(57)【要約】【課題】  電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用できて単純かつ安価な構成を有しながらレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子（１００）は活性層（１０５）を挟むクラッド層（１０３、１０９）を含む光共振器構造を備え、電流注入によって光共振器構造においてレーザ発振状態となった誘導放出光を吸収して可視光を発する蛍光体含有層（１１１）が光共振器構造に平行して設けられている。【選択図】        図１
2006261222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と前記活性層を挟むクラッド層とを含む光共振器構造を備え、
電流注入によって前記光共振器構造においてレーザ発振状態となった誘導放出光を吸収して可視光を発する蛍光体含有層が前記光共振器構造に平行して設けられていることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記光共振器構造はリッジを含むリッジ型導波路を含み、前記リッジの両側面に接して前記蛍光体含有層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記光共振器構造はメサを含む埋込みヘテロ型導波路を含み、前記メサの両側面に接して前記蛍光体含有層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記光共振器構造は複数のリッジを含むリッジアレイを含み、各前記リッジ間に前記蛍光体含有層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記リッジまたは前記メサの幅は、前記光共振器構造内における誘導放出光の波長の１０倍以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
【請求項６】
前記光共振器構造の両端面が劈開面でありかつ全反射膜でコーティングされていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項７】
前記全反射膜は金属コーティング膜を含むことを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
前記発光素子がヒートシンク上にマウントされ、前記ヒートシンクに近い側の電極に蛍光を反射する反射膜が含まれ、前記ヒートシンクに対向する側の電極に蛍光に対して透明な電極が含まれていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の発光素子。
【請求項９】
前記活性層を挟む２つの前記クラッド層の一方に隣接して前記蛍光体含有層が設けられており、前記蛍光体含有層に隣接した前記クラッド層の屈折率は他方の前記クラッド層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１０】
前記共振器構造はＡｌＧａＩｎＮ系半導体材料からなるダブルヘテロ構造を含み、３８０ｎｍから４２０ｎｍの波長範囲内でレーザ発振を生じることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１１】
前記蛍光体含有層は３８０ｎｍから４２０ｎｍの波長範囲内の光を吸収して白色の蛍光を発することを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記光共振器構造は回折格子を内蔵する分布帰還型共振器であり、前記回折格子のブラッグ波長は前記蛍光体含有層における光吸収のピーク波長に一致していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１３】
前記光共振器構造は前記活性層に平行な面内に設けられた２次元的な回折格子を含み、前記回折格子のブラッグ波長が前記蛍光体含有層における光吸収のピーク波長に一致していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１４】
前記回折格子は半導体と空孔との周期配列からなることを特徴とする請求項１２または１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記回折格子は半導体と前記蛍光体含有層との周期配列からなることを特徴とする請求項１２または１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記回折格子の次数が２次であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の発光素子。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかの発光素子を光源として含むことを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子およびそれを含む照明装置の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、白熱電球や蛍光灯のような従来からの照明装置に代って、半導体発光素子と蛍光体を用いた照明装置が開発されている。半導体発光デバイスの一例としてはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の発光層を含む発光ダイオードを挙げることができ、赤色から青色さらには白色で発光する素子が実用化されている。発光ダイオードを用いた照明装置は、小型かつ安価であって消費電力が少なくて寿命が長く、従来の照明装置にない特徴を有している。他方、発光ダイオードを用いた照明装置は、白熱電球や蛍光灯ほどの大きな光出力を有し得ないことから、現在のところでは主としてディスプレイのバックライト、イルミネーション、インジケータなどとして利用されるに留まっている。
【０００３】
半導体発光デバイスとしては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による半導体レーザを用いた照明装置も考案されている。特許文献１の特開平７−２８２６０９号公報には、半導体レーザ素子と、その素子からのレーザ光を拡散させるレンズと、そこからの拡散レーザ光を励起光として可視光に変換する蛍光体とを備えた照明装置が開示されている。また、特許文献１には、赤、緑、および青の三色の半導体レーザの出力光を重ね合わせることによって白色照明を得る構成が開示されている。半導体レーザを光源に用いた場合、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高く、また大幅な高出力化が可能となることが期待される。
【特許文献１】特開平７−２８２６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体レーザを用いた照明装置は電気−光変換効率が極めて高くて高出力化が可能であるという利点があるものの、発光ダイオードと比べて構成が複雑化する問題がある。半導体レーザの出力光は指向性が強くて一方向に高密度で放射されるので、特許文献１に開示されているような拡散レンズやコリメータレンズのように光の拡がりを調節するための光学系が必要となる。また、レンズ系を用いた場合でも、半導体レーザを高出力で動作させている時に見られる大きな自然放出光の成分はレンズに結合されず、レンズとの結合損失が大きくなったり、または迷光として外部に出てくるという問題も生じ得る。
【０００５】
さらに、本発明者の検討によれば、半導体レーザを蛍光体に対する励起光源とした場合、光源の光強度が非常に強いので、蛍光体で吸収され切らずにそのまま外部に出てくる場合があり、安全性に問題が生じ得ることがわかった。これを防ぐためには、レーザ光の散乱の程度を大きくすることまたは蛍光物質の密度を高めることが有効であるが、いずれの場合にも外部に取り出すことができる蛍光量が著しく低下する結果となる。また、励起光が外部に出てこないように散乱・蛍光体での吸収の程度を調節しても、環境温度の変化によってレーザの発振波長がシフトした場合には蛍光体の吸収線とレーザ発振波長とが一致しなくなり、その場合においてもレーザ光がそのまま外部に出てくることがある。
【０００６】
上述ような問題に鑑み、本発明の目的は、電気−光変換効率が極めて高いレーザ発振状態を利用しながらも単純かつ安価な構成を有していてかつレーザ光が外部に漏れない安全な発光素子を提供することである。そして、このような発光素子は、照明装置の光源として好ましく利用され得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による発光素子は活性層を挟むクラッド層を含む光共振器構造を備え、電流注入によって光共振器構造においてレーザ発振状態となった誘導放出光を吸収して可視光を発する蛍光体含有層が光共振器構造に平行して設けられていることを特徴としている。
【０００８】
なお、光共振器構造はリッジを含むリッジ型導波路を含むことができ、リッジの両側面に接して蛍光体含有層が設けられ得る。光共振器構造はメサを含む埋込みヘテロ型導波路を含んでいてもよく、メサの両側面に接して蛍光体含有層が設けられ得る。光共振器構造は複数のリッジを含むリッジアレイを含むこともでき、各リッジ間に蛍光体含有層が設けられ得る。リッジまたはメサの幅は、光共振器構造内における誘導放出光の波長の１０倍以下であることが好ましい。
【０００９】
光共振器構造の両端面は劈開面であり得て、全反射膜でコーティングされ得る。そして、その全反射膜は金属コーティング膜を含み得る。発光素子がヒートシンク上にマウントされ、ヒートシンクに近い側の電極に蛍光を反射する反射膜が含まれ、ヒートシンクに対向する側の電極に蛍光に対して透明な電極が含まれていることが好ましい。活性層を挟む２つのクラッド層の一方に隣接して蛍光体含有層が設けられ、蛍光体含有層に隣接したクラッド層の屈折率が他方のクラッド層の屈折率よりも大きいことが好ましい。
【００１０】
共振器構造はＡｌＧａＩｎＮ系半導体材料からなるダブルヘテロ構造を含むことができ、３８０ｎｍから４２０ｎｍの波長範囲内でレーザ発振を生じ得る。蛍光体含有層は、３８０ｎｍから４２０ｎｍの波長範囲内の光を吸収して白色の蛍光を発することが好ましい。
【００１１】
光共振器構造は回折格子を内蔵する分布帰還型共振器であり得て、回折格子のブラッグ波長は蛍光体含有層における光吸収のピーク波長に一致していることが好ましい。また、光共振器構造は活性層に平行な面内に設けられた２次元的な回折格子を含み、その回折格子のブラッグ波長が蛍光体含有層における光吸収のピーク波長に一致していることが好ましい。回折格子は、半導体と空孔との周期配列によって形成することができる。回折格子は、半導体と蛍光体含有層との周期配列によって形成することもできる。回折格子の次数は、２次であることが好ましい。
【００１２】
上述のような発光素子を光源として含むことによって、種々の優れた特性を有する照明装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のような本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を発する発光素子が得られる。また、本発明による発光素子は、蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。さらに、本発明による発光素子では、線状発光または面状発光を容易に得ることができる。そして、本発明による発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施例１）
図１の模式的斜視図において、本発明の実施例１による発光素子が図解されている。この発光素子１００においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮバッファ層１０２、厚さ３μｍのｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ下クラッド層１０３、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層１０４、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮウエル層１０５、厚さ１０ｎｍのＧａＮバリア層１０６、厚さ５ｎｍのＩｎＧａＮウエル層１０５、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層１０４、厚さ０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０７、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮ光導波層１０８、厚さ０．６μｍのｐ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎ上クラッド層１０９、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次積層されている。
【００１５】
ｐ型Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎ上クラッド層１０９とｐ型ＧａＮコンタクト層１１０はリッジストライプ状に形成されており、そのリッジの両側に蛍光体含有層１１１が形成されている。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下面上にｎ型用オーミック電極１１２が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０上にｐ型用オーミック電極１１３が形成されている。
【００１６】
発光素子１００は１．５μｍの電流狭窄幅ｗ１を有するリッジ型導波路構造を含み、劈開によってその素子の両端面１１４を形成することによって、図１中のｚ方向に光を閉じ込めるファブリペロー共振器が形成されている。両劈開面１１４には全反射膜として厚さλ／２（λ：共振波長）のＳｉＯ2膜（図示せず）とたとえばアルミニウム膜（図示せず）がコーティングされ、共振器長（ｚ方向の素子の長さ）は２ｍｍに設定され得る。ここでアルミニウム膜は完全反射鏡を形成するために設けられるが、素子の端面１１４上にアルミニウム膜を直接設ければ上下の電極１１２、１１３がショートするので、絶縁のために厚さλ／２のＳｉＯ2膜が介挿される。なお、ミラー用の金属薄膜としては、青色光または紫外光に対して反射率が高いアルミニウムまたは銀などを用いることができる。図１の発光素子１００は、ジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。
【００１７】
蛍光体含有層１１１には、赤色（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+｝の蛍光を発する蛍光体が分散されたシリコーン樹脂が用いられ得る。この発光素子１００に上下の電極１１２、１１３を通して電流を注入すれば、蛍光体含有層１１１が白く発光する。
【００１８】
図２の模式的グラフは、発光素子１００における白色発光の強度（縦軸）と注入電流（横軸）との関係を示している。３０ｍＡ以上の電流において急激に蛍光強度が強くなり、この電流値を閾値電流として発光素子１００の内部がレーザ発振状態となって、強い白色蛍光が発せられる。
【００１９】
発光素子１００では、上下の電極１１２、１１３を通して注入される電流によって、二重量子井戸活性層におけるウエル層１０５から波長４０５ｎｍの発光が生じる。この波長４０５ｎｍの発光は両端の劈開面１１４により構成されたファブリペロー共振器内で誘導放出を伴いながら増幅され、レーザ発振状態が生じる。両端面１１４には厚さλ／２のＳｉＯ2膜とアルミニウム膜とがコーティングされているので、レーザ光は外部には放出されなくて、共振器内に閉じ込められた状態となる。
【００２０】
他方、リッジ型導波路のリッジ側面には蛍光体含有層１１１が設けられている。図３（ａ）に示された模式的ｘ−ｙ断面図からわかるように、レーザ発振状態となった共振器内の波長４０５ｎｍの誘導放出光１２１の一部がこの蛍光体含有層１１１内へ染み出す。特に、本実施例１では、後述するように誘導放出光１２１が蛍光体含有層１１１内へ染み出す割合が高くなるように、導波路構造が工夫されている。蛍光体含有層１１１には波長４０５ｎｍの光を吸収して赤色、緑色、および青色の蛍光を発する蛍光体が含められており、それらの蛍光が混合されて白色蛍光１２２が放射される。
【００２１】
この発光素子１００では、レーザ発振状態となった波長４０５ｎｍの光１２１を蛍光体に対する励起光として利用するので、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が極めて高くなる。また、励起光となるファブリペロー共振器内の光は、レーザ発振状態となっているのでその密度が極めて高く、蛍光体含有層１１１で吸収される以外にはほとんど損失を受けない。よって、白色蛍光１２２も、非常に高い効率でかつ非常に強い強度で発光し得る。また、励起光である波長４０５ｎｍの光は、ｘ−ｙ面内においては導波構造で閉じ込められて、ｚ方向においては光を完全に閉じ込めるファブリペロー共振器内に閉じ込められるので、外部に漏れることはない。また、発光素子１００はレーザ発振機構と蛍光体含有層１１１とが一体となっているので、特許文献１の発光装置におけるようにレーザ光を拡散させたり反射させるための光学系が不要となり、小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。さらに、白色放射領域が点状ではなくて線状（後述する他の実施例では面状）となるので、発光面積を容易に高めることができる。
【００２２】
なお、本発明者の検討によれば、リッジ幅ｗ１を導波路管内の光波長の約１０倍以下に設定すれば、リッジ側面部への導波光の染み出しが増えて、効率的に蛍光１２１を取り出せることがわかった。発光素子１００の場合、管内波長は０．４０５μｍ／（等価屈折率）＝０．４０５μｍ／２．５＝０．１８μｍであるので、リッジ幅を約１．８μｍ以下にすればよい。本実施例１においては、リッジ幅ｗ１を１．５μｍと狭くすることによってリッジ側面の蛍光体含有層１１１内へ染み出る光１２１の密度を高めており、効率的に蛍光１２２を取り出すことができる。
【００２３】
また、発光素子１００の層構造（ｙ方向の構造）においては、下クラッド層１０３のＡｌ混晶比を上クラッド層１０９のＡｌ混晶比よりも大きくして、すなわち上クラッド層の屈折率を下クラッドに比べて大きくすることによって、共振器内の垂直方向の光分布を蛍光体含有層１１１のある上方へ片寄せており、それによって蛍光１２２を効率的に放射させるようにしている点にも特徴がある。また、蛍光体含有層１１１に隣接して、上クラッド層１０９よりも屈折率が高い光導波層１０８を設けている。この構成も、光分布を蛍光体含有層１１１のある上方へ片寄せる作用を助長し、効率的に蛍光１２２を放射させる。
【００２４】
本実施例１ではリッジの頂上のみにオーミック電極１１３を設けているが、電極面積を大きくするために、さらにその上に電極１１３とオーミック接触する広面積の透明電極層を設けてもよい。この点は、他の実施例においても同様である。
【００２５】
なお、図１に関しては蛍光体含有層１１１に青色、緑色、および赤色の各色で発光する蛍光体を混在させた場合について述べたが、図３（ｂ）の模式的断面図に示すように、たとえば赤色を発光する蛍光体含有層１２３、緑色を発光する蛍光体含有層１２４、および青色を発光する蛍光体含有層１２５を分離して設けてもよいことは言うまでもない。
【００２６】
図４の模式的斜視図において、実施例１に関連する変形例が示されている。図１に示されたリッジ型導波路構造と異なって、図４では、埋め込みヘテロ型導波路構造を有する発光素子１３０が例示されている。この発光素子１３０では、ｎ型ＧａＮ基板１３１上においてＡｌＧａＩｎＮ系半導体材料を用いて順次積層された下クラッド層１３２、活性層部１３３、上クラッド層１３４、およびコンタクト層１３５からなる幅１．２μｍのダブルヘテロ構造のメサの両側が蛍光体含有層１３６で埋め込まれている。ここで、活性層部１３３は、図１における複数の層１０４から１０６を含んでいる。発光素子１３０においては図１中の複数の機能層１０７、１０８なども含まれているが、図４では図示省略されている。
【００２７】
図１と図４とにおける主要な相違は、図１ではリッジの両側面に接するように蛍光体含有層１１１を設けているのに対して、図４では活性層部１３３を含む多層構造をメサ化した上でその活性層部１３３の側面に接するように蛍光体含有層１３６を設けている点にある。この図４の構成においても、図１の場合と同様に、埋め込みヘテロ型導波路においてレーザ発振状態に至った誘導放出光がメサの両側面の蛍光体含有層１３６にて一部が吸収されて白色蛍光を放出する。特に、図４のような埋め込みヘテロ型の場合、活性層部１３３の直近に蛍光体含有層１３６が存在しているので、その蛍光体含有層内へ染み出る誘導放出光の割合が増加して白色発光効率が高くなることに加えて、蛍光体含有層１３６における光吸収の増加分は埋め込みヘテロ構造による閾値電流の低下によってキャンセルされ得る点からも電気−光変換効率が高められる効果がある。
【００２８】
（実施例２）
図５の模式的斜視図において、本発明の実施例２による発光素子が示されている。この発光素子２００では、活性層部２０２は図１中の複数の層１０４から１０６に相当する複数層を含んでいる。また、下層２０１ａは図１における複数の層１０１−１０３および１１２に相当する複数の層を含み、上層２０１ｂは図１における複数の層１０７−１１０および１１３に相当する複数の層を含んでいる。図５中の幅ａ２は１．５μｍで、幅ｂ２は２μｍであり、複数本（図５の例では６本）のリッジがアレイ状に配列されている。劈開によって発光素子の両端面２０４を形成することによって、ファブリペロー共振器が形成されている。両劈開面２０４に厚さλ／２のＳｉＯ2膜（図示せず）とアルミニウム膜（図示せず）とをコーティングして全反射端面を形成し、共振器長が２ｍｍに設定され得る。この図５の発光素子２００をジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントし、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。
【００２９】
蛍光体含有層２０３としては、赤色（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+｝の蛍光体が分散された誘電体膜が用いられ得る。この発光素子２００に上下電極から電流を注入すれば、蛍光体含有層２０３から強い白色蛍光が放射される。
【００３０】
この発光素子２００が白く発光する原理は、実施例１の発光素子１００と同様である。すなわち、図６の模式的ｘ−ｙ断面に示したように、複数のリッジ部から注入された電流によって活性層部２０２から誘導放出光２０５が発せられてレーザ発振状態に至り、その誘導放出光２０５の一部が蛍光体含有層２０３に吸収されることによって蛍光２０６が生じる。励起光２０５は高密度のレーザ発振状態となっており、その誘導放出光２０５は蛍光体含有層２０３による吸収以外には損失を受けないので、高い電気−光変換効率で非常に強い白色蛍光２０６が得られ、また励起光となる波長４０５ｎｍのレーザ光２０５は素子外部に漏れることがない。また、発光素子２００は、小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。さらに、本実施例２では複数本のリッジをアレイ状に並べていることから広い面積で面状に発光し、より大きな光量を得ることができる。リッジの数は図６の場合の６本に限られず、さらに多くすることによって、より広い面積で面状に発光させることも可能であることは言うまでもない。また、本実施例２では複数本のリッジがアレイ状に並んだ構造とされたが、図４に示したような埋め込みヘテロ構造を形成するメサの複数本がアレイ状に並んだ構造であってもよい。
【００３１】
（実施例３）
図７の模式的一部破断斜視図において、本発明の実施例３による発光素子が図解されている。この発光素子３００において、複数の層３０１から３１３の材料および層厚などは、それぞれ図１中の複数の層１０１から１１３と同様である。本実施例３が実施例１および２と異なる点は、光導波層３０８の上部に回折格子３１５が設けてられており、分布帰還型のレーザ共振器が形成されていることである。回折格子３１５は、ピッチが０．１６μｍの「２次」の回折格子である。図７中のリッジ幅ｗ３は、１．５μｍに設定され得る。劈開によって発光素子３００の両端面３１４を形成し、それらの両劈開面には厚さλ／２のＳｉＯ2膜（図示せず）とアルミニウムの蒸着膜（図示せず）とによる全反射コーティングが施され、共振器長は３ｍｍに設定され得る。この図７の発光素子３００はジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。
【００３２】
蛍光体含有層３１１としては、赤色（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+｝の蛍光体が分散されたガラス系材料が用いられ得る。この発光素子３００の上下電極３１２、３１３を通して電流を注入すれば、蛍光体含有層３１１から強い白色蛍光が得られる。
【００３３】
本実施例３の発光素子３００が白く発光する原理は実施例１の素子と同様であり、高い電気−光変換効率で非常に強い白色蛍光が得られ、また励起光となる波長４０５ｎｍのレーザ光が素子外部に漏れることはない。さらに、発光素子３００は、小型かつ安価にアライメントフリーで製造することができる。
【００３４】
本実施例３では、半導体レーザ素子３００内に回折格子３１５を内蔵した分布帰還型の共振器を形成している点に特徴がある。一般に蛍光体の吸収スペクトルは環境温度による変動が小さいのに対して、ファブリペロー共振器構造においては環境温度による発振波長の変化が比較的に大きい（２〜３ｎｍ／℃）。したがって、発光素子の環境温度の変化によって、一般的には蛍光体の励起効率が大きく変動する傾向にある。他方、本実施例３のように分布帰還型共振器構造の場合には、回折格子によって選ばれた唯一の波長のみが共振状態に至るので、環境温度による発振波長の変化が小さくなる（０．６〜０．７ｎｍ／℃）。したがって、そのような共振器によって発振状態となっている光で蛍光体を励起する発光素子においては、環境温度の変化による蛍光体の励起効率の変動が極めて小さくなり、安定した強度の蛍光が得られることになる。また、本実施例３のように赤色、緑色、および青色の蛍光を混ぜ合わせて白色を得る場合に、温度による色の変化が極めて小さくなる。
【００３５】
分布帰還型共振器においては回折格子の任意の「次数」で共振状態に至らしめることができ、その共振光の一部が蛍光体を励起することによって蛍光を得ることができるが、特に本実施例３においては回折格子の「次数」として「２次」を選択する点に特徴がある。２次の回折格子は、共振器内に生じる共振器方向の定在波の２倍のピッチで回折格子が印刻されているものである。この２次の回折格子は、発振状態に至っている導波路構造内の導波光の一部をその導波方向（ｚ方向）から上方（ｙ方向）へ回折させる作用を持つことから、より効果的に励起光を蛍光体含有層３１１に吸収させることが可能となる。このような構成、作用、および効果は、次の実施例４に示す２次元回折格子の場合にも実現可能である。
【００３６】
なお、分布帰還型回折格子３１５の位置は図７に示したような活性層３０５と上クラッド層３０９との間に限定されるものではなく、活性層の下であってもよいし、活性層そのものが回折格子状であってもよい。また、図８の模式的一部破断斜視図に示された発光素子４００におけるように、回折格子４１５は半導体層４０３に設けられた空孔の周期構造で形成されていてもよい。発光素子４００中の複数の層４０１−４１３の材料および層厚などは、それぞれ図１中の複数の層１０１−１１３と同様である。そのような空孔の周期構造は、基板４０１の上に複数層４０２、４０３が形成されてその最上層４０３へ回折格子４１５が印刻された部分と、複数層４０４−４１０が形成された部分とを準備し、それら２つの部分を貼りあわせて作製することができる。そのような空孔の周期構造を形成することによって、より分布帰還が強く生じるようになり、発振状態に至る閾値電流の低下と発光効率の向上が図られる。
【００３７】
なお、本実施例３においても、実施例２の場合のように複数のリッジを並べることによって平面的に発光させ得ることは言うまでもなく、また図４に示したような埋め込みヘテロ型にしてもよいことも言うまでもない。
【００３８】
（実施例４）
図９の模式的な一部破断斜視図においてに本発明の実施例４による発光素子が図解されている。この発光素子に含まれ複数の層５０１−５１３の材料および層厚などは、それぞれ図１中の複数の層１０１−１１３と同様である。本実施例４が実施例１と異なる点は、下クラッド層５０３に円形の空孔５１６を周期的に設けており、これがｘ−ｚ面内で２次元回折格子となっている点にある。空孔間の距離は、約０．１６μｍに設定され得る。上部の電極５１３はメッシュ状に設けられ、広い範囲に均一に電流が注入され得る。図９中のリッジ幅ｗ５は、１．５μｍに設定され得る。この図９の発光素子はジャンクションアップにて銅製のヒートシンクにマウントされ、透明樹脂によるキャップが付いたパッケージに封入される。
【００３９】
蛍光体含有層５１１としては、赤色（Ｙ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+）、緑色（ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌ）、および青色｛（Ｓｒ、Ｃａ、Ｂａ、Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃｌ2：Ｅｕ2+｝の蛍光体が分散されたシリコーン樹脂が用いられ得る。
【００４０】
この発光素子５００においては、活性層の下部に設けられた２次元回折格子によって、活性層に平行なｘ−ｚ面内で２次元的に回折が生じる２次元的分布帰還型共振器が形成されており、ｘ−ｚ面内で２次元的にレーザ発振状態が生じ得る。その発振光の一部が蛍光体含有層５１１中の蛍光体を励起することによって、白色蛍光が得られる。この発光素子５００では、特に２次元平面的にレーザ発振状態となることを利用するので、大面積で平面的に白色光が得られる点が特徴である。
【００４１】
なお、本実施例４では活性層の下部に２次元回折格子を配置したが、上部または活性層そのものに回折格子が印刻されていても問題はない。本実施例４におけるように空孔５１６が２次元配列された回折格子を含む発光素子５００は、図８に示した空孔の回折格子を含む発光素子と同様に２つの部分の貼り合わせによって作ることができる。また、必ずしも空孔である必要はなく、半導体層５０３と屈折率が異なる半導体や誘電体で空孔埋め込まれていてもよい。
【００４２】
さらに、図１０の模式的な一部破断斜視図に示された発光素子６００のように、半導体層６０８に設けた２次元回折格子の穴の部分を蛍光体含有層６１１で埋め込み、半導体層と蛍光体含有層とが２次元的周期で配置された構成とすることも有効である。この発光素子６００に含まれ複数の層６０１−６１３の材料および層厚などは、それぞれ図１中の複数の層１０１−１１３と同様である。図１０の場合、２次元回折格子は、２次元平面的にレーザ発振状態に至らせる２次元分布帰還を生じる作用と、その発振光の一部が蛍光体含有層６１６中の蛍光体を励起して白色蛍光を生じさせる作用とを併有することになる。
【００４３】
（実施例５）
図１１の模式的なｘ−ｙ断面において、本発明の実施例５による発光素子７００が図解されている。この発光素子７００中の複数の層２０１ａ−２０３の構成、およびｚ方向の構成などは実施例２の発光素子２００と同様である。発光素子２００に比べて、発光素子７００における相違は、ジャンクションダウンにて蛍光体含有層２０３に近い側の電極がソルダー２０９を介してヒートシンク２１０に近接配置されている点、ヒートシンクに近い側に均一なアルミニウム層２０８を設けている点、およびヒートシンクから遠い側の電極に透明電極２０７を設けている点にある。
【００４４】
蛍光体含有層２０３からの蛍光は、素子の外部のみならず内部へも放出され得る。本実施例５では、ヒートシンク２１０側へ発せられた蛍光に対して均一なアルミニウム層２０８が反射鏡の役割を果たし、白色光に対して透明な基板および電極２０７を通して外部への蛍光２０６として取り出される。したがって、蛍光２０６の取り出し効率が極めて高くなる。
【００４５】
なお、このように下方（素子内部）へ放出された蛍光を外部へ取り出す構成は、他の実施例に対しても適用することができる。また、通常の発光ダイオードなどで施されているように、蛍光を効率的に外部へ取り出す公知の各種構造を導入することができることは言うまでもない。
【００４６】
（実施例６）
本発明の実施例６においては、実施例１の発光素子を２ｃｍ間隔で縦２０個×横２０個のマトリックス状に並べて設置し、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を構成する。本実施例６の照明装置は、白熱灯や蛍光灯に代わる照明装置としての他に、イルミネーションやディスプレイのバックライトなどとしても用いることができる。
【００４７】
なお、本発明においては、蛍光体含有層に関して、各実施例に示した蛍光体材料および蛍光体を分散させている母材の材料に限られるものではなく、目的に適した公知の任意の材料に置き換えることが可能であることは言うまでもない。また、出力となる蛍光については必ずしも白色である必要はなく、目的に応じて任意の蛍光体にて任意の色の蛍光を放射させてもよい。
【００４８】
励起光源として用いる半導体レーザの発振波長は４０５ｎｍに限られず、蛍光体の吸収線に合わせて調節すればよい。レーザ発振波長は、蛍光体から発せられる蛍光の波長よりも短波長の蛍光体吸収線に合わせればよいが、レーザ発光の効率および可視光への変換効率を考慮して検討した結果、ＡｌＧａＩｎＮ系材料による波長３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲内のレーザ発振状態を利用することが好ましいことがわかった。
【００４９】
本発明の半導体レーザ素子の半導体層に使用される窒化物系化合物半導体混晶については、各実施例において説明した以外のＩＩＩ族元素（ボロンなど）やＶ族元素（砒素、燐、ピスマスなど）が適宜混晶化されていてもよいし、不純物元素（Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｔｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉなど）が適宜含まれていてもよい。また、基板についても各実施例に示したものに限定されず、他の公知の基板を用いても同様の効果が得られる。たとえば、サファイア基板、炭化シリコン基板、シリコン基板、砒化ガリウム基板などの単結晶基板を用いることが可能である。これらの基板を結晶成長によって作製する場合、公知の任意の原料を用いた任意の結晶成長方法にて作製し得ることは言うまでもない。また、各実施例において量子井戸構造を有する活性層を示したが、その際における井戸数、歪量、井戸層厚などに関して特に制限はない。また、バリア層に、圧縮または引っ張りの歪を導入してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明によれば、電気−光変換効率が極めて高くて高強度で可視光の蛍光を放射する発光素子を提供することができる。そして、本発明の発光素子は、蛍光体を励起する光を外部に漏さないので安全であり、小型かつ安価であってアライメントフリーで製造することができる。また、本発明によれば、線状発光またはは面状発光し得る発光素子を容易に提供することができる。そして、本発明の発光素子を利用することによって、電気−光変換効率が極めて高い照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例による発光素子を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１の発光素子における蛍光強度と注入電流との関係を示すグラフである。
【図３】図１およびその変形例の発光素子の模式的ｘ−ｙ断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す斜視図である。
【図５】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す斜視図である。
【図６】図５の発光素子の模式的ｘ−ｙ断面図である。
【図７】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。
【図８】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。
【図９】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施例による発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施例による発光素子の模式的ｘ−ｙ断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１００、１３０、２００、３００、４００、５００、６００、７００  発光素子、１０１、１３１、３０１、４０１、５０１、６０１  ｎ型ＧａＮ基板、１０２、３０２、４０２、５０２、６０２  ｎ型バッファ層、１０３、１３２、３０３、４０３、５０３、６０３  ｎ型下クラッド層、１０４、３０４、４０４、５０４、６０４  バリア層、１０５、３０５、４０５、５０５、６０５  ウエル層、１０６、３０６、４０６、５０６、６０６  バリア層、１０７、３０７、４０７、５０７、６０７  ｐ型キャリアブロック層、１０８、３０８、４０８、５０８、６０８  ｐ型光導波層、１０９、１３４、３０９、４０９、５０９、６０９  ｐ型上クラッド層、１１０、１３５、３１０、４１０、５１０、６１０  ｐ型コンタクト層、１１１、１２３、１２４、１２５、１３６、２０３、３１１、４１１、５１１、６１１  蛍光体含有層、１１２、１１３、１３７、１３８、３１２、３１３、４１２、４１３、５１２、５１３、６１２、６１３  オーミック電極、１１４、１３９、２０４、３１４、４１４、５１４、６１４  劈開端面、１２１、２０５  誘導放出光の光分布、１２２、２０６  蛍光、１３３、２０２  活性層部、２０１ａ、２０１ｂ  半導体積層構造、２０７  透明電極、２０８  反射膜、２０９  ソルダー、２１０  ヒートシンク、３１５、４１５  回折格子、５１６、６１６  周期的な孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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