(57)【要約】【課題】半導体発光素子からの出射光を効率よく外部へ取り出し、発光強度を向上させ得る半導体発光装置を提供する。【解決手段】指向性が強い発光出力を所定方向に出射する発光素子14と、発光素子を載置する台座11と、台座上で発光素子の近傍に配設されたキャップ15と、を具備する発光装置である。キャップは、発光素子の発光出力出射方向に開口部を有する多層構造のキャップ本体13と、このキャップ本体のうちの第１のキャップ本体131 とその外側の第２のキャップ本体132 を含む少なくとも二層のキャップ本体間に挟まれた状態でキャップ本体の開口部を塞ぐように配設された光透過体9 と、を有し、光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで光透過体の底面よりも下方の位置に空隙部12が存在する。【選択図】    図２
2008258438.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性が強い発光出力を所定方向に出射する半導体発光素子と、
前記半導体発光素子を載置する台座と、
前記台座上で前記半導体発光素子から離間して配設されたキャップと、
を具備する半導体発光装置であって、前記キャップは、
前記半導体発光素子の発光出力出射方向に開口部を有する多層構造のキャップ本体と、  前記多層構造のキャップ本体のうちの第１のキャップ本体およびそれよりも外側の第２のキャップ本体を含む少なくとも二層のキャップ本体間に挟まれた状態で前記キャップ本体の開口部を塞ぐように配設された光透過体と、を有し、
前記光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで前記光透過体の底面よりも下方の位置に空隙部が存在することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第１のキャップ本体は、前記半導体発光素子の発光出力出射方向に突出した凸部が設けられ、当該凸部の突出した先端面は前記光透過体の底面の外径以下の外径を有し、当該凸部の中央部に第１の開口部が設けられており、
前記第２のキャップ本体は、前記第１のキャップ本体の第１の開口部に連なる第２の開口部を有しており、
前記第２のキャップ本体の第２の開口部の内側面における深さ方向の一部に光透過体の側面が対接する状態で嵌合されることによって、前記光透過体の底面と前記第２のキャップ本体の内面とに段差が存在しており、
前記光透過体の底面が前記第１のキャップ本体の凸部の突出先端面上に接する状態で配設されることによって、前記光透過体の底面下で前記第１のキャップ本体の凸部の側面と前記第２のキャップ本体の開口部の内側面との間に空隙部が存在する
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記凸部は、突出基部から突出端面に向かって凸部横断面が次第に狭くなるように傾斜した側面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１のキャップ本体の開口部は、内側から外側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲した側面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記光透過体は、前記半導体発光素子からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質、もしくは、前記半導体発光素子からの出射光を反射する光拡散物質を含有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記半導体発光素子は、半導体レーザ素子もしくは端面発光ダイオード素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記半導体発光素子は、ＧａＮ系の半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項８】
前記半導体発光素子は、発振波長が３６５〜４７０ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記光透過体は、平凸形状、半円球形状、球形状のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子を備えた半導体発光装置に係り、特に台座上で半導体発光素子を囲んで配設されるキャップの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ(LD)や発光ダイオード(LED) などの半導体発光素子を備えた半導体発光装置は、樹脂封止構造やキャップ封止構造などが開発されてきた。以下の説明において、半導体発光素子を単に発光素子、半導体発光装置を単に発光装置と記す場合がある。
【０００３】
キャップ封止構造の発光装置の一例は、特許文献１の図４に開示されている。このようなキャップ封止構造の発光装置は、光源である発光素子からの出射光をいかに効率よく外部へ取り出すかが大きな課題である。
【０００４】
なお、特許文献２の「半導体レーザ装置」には、キャップと光学部品との間で装置外部との通気を行うために、キャップ上面に突起を設ける点が開示されている。また、特許文献３の「光半導体素子収納用パッケージ」には、金属枠体と透光性板材との間に接合層を設けることにより、気密信頼度を向上させる点が開示されている。また、特許文献４の「半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置」には、蓋体と固定部材との間に空間を有する点が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２７０９５２号公報（図４）
【特許文献２】特開平１０−３３５７４７号公報（図１）
【特許文献３】特開２００４−１４５７９号公報（図１）
【特許文献４】特開２００４−３４９５６７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の事情に鑑み、本願出願人は、発光素子からの出射光を効率よく外部へ取り出し、発光強度の向上を可能にした半導体発光装置を提案（特願２００６−３１４７３８号）した。ここで、例えば図６（ａ）に示すような構造の発光装置を考える。この発光装置は、発光素子4 と、発光素子4 を載置する台座1 と、発光素子4 からの出射光を透過する光透過体9 および光透過体9 を支持するキャップ本体3 を備えるキャップ5 と、を有する。発光素子4 は、台座1 とキャップ5 とによって封止されている。キャップ本体3 は、第１キャップ本体31と第２キャップ本体32との二層構造からなり、それぞれの上面部に形成された開口部6 が連通している。なお、光透過体9 は、その底面が第１のキャップ本体31の開口部5 の出光側における断面積よりも大きく、第１のキャップ本体32の上部に載置して開口部5 を閉塞している。第２のキャップ本体32の開口部は、光透過体9 を嵌合可能な傾斜面を有しており、この開口部の側壁面で光透過体9 を狭着している。つまり、発光素子4に近接する１層目のキャップ本体31と２層目のキャップ本体32とで光透過体9 を狭着することにより、接着剤等の有機物や低融点ガラスなどの固着部材を用いずに簡易に光透過体9 を固定できる。
【０００６】
ところで、上記構成の発光装置を製造する際、光透過体9 を二層のキャップ本体3 により十分に固定するためには、二層のキャップ本体3 のうちの外側のキャップ本体32の開口部の内径を使用部品の公差を考慮して少し大きめに設定する必要がある。この結果、外側のキャップ本体32を内側のキャップ本体31上に被覆させた時に、図６（ｂ）に示すように、二層のキャップ本体31,32 間に空隙部33が発生するおそれがある。この場合、光透過体9の底部の側面方向にも空隙部33が存在する。しかし、発光素子4 からの出射光が光透過体9 に入射し、光透過体9 の前方面および側面に光が放射された時、光透過体9 の底部の側面方向に空隙部33が存在すると、光を十分に外部に取り出すことができず、発光効率が低下するおそれがある。
【０００７】
本発明は前記した問題点を解決すべくなされたもので、半導体発光素子からの出射光を効率よく外部へ取り出し、発光強度を向上させ得る半導体発光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体発光装置は、指向性が強い発光出力を所定方向に出射する半導体発光素子と、前記半導体発光素子を載置する台座と、前記台座上で前記半導体発光素子から離間して配設されたキャップと、を具備する半導体発光装置であって、前記キャップは、前記半導体発光素子の発光出力出射方向に開口部を有する多層構造のキャップ本体と、前記多層構造のキャップ本体のうちの第１のキャップ本体およびそれよりも外側の第２のキャップ本体を含む少なくとも二層のキャップ本体間に挟まれた状態で前記キャップ本体の開口部を塞ぐように配設された光透過体と、を有し、前記光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで前記光透過体の底面よりも下方の位置に空隙部が存在することを特徴とする。
【０００９】
前記第１のキャップ本体の一例は、前記半導体発光素子の発光出力出射方向に突出した凸部が設けられ、当該凸部の突出した先端面の外径は前記光透過体の底面の外径以下であり、当該凸部の中央部に第１の開口部が設けられている。
【００１０】
前記第２のキャップ本体の一例は、前記第１のキャップ本体の第１の開口部に連なる第２の開口部を有する。これによって、前記第２の開口部の内側面における深さ方向の一部に前記光透過体の側面が対接する状態で嵌合されることによって、前記光透過体の底面と前記第２のキャップ本体の内面とに段差が存在している。
【００１１】
前記光透過体は、平凸形状、半円球形状、球形状のいずれかであり、その底面が前記第１のキャップ本体の凸部の突出先端面上に接する状態で配設される。これによって、前記光透過体の側面と第２のキャップ本体の内面とが対接する部分には空隙部がほぼ存在せず、前記光透過体の底面下で前記第１のキャップ本体の凸部の側面と前記第２のキャップ本体の開口部の内側面との間に空隙部が存在するようになる。
【００１２】
前記第１のキャップ本体の凸部は、突出基部から突出端面に向かって凸部横断面が次第に狭くなるように傾斜した側面を有するように形成してもよい。
【００１３】
前記第１のキャップ本体の開口部は、内側から外側に向かって広口となるように傾斜あるいは湾曲した側面を有するように形成してもよい。
【００１４】
前記光透過体は、発光素子からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質、もしくは、発光素子からの出射光を反射する光拡散物質を含有してもよい。
【００１５】
前記キャップ本体の外側に前記光透過体および前記キャップ本体を覆うように配設され、前記半導体発光素子を封止するキャップカバーをさらに具備するようにしてもよい。
【００１６】
前記半導体発光素子は、半導体レーザ素子もしくは端面発光ダイオード素子であり、例えば発振波長が３６５〜４７０ｎｍのＧａＮ系の半導体レーザ素子である。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の半導体発光装置によれば、光透過体の側面方向にはキャップ本体との間に空隙部が存在せず、光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで光透過体の底面よりも下方の位置に空隙部が存在する。したがって、発光素子からの出射光が光透過体に入射し、光透過体の前方面および側面に光が放射された時、発光素子からの出射光を効率よく外部へ取り出し、発光強度を向上させることが可能になる。
【００１８】
請求項２の半導体発光装置によれば、光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで光透過体の底面よりも下方の位置にのみ空隙部が存在する構造を構成することができる。
【００１９】
請求項３の半導体発光装置によれば、光透過体を挟む二層のキャップ本体間のうちで光透過体の底面近傍に存在する空隙部が狭くなる構造を構成することができる。
【００２０】
請求項４の半導体発光装置によれば、発光素子からの出射光が、入光部より開口部内に進行し、開口部の側壁面で反射された際、入光部を通過して発光素子へ戻り難い。したがって、発光素子への戻り光の発生を著しく低減でき、いわば一方向のみに通過可能な光導波路とできるので、光源からの光取り出し効率を向上させることが可能である。また、開口部の壁画の傾斜角度が一定であるので、開口部を加工し易い。
【００２１】
請求項５の半導体発光装置によれば、光透過体は、発光素子からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質、もしくは、発光素子からの出射光を反射する光拡散物質を含有しているので、所望の波長あるいは色度を有する光を出射できる。また、キャップは発光素子から離間して配設されているので、発光素子からの発熱がキャップまたは波長変換物質に伝達し難く、波長変換物質の特性が低減するのを防止できる。
【００２２】
請求項６の半導体発光装置によれば、光透過体の形状を本発明装置に適したものとすることができる。
【００２３】
請求項７〜９の半導体発光装置によれば、半導体レーザ素子もしくは端面発光ダイオード素子のように指向性の高い発光素子を使用することにより、光取り出し効率がさらに改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体発光装置を例示するものであって、本発明は、半導体発光装置を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、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。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００２５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光装置の外観の一例を示す斜視図である。図２は、図１の半導体発光装置の一例を概略的に示す縦断面図である。
【００２６】
この発光装置10は、指向性が強い発光出力を所定方向に出射する発光素子14と、この発光素子14を載置する台座11と、この台座11上で発光素子14から離れて配設されたキャップ15と、を具備する。本例では、キャップ15は、発光素子14の周囲を囲むように配設されている。
【００２７】
前記キャップ15は、発光素子14の発光出力出射方向に開口部を有する多層構造のキャップ本体13と、この多層構造のキャップ本体13のうちの第１のキャップ本体131 およびその外側を被覆する第２のキャップ本体132 を含む少なくとも二層のキャップ本体間に挟まれた状態でキャップ本体13の開口部を塞ぐように配設された光透過体9 と、を有する。
【００２８】
なお、多層構造のキャップ本体13の各キャップ本体はそれぞれ発光素子14の発光出力出射方向に開口部を有するが、少なくとも一つのキャップ本体の開口部を塞ぐように光透過体9 が配設されていればよい。例えば、二層のキャップ本体15のうちの第１のキャップ本体131 上でその開口部を含む領域に略平凸形状あるいは略半球形状の光透過体9 を載置し、第２のキャップ本体132 の開口部内面と第１のキャップ本体131 とで光透過体9 の側面を狭着すればよい。これにより、接着剤等の有機物や低融点ガラスなどの固着部材を用いずに光透過体9 を簡易に固定できる。
【００２９】
そして、本実施形態では、光透過体9 を挟む二層のキャップ本体間のうちで光透過体9の底面よりも下方の位置に空隙部12が存在し、光透過体9 の側面と第２のキャップ本体132 の内面との間には空隙部がほぼ存在しない。つまり、空隙部12は、光透過体9 の側面に接する面積が光透過体9 の底面に接する面積よりも小さい。この空隙部12は、光透過体9の底面よりも下方の位置にのみ存在することがさらに望ましい。
【００３０】
上記したように空隙部12が存在するように、キャップ15は、例えば以下のように構成されている。第１のキャップ本体131 は、発光素子14の発光出力出射方向に突出した凸部17が設けられ、この凸部17の突出した先端面は光透過体9 の底面の外径以下の外径を有し、凸部17の中央部に第１の開口部16が設けられている。
【００３１】
前記第２のキャップ本体132 は、第１のキャップ本体131 の第１の開口部16に連なる第２の開口部が設けられており、第２の開口部の内側面における深さ方向の一部は光透過体9 の側面の少なくとも底部を嵌合可能な形状を有する。これにより、光透過体9 の側面が第２のキャップ本体132 の第２の開口部の内側面における深さ方向の一部に対接する状態で嵌合されると、光透過体9 の底面と第２のキャップ本体132 の内面とに段差が存在する。
【００３２】
そして、光透過体9 の底面が第１のキャップ本体131 の凸部17の突出先端面上に接する状態で配設され、第１のキャップ本体131 と第２のキャップ本体132 の第２の開口部の内側面とにより光透過体9 の側面底部を狭着する。
【００３３】
このように第２のキャップ本体132 の開口部内に光透過体9 の側面底部が嵌合された状態で、第２のキャップ本体132 の開口部内側面は、深さ方向の一部（上方部）が光透過体9 の側面底部に対接しており、他の部分（下方部）は光透過体9 の側面底部に対して空隙部12が存在するように離間した状態で対面している。すなわち、光透過体9 の側面と第２のキャップ本体132 の内面とが対接する部分には空隙部がほぼ存在せず、光透過体9 の底面下で第１のキャップ本体131 の凸部17の側面と第２のキャップ本体132 の第２の開口部の内側面との間に空隙部12が存在するようになる。
【００３４】
以下、第１の実施形態に係る発光装置の構成の具体例を説明する。台座11は、円盤形状のステム底部1 の底面（図中では下側）から鉛直方向にリード8 が延伸されている。このリード8 は外部電極と電気的に接続可能である。さらに、ステム底部1 の周縁近傍には、ステム上面から垂直方向に円筒形状のキャップ本体13が固定されている。キャップ本体13の上面の中央部には、キャップ本体13の内外を貫通させる開口部（第１の開口部16を含む）が形成されている。キャップ本体13の開口部の近傍には光透過体9 が備えられている。この光透過体9 およびキャヅプ本体13から構成される部材をキャップ15と称す。
【００３５】
キャップ本体13の内部空間では、ステム底部1 の上面から柱状のステム柱体2 が直立して配設されており、ステム柱体2 の側面には発光素子14がAu-Sn 等の接着材を介して装着される。さらに、発光素子14はワイヤ等（図示せず）を介してリード8 と電気的に接続されており、これにより外部電極と接続可能になる。
【００３６】
発光素子14は、その光出射面がキャップ本体13の上面と対向するようキャップ本体13から離間して配設される。また、発光素子14の出射光軸は、キャップ本体13の上面の中心軸とほぼ重なる。つまり、発光素子14から出射される光の中心軸は発光装置10の中央軸とほぼ一致する。なお、本発明において、発光素子14の光出射面とは、その面全てから光が出射されるものだけを意味するのではなく、面の一部から光が出射されるものも含む。
【００３７】
なお、ステム底部1 およびステム柱体2 は、異部材とは限らず、両者は同一部材とすることも可能であり、これにより製品の部品点数を削減することができる。上記ステム底部1 とステム柱体2 とを含む部材を台座11と称す。また、台座11とキャップ15の形状は、上記例では、キャップ15が発光素子11の周囲を囲んで発光素子14を封止するように配設されているが、これに限らず、例えば、台座11を構成するステム底部1 を、内部に空洞を有する略筒状とし、その上部を閉塞するように略円盤状のキャップ本体を形成することもできる。また、キャップ本体13の内面で少なくとも光透過体9 の近傍には、反射膜（図示せず）を形成してもよい。
【００３８】
以下、前記した個々の部材について詳細に説明する。
【００３９】
（発光素子）  発光素子14としては、発光ダイオード、半導体レーザ素子など種々のものが利用できる。第１の実施形態では、発光素子14として半導体レーザ素子を使用した。半導体レーザ光は指向性が高いので、光を一方向へ導波し易い。したがって、半導体レーザ素子からの出射光を高効率で発光装置10の外部へ取り出すことが可能となる。半導体レーザ素子は、特に限定せず、n 型半導体層とp 型半導体層との間に活性層を形成し、この活性層が多重量子井戸構造、または単一量子井戸構造をなすものである。また、青色系半導体レーザ素子であれば、III-V 族窒化物半導体より形成されるのが好ましい。
【００４０】
III-V 族窒化物半導体から成る半導体レーザ素子の具体例としては、サファイア、SiC 、GaN 等の基板上に、下地層としてノンドープAlx Ga1-x N(0 ≦x ≦1)から成る窒化物半導体を成長させ、その上にSiドープAlx Ga1-x N(0<x<1)から成るn 型コンタクト層（省略可能）、SiドープInx Ga1-x N(0 ≦x ≦1)から成るクラック防止層（省略可能）、ノンドープAlx Ga1-x N(0 ≦x ≦1)とSiドープGaN とから成る超格子構造であるn 型クラッド層、GaN から成るn 型ガイド層、井戸層ノンドープInx Ga1-x N(0<x<1)と障壁層SiドープまたはノンドープのInx Ga1-x N(0<x<1)とを有する多重量子井戸構造である活性層、MgドープAlx Ga1-x N(0<x<1)から成るキャップ層、ノンドープGaN から成るp 型ガイド層、ノンドープAlx Ga1-x N(0 ≦x ≦1)とMgドープGaN とから成る超格子構造であるp 型クラッド層、MgドープGaN から成るp 型コンタクト層を積層したものが挙げられる。さらに、この半導体レーザ素子には光導波路端面の反射面に酸化膜から成る光反射膜を有することで高反射率とする。
【００４１】
この他、発光素子14に発光ダイオードを使用する場合、端面発光型のものが好適である。端面発光型ダイオードとは、発光ダイオードを構造面から分類した場合の一種であり、半導体レーザと同じように活性層の端面から光を取り出すものをいう。これは、活性層の屈折率を高くして光導波作用を起こさせることで、端面から光を出力させることを可能にしている。このように光出力面積を絞ることで、発光素子14からの出力光を、後述する開口部5 内へ導波させ易くすることができる。ひいては、発光素子14からの光取り出し効率を高められる。
【００４２】
また、発光素子14は、使用の際に発生した熱が素子内に蓄熱されると、その特性が悪化し、ライフ寿命が低減する。これを防止するため、発光素子14から生じた熱は、機械的および電気的に接続されるステム柱体2 およびステム底部1 に伝導され、さらに外気へと放出される構造をとる。つまり、ステム底部1 およびステム柱体2 はヒートシンクの役割を担っており、放熱効果を奏す。
【００４３】
したがって、ステム底部1 およびステム柱体2 からなる台座11は、熱媒体となり得るよう、その材質は熱伝導率の良いものが好ましい。具体的には、ＳＰＣ、銅、真鍮、タングステン、アルミニウム、銅・タングステン合金などが挙げられる。また、後述するが、ステム底部1 はキャップ本体13と接着されるので、キャップ本体13の材質およびこれとの密着性を考慮して決定すればよい。
【００４４】
（キャップ本体13の開口部）  キャップ本体13の上面のほぼ中央に、キャップ本体13の上面の厚さ方向においてキャップ本体13の内外と開通した開口部が形成される。開口部の開口幅における中心軸は、発光素子（本例では半導体レーザ素子）14からの光出射軸とほぼ同一である。また、開口部の開口両端の内、発光半素子14からの出射光が入光する一端側は入光部、他端側は出光部である。第１の実施形態では、開口部の平面は例えば円形であり、開口部の横断面は、入光部から出光部まで同一径である。
【００４５】
発光素子14からの出射光は入光部より開口部内に進行する。進行したレーザ光は、直進し、または、開口部の内面に１回あるいは複数回反射されながら、出光部側へ導波され、出光部からキャップ本体13の外部へと出射される。つまり、開口部は光導波路の役目を担う。
【００４６】
このような形状の開口部を備えることで、開口部に一旦進入した光が、再び入光部から逆戻りすることを防げる。なぜなら、仮に、開口部の側壁面で反射した光が逆戻りしようと入光部へ導波されたとしても、入光部の開口径が狭いので、ここを通過することが難しいからである。これにより、戻り光による発光素子14の特性の悪化を防止できる。
【００４７】
開口部における開口面積の大きさは、発光素子14の出射光の広がり角や、発光素子14と傾斜部との距離により、適宜設計することができる。入光部の開口径は、発光素子14からの出射光が、ほぼ全て傾斜部へ進入できる大きさであれば特に限定しない。ここで、「ほぼ全て」とは80% 以上を意味しており、この範囲内であれば、発光素子14から発光装置10外への光取り出し効率が高まる。但し、入光部の開口幅の形状および面積を、発光素子14の光出射面のそれとほぼ同一とすれば、発光素子14からの指向性の高い出射光のほぼ全てを開口部内に導光できる上、開口部内に一旦進行した光が、戻り光となって再び入光部から出射するのを防止できる。
【００４８】
発光素子14として半導体レーザ素子を使用することにより、入光部の開口径を小さくできる。なぜなら、半導体レーザ素子は指向性が高いので、一方向へ光を導波し易い。したがって、半導体レーザ素子からの出射光をカバーできる開口径とすれば足り、入光部を必要以上に大きくする必要がない。具体的に、入光部の開口域は、半導体レーザ素子の光出射パターンとほぼ同じ形状、もしくは円形状とすることができる。
【００４９】
このように、入光部の開口径を絞ることで、開口部内へ一旦進入した光が、開口部の壁面で反射した際に、半導体レーザ素子側への戻り光となるのを、より低減できる。つまり、半導体レーザ素子からの光取り出し効率を著しく向上させることができる。また、戻り光が照射されることで半導体レーザ素子の特性が悪化するのを防止できる。
【００５０】
また、熱源である発光素子14とキャップ本体13の離間距離を大きくとることができるので、熱による損傷を低減できる。しかし、両者の離間距離が大きすぎると、発光素子14からの出射光を開口部内ヘ高効率で集光し難くなるので、発光素子14の指向性を考慮して離間距離を決定するのが好ましい。
【００５１】
開口部の開口形状は、円形のみならず、楕円形あるいは多角形でもかまわない。また、入光部と出光部で異なる開口形状を有していてもよい。例えば、発光素子14の出射面の形状に適合させるように入光部を矩形としても、出光部を円形とすれば、発光素子14の出射面の形状に依存せず、出光部からは円形状の出射光を得ることができる。
【００５２】
（キャップ本体13の材質）  上述したようにキャップ本体13の上面に形成される開口部は、その壁面壁等の材質はキャップ本体13と同一である。キャップ本体13の材質は、熱伝導率の高いものが好ましい。これにより、光透過体9 をキャップ本体13上に固着した場合、光透過体9 から生じる熱、あるいは後述する波長変換物質等を有する際には波長変換物質等から生じる熱を放熱可能にする。具体的に述べると、光透過体9 からの発熱はキャップ本体13に伝送され、さらにキャップ本体13の側面の下部で連結されたステム底部1 へと熱伝導し、放熱される。つまり、光透過体9 からの発熱はキャップ本体13を経由してステム底部1 へと伝熱される。
【００５３】
一方で、発光素子14からの発熱はステム柱体2 を経由してステム底部1 へと熱伝導され、放熱される。換言すれば、異なる熱源に対して個別のヒートシンク部材を設けているので、各々を効率よく放熱できる。
【００５４】
このように放熱効果を高めるため、キャップ本体13の材質としては、SPC 、コバール、アルミニウム、銅、真錨、またはアルミナ、窒化アルミナ、SiC 等のセラミック系のものが挙げられる。また、キャップ本体13は、その下端面においてステム底部1 と接着するので、ステム底部1 の部材との接着性を考慮して材質を決定するのが好ましい。具体的には、キャップ本体13の材質を、鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）、ニッケル、ＳＵＳ等の鉄系材料またはそれらの合金とすればよい。そして、キャップ本体13とステム底部1とに所定の電圧差を印加して通電させ、両者の接着面を溶融後に結合させる際に、両者の固着度が高まり、台座11とキャップ15により内部の発光素子14を気密に封止することが可能になる。なお、キャップ本体13とステム底部1 との固着は、抵抗溶接のほか、ＹＡＧレーザ溶接あるいは他の溶接方法を用いてもよい。
【００５５】
（光透過体9 ）  光透過体9 の径は開口部の出光部における開口径よりも大きい。これにより、二層のキャップ本体13のうちで内側のキャップ本体13の上面に光透過体9 を載置し、光透過体9 の底面で開口部を閉塞可能になる。このように、キャップ本体13の開口部を閉塞可能な位置に光透過体9 を載置することで、容易に開口部を閉塞でき、作業効率が高まる。
【００５６】
光透過体9 は、発光素子14の光で励起されて蛍光を発する蛍光体等の波長変換物質で構成できる。つまり、発光素子14の光を異なる波長の光に変換し、発光素子14の光と光透過体9 で波長変換された光との混色光を外部に取り出すことが可能となる。換言すれば、必要に応じた光透過体9 を選択することで、所望の波長を得ることができる。
【００５７】
但し、発光装置10には必ずしも波長変換物質を備える必要はない。また、波長変換物質としては蛍光体が好適に利用できる。例えば、波長変換物質を用いて白色光を得るには次のような方法がある。第１の方法は、発光素子14から発光される可視光の短波長側領域の青色光により黄色発光の蛍光体を励起させる。これにより、一部波長変換された黄色光と、変換されない青色光が混色し、これらの補色の関係にある２色は白色光として放出される。第２の方法は、発光素子14から放出される紫外から可視光の短波長側領域の光により、R・G ・B 蛍光体を励起させる。波長変換された３色光が混色し、白色光として放出される。
【００５８】
代表的な蛍光体としては、銅で付括された硫化カドミ亜鉛やセリウムで付括されたYAG系蛍光体およびLAG 系蛍光体が挙げられる。特に、高輝度かつ長時間の使用時においては、（Re1-x Smx ）3 （Al1-y Gay ）5 O 12:Ce （0 ≦x ＜1 、0 ≦y ≦1 、但し、Reは、Y 、Gd、La、Luからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）等が好ましい。
【００５９】
第１の実施形態における波長変換物質としては、YAG またはLAG 蛍光体を使用した。そして、このような蛍光体をガラスや樹脂の表面に直接に付着したものを用いてもよく、あるいは、有機材料や無機材料をバインダにして蛍光体を固めたものを用いてもよい。ここで、上記有機材料は、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂などであり、上記無機材料は、ガラス、ＳｉＯ2 、ＡｌＮ、ＺｒＯ2 、ＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ、ＧａＮのいずれかを含むものである。なお、耐熱性の観点からは、無機材料をバインダにしたものが好ましい。第１の実施形態における光透過体9 は、波長変換物質である蛍光体が円盤状に固化されたものである。
【００６０】
光透過体9 の実装に際して、内側のキャップ本体（第１のキャップ本体131 ）の開口部近傍の上面に光透過体9 の底部を載置することにより、キャップ本体3 の開口部の全てが閉塞される。この際、必要に応じて低融点ガラスや接着材等で光透過体9 の底部を固着するようにしてもよい。あるいは、外側のキャップ本体（第２のキャップ本体132 ）を裏返した状態で内側から開口部に光透過体9 を上面部から嵌合させるようにしてもよい。この場合には、この後で外側のキャップ本体（第２のキャップ本体）の内部へ内側のキャップ本体（第１のキャップ本体）を裏返した状態で挿入すればよい。
【００６１】
光透過体9 における波長変換物質の配置密度は均一であることが好ましい。但し、波長変換物質が部分的に偏在するように配置することもできる。例えば、光透過体9 において、発光素子14の光出射面との対面側には波長変換物質が少なく、光透過体9 の光出射面側には波長変換物質が多く含まれるよう偏在させることも可能である。発光素子14と波長変換物質とを離間させることにより、発光素子14で発生した熱や高密度な光エネルギーを波長変換物質に伝達し難くして波長変換物質の劣化を抑制できる。
【００６２】
また、第１の実施形態の発光装置10において、波長変換物質は、２種類以上の蛍光体を混合させてもよい。即ち、Al、Ga、Y 、La、LuおよびGdやSmの含有量が異なる２種類以上の（Re1-x Smx ）3 （Al1-y Gay ）5 O 12:Ce （0 ≦x ＜1 、0 ≦y ≦1 ）蛍光体を混合させて、RGB の波長成分を増やすことができる。また、黄〜赤色発光を有する窒化物蛍光体等を用いて赤味成分を増し、平均演色評価数Raの高い照明や電球色LED 等を実現することもできる。具体的には、発光素子の発光波長に合わせてCIE の色度図上の色度点の異なる蛍光体の量を調整して含有させることで、その蛍光体間と発光素子で結ばれる色度図上の任意の点を発光させることができる。
【００６３】
以上のようにして形成される蛍光体は、一層からなる発光層中に二種類以上存在してもよいし、二層からなる発光層中にそれぞれ一種類あるいは二種類以上存在してもよい。また、蛍光体は各層において均一に分散させることが好ましい。これによって、波長変換物質の部位によらず均一に波長変換を行い、ムラのない均一な混色光を得ることができる。  （拡散剤等）  光透過体9 は、波長変換物質の他、粘度増量剤、光拡散物質、顔料、蛍光物質等、使用用途に応じて適切な部材を添加することができる。光拡散物質として、例えば、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、二酸化珪素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、および、これらを少なくとも一種以上含む混合物等を挙げることができる。これによって良好な指向特性を有する発光装置が得られる。また、外来光や発光素子からの不要な波長をカットするフィルタ効果を持たせたフィルタ材として、各種着色剤を添加させることもできる。
【００６４】
光拡散物質と蛍光体等の波長変換物質を併用することで、発光素子14および蛍光体からの光を良好に乱反射させ、大きな粒径の蛍光体を用いることによって生じ易い色ムラを抑制することができるので、好適に使用できる。また、発光スペクトルの半値幅を狭めることができ、色純度の高い発光装置が得られる。一方、粒径が１ｎｍ以上１μｍ未満の光拡散物質は、発光素子4 からの光波長に対する干渉効果が低い反面、透明度が高く、光度を低下させることなく樹脂粘度を高めることができる。
【００６５】
＜第２の実施形態＞
図３（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る発光装置の縦断面を概略的に示す縦断面図である。この発光装置10a は、第１の実施形態の発光装置l0と比べて、二層構造のキャップ本体23のうちで第１のキャップ本体231 の開口部26の形状が異なる。したがって、共通する部材には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００６６】
第２の実施形態では、第１のキャップ本体231 の開口部26は、その開口幅をテーパー状に一方向に変化させてなり、開口部26の領域は略逆円錐台形状をなしており、つまり、光進行方向にしたがって内径が大きくなる。また、光透過体9 の底面は、キャップ本体23の開口部26の出光部における開口面積よりも大きい。
【００６７】
但し、開口部26の開口形状は、円形のみならず、楕円形あるいは多角形でもかまわない。また、入光部と出光部で異なる開口形状を有していてもよい。例えば、発光素子14の出射面の形状に適合させ、入光部は矩形、出光部は円形であれば、発光素子14の出射面の形状に依存せず、出光部からは円形状の出射光を得ることができる。
【００６８】
このような形状の開口部26を備えることで、開口部26に一旦進入した光が、再び入光部から逆戻りすることを防げる。なぜなら、仮に、開口部26の傾斜した側壁面26a で反射した光が逆戻りしようと入光部へ導波されたとしても、入光部の開口径が狭いので、ここを通過することが難しいからである。これにより、戻り光による発光素子14の特性の悪化を防止できる。また、必然的に、開口部26内ヘ一旦進入した光は、その開口径が大きい出光部に導かれ、発光素子14からの出射光を余すところなく開口部26の出光部へと導くことができ、ひいては光取り出し効率が向上する。
【００６９】
発光素子14として半導体レーザ素子を使用し、開口部26の入光部の開口径を絞ることで、開口部26の入光部から出光部側への開口径の増加率の選択幅が広がる。つまり、開口部26の傾斜壁面26a において、傾斜角度の自由度が高まる。
【００７０】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態のように光源からの出射光を発光装置の外部へと導波する光導波路の開口幅が一定であるものよりも、発光強度が高くなり、光取り出し効率を改善する効果が確認できた。
【００７１】
なお、開口部26の設計において、入光部から出光部までの開口径の拡大率は、入光部および出光部の径の大きさ、キャップ本体23の厚み、キャップ本体23の部材における光反射率、熱伝導率等を考慮して決定すればよい。開口部26は、上記以外の形状として、入光部近傍では開口径の拡大率が大きく、出光部近傍ではその拡大率が小さいものでもよい。例えば図３（ｂ）に示すように、開口部の内面がドーム状外面のように湾曲した曲面状のものでもよい。このようなに開口部の内面が曲面状であると、入射光を内面で反射して出光部の中心方向へ屈折させることが可能になる。したがって、開口部内面での光の反射回数を低減でき、光の損失を低減させることができる。
【００７２】
＜第３の実施形態＞
前述した第１あるいは第２の実施形態の発光装置において、キャップ本体13あるいは23の外側にキャップカバー（図示せず）を装着するようにしてもよい。このキャップカバーは、キャップカバー本体（図示せず）と、透過板（図示せず）とからなる。キャップカバー本体は、上面中央部に例えば円形の開口部を有する筒型形状であり、側面の上端はこれに垂直な上面中央方向へ延伸され、開口部の周縁領域となる。透過板は、円盤状であつて、例えば石英やガラスのような酸化ケイ素、サファイヤのような酸化アルミニウム等の光透過性に優れる材質からなる。透過板は、透過板の直径は光透過体9 の直径よりも大きいものとし、キャップカバー本体上面の内面側で上面開口部を閉塞するように装着される。
【００７３】
そして、キャップカバー本体の側面がキャップ本体13あるいは23の側面の外壁に接面するよう装着され、側面の下端がステム底部1 の端縁部に立直して連接される。これにより、キャップカバー本体の内側で上面開口部を透過板で閉塞し、この透過板の下方に光透過体9 が接面し、透過板とキャップ本体との間で光透過体9 を狭持する状態になる。
【００７４】
上記構成によれば、キャップカバー本体、透過板、光透過体9 、キャップ本体13あるいは23がしっかりと密着され、透過板が光透過体9 上を被覆し、光透過体9 を保護することができるので、耐衝撃性が増す。また、外気による光透過体9 の劣化を防げる。上記のような効能を得るためには、キャップカバー本体の材質として、銅、真鍮、SUS 、コバール、アルミニウム等が好適である。
【００７５】
なお、光透過体9 の波長変換物質とは異種の波長変換物質を透過板内に混入させることにより、複数の波長変換物質を備える発光装置とできる。これにより、さらに色範囲の広い出射光が得られる。
【実施例１】
【００７６】
実施例１の発光装置は、図２を参照して前述した第１の実施形態の一具体例であり、発光素子14として発振波長が４４５ｎｍのレーザ素子、光透過体9 中の蛍光体としてＹＡＧ蛍光体が使用される。そして、凸部を有する第１のキャップ本体131 は台座11に対して抵抗溶接され、第２のキャップ本体132 は台座11に対して抵抗溶接される。
【実施例２】
【００７７】
実施例２の発光装置は、図３（ａ）、図３（ｂ）を参照して前述した第２の実施形態の一具体例であり、実施例１の発光装置と比べて、第１のキャップ本体231 の開口部26の側壁面がテーパ状あるいは曲面状に形成されている点が異なる。これにより、発光装置10a からの光の取り出し効率が向上する。
【実施例３】
【００７８】
図４に示す実施例３の発光装置は、図２を参照して前述した第１の実施形態の他の具体例であり、実施例１の発光装置10と比べて、第１のキャップ本体131 の凸部17の外面がテーパ状に形成されている点が異なる。これにより、光透過体9 の底面下で第１のキャップ本体131 の凸部17の側面と第２のキャップ本体132 の開口部内側面との間に存在する空隙部12の体積が減少し、発光装置10b からの光の取り出し効率がさらに向上する。
【実施例４】
【００７９】
図５に示す実施例４の発光装置は、前述した第１の実施形態のさらに他の具体例であり、実施例１の発光装置10と比べて、第２のキャップ本体432 は、その基端部が台座11に接しない程度に軸方向の長さが短く形成されている。そして、第２のキャップ本体132 は、光透過体9 の側面から第１のキャップ本体131 の側面の一部を覆うように装着され、第１のキャップ本体131 の側面に対して、例えば、第２のキャップ本体132 の側面からＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、電子線等により溶接されている点が異なる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明の発光装置は、CD、DVD 、LBP 、ポインタ、バーコードスキャナ等に用いられる半導体レーザー装置に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施例１の半導体発光装置の外観の一例を示す斜視図。
【図２】図１の半導体発光装置の一例を概略的に示す縦断面図。
【図３】実施例２の半導体発光装置を概略的に示す縦断面図。
【図４】実施例３の半導体発光装置を概略的に示す縦断面図。
【図５】実施例４半導体発光装置を概略的に示す縦断面図。
【図６】現在考えられているキャップ封止構造の半導体発光装置の一例について理想的な組み立て状態と実際の組み立て状態とを概略的に示す断面図。
【符号の説明】
【００８２】
9 …光透過体、10…発光装置、11…台座、12…空隙部、13…キャップ本体、131 …第１のキャップ本体、132 …第２のキャップ本体、14…発光素子、15…キャップ、16…第１の開口部、17…凸部。
【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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