図２に示すように、支持部材２４の貫通孔２３において、上側部２３ｂが、下側部２３ａの上端の幅よりも大きな幅で下側部２３ａと連結しており、長さ方向に一定幅である以外は実施形態１の発光装置１０と同様の構成を有する。
このような構成を有することにより、小型化を実現しながら光取り出し効率の向上を図ることができる。

【0038】

実施形態３
この実施形態の発光装置３０は、図３に示すように、支持部材３４の貫通孔３３において、上側部３３ｂが、下側部３３ａの上端の幅よりも大きな幅で下側部３３ａと連結しており、光の入射面側から出射面側に向かって、一定幅の部位と、拡幅となる部位を有する以外は実施形態１の発光装置１０と同様の構成を有する。
このような構成を有することにより、小型化を実現しながら光取り出し効率の向上を図ることができる。

【0039】

実施形態４
この実施形態の発光装置４０は、図４に示すように、半導体レーザ素子１が、基材４７の上面に対してサブマウント４５を介して平行に配置されており、その半導体レーザ素子１の光出射面に対応して、支持部材４４の側方の壁に貫通孔４３を有する以外は実施形態１の発光装置１０と同様の構成を有する。
このような構成を有することにより、小型化を実現しながら光取り出し効率の向上を図ることができる。なお、図４は、発光装置４０に含まれるすべての部材を貫通孔４３の貫通方向に沿って切断した状態を示す概略断面図である。

【0040】

実施形態５：光強度分布の評価
本発明の一実施形態である発光装置Ａと、その比較例としての発光装置Ｂを設定した。これらの発光装置に対して、以下の条件で、光強度分布をシミュレートした。その結果を以下の表に示す。表における角度以外の数値はμｍを表す。

発光装置Ａにおいては、貫通孔３の下側部３ａの光入射側の開口部の直径Ｄ１を該開口部に９９．６％のレーザ光が入射できる大きさとし、発光装置Ｂでは、貫通孔のレーザ光入射側の開口部の直径は該開口部に９７．９％のレーザ光が入射できる大きさとした。発光装置Ａの貫通孔３の下側部３ａのレーザ光出射側の直径Ｄ２は２００μｍとした。半導体レーザ素子１から貫通孔３までの最短距離Ｓは、発光装置Ａ及び発光装置Ｂにおいて共にＳ＝２００μｍとした。貫通孔３の断面形状（レーザ光の光軸に対して垂直な断面）は、発光装置Ａ及び発光装置Ｂにおいて共に円形とした。半導体レーザ素子１の出射するレーザ光のビーム形状は、横方向（半導体層の面に平行な方向）の幅よりも縦方向（半導体層の面に対して垂直な方向）の幅の方が大きな楕円形状とした。これにより、発光装置Ａの貫通孔３の下側部３ａはレーザ光の縦方向の両端部を主に反射した。
なお、図５は、発光装置Ａの貫通孔３の下側部３ａと上側部３ｂとの境界におけるレーザ光の強度分布を示し、図６は、発光装置Ｂの貫通孔のレーザ光入射側の入口におけるレーザ光の強度分布を示す。これらの位置には波長変換部材２のレーザ光入射面が配置されると想定されるため、図５及び図６はすなわち、波長変換部材２に入射するレーザ光の強度分布を示すといえる。そして、高強度面積割合は、波長変換部材２のレーザ光入射面の平面積に占める、照射強度１．５×１０⁵（Ｗ／ｃｍ²）以上の面積の割合として求めた。また、波長変換部材２へのレーザ光到達率は、レーザ光の総量、つまり解析光線の総数を１００％とした場合の、それに占める波長変換部材２のレーザ光入射面に到達する解析光線の数の割合として求めた。
なお、上述の発光装置Ａはα−９０を２０．５°としたが、α−９０を１４°〜２０°とした場合でも同様の傾向が示された。すなわち、発光装置Ｂと比較して、高強度面積割合の低減が認められた。
この結果から、レーザ光の強度分布の偏り緩和を効果的に促進することができることが確認された。すなわち、レーザ光の縦方向の両端部が下側部３ａの内壁で反射されて下側部３ａの上端に向かうことにより、図５に示すように、レーザ光の縦方向の両端部の発光強度が上昇し、中心部と外周部との強度差が減少した。これによって、波長変換部材２から取り出される光の色度の偏り緩和を実現できる。そのため、光を散乱させるための波長変換部材２の厚膜化が不要となり、よって、波長変換部材２を薄膜化することができる。これにより、波長変換部材２による光散乱を低減させることができるため、光取り出し効率の向上を図ることが可能となる。また、このようにレーザ光の外周部が貫通孔３の下側部３ａによって反射されることでレーザ光の拡がりを低減することができるため、レンズ等の集光部材を用いなくても発光装置Ａの発光を高輝度化することができる。これによって、発光装置１０の部品数を減らすことができ、コスト低減や小型化を図ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明の発光装置は、表示装置、照明器具、液晶ディスプレイのバックライトユニット、プロジェクタ装置、車両用灯具、内視鏡などの光源として利用することができる。

【符号の説明】

【0042】

１ ：半導体レーザ素子
２、２２、３２、４２ ：波長変換部材
３、２３、３３、４３ ：貫通孔
３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ ：下側部
３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、４３ｂ ：上側部
４、２４、３４、４４ ：支持部材
５、４５ ：サブマウント
６ ：ヒートシンク
７ ：ステム
８ ：リード
９ ：ワイヤ
１０、２０、３０、４０ ：発光装置
１４ ：反射膜
４７ ：基材

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】