(57)【要約】【課題】光源からの出射光を効率よく半導体発光装置から取り出し、発光強度を向上させた半導体発光装置を提供する。【解決手段】キャップ本体３の上面３ａのほぼ中央であって、キャップ本体３の内外と貫通した傾斜部５を形成する。傾斜部５は半導体発光素子４と対向しつつ離間して配置され、半導体発光素子４からの出射光が進行する入光部６を備える。傾斜部５の開口幅は、入光部６から光進行方向にしたがって大きくなるテーパー状をなしており、半導体発光素子４からの出射光を半導体発光装置４の外へ効率よく出射させる。【選択図】図２
2008153617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子(4)と、
前記半導体発光素子(4)を載置する台座(14)と、
前記半導体発光素子(4)からの出射光を透過する光透過体(9)及び前記光透過体(9)を支持するキャップ本体(3)を備えるキャップ(15)と、
を有する半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子(4)は、前記台座(14)と前記キャップ(15)とによって封止されており、
前記キャップ本体(3)は、前記半導体発光素子(4)が載置されている内側から外側に向かって広口となるように貫通孔(K)が設けられた傾斜部(5)が形成されており、かつ、前記傾斜部(5)に前記光透過体(9)が配置されていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記光透過体(9)は、前記半導体発光素子(4)からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは前記半導体発光素子(4)からの出射光を反射する光拡散物質が含有されてい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】
前記半導体発光素子(4)は、前記キャップ(15)から離間されてい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４】
前記キャップ本体(3)の傾斜部(5)における貫通孔(K)の断面積の最小値は、
【数１】
2008153617.tif 000008
（Ａは、キャップ本体(3)の傾斜部(5)における貫通孔(K)の断面積の最小値である。Ｌは、半導体発光素子(4)とキャップ本体(3)までの距離である。Ｒは、半導体発光素子(4)からの出射光の広がり角である。）
の範囲にあ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５】
前記傾斜部(5)は、略逆円錐台形状であ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６】
前記光透過体(9)は、前記キャップ本体(3)に設けられた傾斜部(5)内に嵌合されてい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７】
前記半導体発光素子(4)は、半導体レーザ素子若しくは端面発光ＬＥＤであ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８】
前記光透過体(9)は略円錐台形状、ドーム形状、又は、円盤形状を成しており、
前記キャップは２層以上の複数層が設けられており、
前記光透過体(9)は前記複数層により固定されてい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９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体発光装置は、さらに、前記光透過体(9)を覆うキャップカバー(16)が設けられていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１０】
半導体発光素子(4)と、
前記半導体発光素子(4)を載置する台座(14)と、
前記半導体発光素子(4)からの出射光を透過する光透過体(9)及び前記光透過体(9)を支持するキャップ本体(3)を備えるキャップ(15)と、
を有する半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子(4)は、前記台座(14)と前記キャップ(15)とによって封止されており、
前記キャップ本体(3)は、前記半導体発光素子(4)から出射される出射光を外部に取り出すための貫通孔(K)を開口しており、
前記貫通孔(K)に前記光透過体(9)が配置されており、
前記光透過体(9)は、前記半導体発光素子(4)からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは前記半導体発光素子(4)からの出射光を反射する光拡散物質を含有しており、
前記半導体発光素子(4)から出射される出射光の成分の内、前記光透過体(9)での反射、吸収又は拡散により外部に取り出されない出射光の比率が２２％以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項１１】
半導体発光素子(4)と、
前記半導体発光素子(4)を載置する台座(14)と、
前記半導体発光素子(4)からの出射光を透過する光透過体(9)及び前記光透過体(9)を支持するキャップ本体(3)を備えるキャップ(15)と、
を有する半導体発光装置であって、
前記半導体発光素子(4)は、前記台座(14)と前記キャップ(15)とによって封止されており、
前記キャップ本体(3)は、前記半導体発光素子(4)から出射される出射光を外部に取り出すための貫通孔(K)を開口しており、
前記貫通孔(K)に前記光透過体(9)が配置されており、
前記光透過体(9)は、前記半導体発光素子(4)からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは前記半導体発光素子(4)からの出射光を反射する光拡散物質を含有しており、
前記半導体発光素子(4)から出射される出射光の成分の内、前記キャップ本体(3)又は前記光透過体(9)によって生じる損失の比率が６５％以下であることを特徴とする半導体発光装置。
【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関し、特に光源からの光を効率よく外部へ取り出すことのできる半導体発光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体発光装置においては、光源である半導体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。このため種々の開発がなされてきた。図２５（ａ）に従来のＬＥＤ発光装置２００を示す（特許文献１参照）。このＬＥＤ発光装置２００は、カップ２０３を有するリードフレーム２０２上にＬＥＤ２０４を載置した半導体発光素子全体を、樹脂で封止した構造としている。また、封止樹脂は、カップ２０３内部を充填する樹脂２１１と、この樹脂２１１を含めたカップ２０３全体を包囲する樹脂２１２からなり、カップ２０３内部を充填する樹脂２１１には、ＬＥＤ２０４の発光波長を他の波長に変換、または一部吸収する蛍光物質２０５が含有されている。
【０００３】
また、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示すＬＥＤ発光装置２００のカップ２０３の部分を拡大して示す模式断面図である。図２５（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２０４からの出射光は樹脂２１１により波長変換される。変換光は四方八方に散乱するが、ほとんどの変換光はカップ内部で反射して、発光観測面側に集光される。つまり変換光の集光率が向上する。
【０００４】
しかしながら、この構成では、カップ２０３内で反射された光の一部が戻り光となって、ＬＥＤ２０４に照射され吸収される問題があった。戻り光によりＬＥＤ２０４は特性が悪化し、出力光の減少やライフ特性の悪化を招く。
【０００５】
また、ＬＥＤ２０４をカップ２０３の載置面２０３ａに装着し、さらにＬＥＤ２０４の側面からの光をケース２０３の斜面２０３ｂで反射させるためには、ケースの載置面２０３ａの面積は、ＬＥＤ２０４の底面よりも大きくする必要がある。また、カップ２０３の深さを深くする必要もある。なぜなら、カップの斜面２０３ｂにおいて、ＬＥＤ２０４の側面からの出射光を広い面積でカップ２０３内に反射させるためである。さらに、外部からの入射光が蛍光物質２０５に到達するのを防止するため、蛍光物質２０５を含む樹脂２１１がカップからはみ出さないようにする。これにより、カップ２０３は、ＬＥＤ２０４の側面を包囲できる十分な高さが必須となる。このため、カップ２０３を大きくする必要があった。
【０００６】
さらに半導体発光装置として、従来のレーザダイオード（ＬＤ）発光装置の模式断面図を図２６に示す（特許文献２の図４及び特許文献３参照）。このＬＤ発光装置１００は、ステム底部１０１の上面に連結されたステム柱体１０２の側面に、ＬＤ１０４が装着されてなる。このＬＤ１０４は、ステム底部１０１の下面より延伸されたリード１０８と電気的に接続されている。これによりＬＤ１０４はリード１０８を介して外部電極と接続可能となる。
【０００７】
さらに、ステム底部１０１の周縁から上方に向かって、円筒状のキャップ１０３が備えられており、キャップ１０３内に、ステム柱体１０２及びＬＤ１０４が在する構造となる。キャップ１０３の上方には環状の上面１０３ａが備えられ、上面１０３ａの中央部には開口部１０５が形成されている。キャップの開口部１０５はキャップの上面１０３ａを上下に貫通しており、貫通孔の幅は一定である。さらにキャップの上面１０３ａの底面側にはガラス１１３が接着され、これによりキャップの開口部１０５が封鎖される。
【０００８】
この構成により、ＬＤ１０４からの出射光は、ガラス１１３及びキャップの開口部１０５を通過後、キャップ１０３の外へと出射される。しかしながら、キャップの開口部１０５内に進入した光の一部が、開口部１０５の壁面で反射を１もしくは複数回繰り返すことにより、ＬＤ１０４側への戻り光となる問題があった。これにより光取り出し効率が低減され、さらには戻り光がＬＤ１０４の特性を悪化させてしまう虞があった。
【特許文献１】特開平０７−０９９３４５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７０９５２号公報
【特許文献３】特開平０７−１７６８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の重要な目的は、半導体発光素子からの出射光を効率よく半導体発光装置から取り出し、発光強度を向上させた半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、第１の半導体発光装置は、半導体発光素子４と、半導体発光素子４を載置する台座１４と、半導体発光素子４からの出射光を透過する光透過体９及び光透過体９を支持するキャップ本体３を備えるキャップ１５と、を有する。半導体発光素子は、台座１４とキャップ１５とによって封止されており、キャップ本体３は、半導体発光素子４が載置されている内側から外側に向かって広口となるように貫通孔Ｋが設けられた傾斜部５が形成されており、かつ、傾斜部５に光透過体９を配置することができる。
【００１１】
また、第２の半導体発光装置は、光透過体９が、半導体発光素子４からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは半導体発光素子４からの出射光を反射する光拡散物質を含有することができる。
【００１２】
また、第３の半導体発光装置は、半導体発光素子４を、キャップ１５から離間させることができる。
【００１３】
また、第４の半導体発光装置は、キャップ本体３の傾斜部５における貫通孔Ｋの断面積の最小値を、次式の範囲とできる。
【００１４】
【数２】
2008153617.tif 000003
【００１５】
（Ａは、キャップ本体３の傾斜部５における貫通孔Ｋの断面積の最小値である。Ｌは、半導体発光素子４とキャップ本体３までの距離である。Ｒは、半導体発光素子４からの出射光の広がり角である。「半導体発光素子からの出射光の広がり角」とは、ピーク強度の１／ｅ2における全角をいう。）
【００１６】
また、第５の半導体発光装置は、傾斜部５を略逆円錐台形状とできる。
【００１７】
また、第６の半導体発光装置は、光透過体９が、キャップ本体３に設けられた傾斜部５内に嵌合されているよう構成できる。
【００１８】
また、第７の半導体発光装置は、半導体発光素子４を、半導体レーザ素子若しくは端面発光ＬＥＤとできる。
【００１９】
また、第８の半導体発光装置は、光透過体９が略円錐台形状、ドーム形状、又は、円盤形状を成しており、キャップは２層以上の複数層が設けられているよう構成できる。また光透過体９は複数層により固定できる。
【００２０】
また、第９の半導体発光装置は、光透過体９を覆うキャップカバー１６を設けることができる。
【００２１】
さらにまた、第１０の半導体発光装置は、半導体発光素子４と、前記半導体発光素子４を載置する台座１４と、前記半導体発光素子４からの出射光を透過する光透過体９及び前記光透過体９を支持するキャップ本体３を備えるキャップ１５とを有する半導体発光装置であって、前記半導体発光素子４は、前記台座１４と前記キャップ１５とによって封止されており、前記キャップ本体３は、前記半導体発光素子４から出射される出射光を外部に取り出すための貫通孔Ｋを開口しており、前記貫通孔Ｋに前記光透過体９が配置されており、前記光透過体９は、前記半導体発光素子４からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは前記半導体発光素子４からの出射光を反射する光拡散物質を含有しており、前記半導体発光素子４から出射される出射光の成分の内、前記光透過体９での反射、吸収又は拡散により外部に取り出されない出射光の比率を２２％以下とできる。
【００２２】
さらにまた、第１１の半導体発光装置は、半導体発光素子４と、前記半導体発光素子４を載置する台座１４と、前記半導体発光素子４からの出射光を透過する光透過体９及び前記光透過体９を支持するキャップ本体３を備えるキャップ１５とを有する半導体発光装置であって、前記半導体発光素子４は、前記台座１４と前記キャップ１５とによって封止されており、前記キャップ本体３は、前記半導体発光素子４から出射される出射光を外部に取り出すための貫通孔Ｋを開口しており、前記貫通孔Ｋに前記光透過体９が配置されており、前記光透過体９は、前記半導体発光素子４からの出射光を吸収して波長変換を行う波長変換物質若しくは前記半導体発光素子４からの出射光を反射する光拡散物質を含有しており、前記半導体発光素子４から出射される出射光の成分の内、前記キャップ本体３又は前記光透過体９によって生じる損失の比率を６５％以下とできる。
【発明の効果】
【００２３】
第１発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子からの出射光が、入光部より貫通孔Ｋ内に進行し、貫通孔Ｋ内の壁面で反射された際、入光部を通過して半導体発光素子へと戻り難い。したがって、半導体発光素子への戻り光を著しく低減でき、ひいては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。
【００２４】
第２発明の半導体発光装置によれば、所望の波長或いは色度を有する光を出射できる半導体発光装置となる。
【００２５】
第３発明の半導体発光装置によれば、半導体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。
【００２６】
第４発明の半導体発光装置によれば、戻り光の発生をさらに低減でき、いわば一方向のみに通過可能な光導波路とできる。
【００２７】
第５発明の半導体発光装置によれば、貫通孔Ｋの壁面の傾斜角度が一定であるため、貫通孔Ｋを形成加工しやすい。
【００２８】
第６、８及び９発明の半導体発光装置によれば、半導体発光装置の耐衝撃性が向上する。
【００２９】
第７発明によれば、指向性の高い半導体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た半導体発光装置とできる。
【００３０】
第１０、第１１発明によれば、内部で反射されて外部に取り出されない戻り光の成分、あるいはこれを含めた半導体発光装置内部で生じる損失を低減することで、出力光を向上させると共に、戻り光に起因する半導体発光素子等の特性の悪化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、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。
【実施例１】
【００３２】
（構造）
実施例１の半導体発光装置１０ａの斜視図を図１に示す。また、図１におけるＩＩ−ＩＩ’線における断面図を図２に、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ’線における断面図を図３に示す。この半導体発光装置１０ａは、図１に示すように、円盤形状のステム底部１の底面（図１における下面）からリード８が鉛直方向に延伸されている。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の縁周近傍であって、ステム底部１の上面（図１における上面）から垂直方向に、円筒形状のキャップ本体３が接着されてなる。キャップ本体３の側面３ｂの上端は環状の上面３ａにより被覆される。キャップ本体３の上面３ａの中央部には、キャップの上面３ａの厚さ方向において、キャップ本体３の内外と貫通した貫通孔Ｋを有する傾斜部５が形成されている。また、図２に示すように、実施例１の半導体発光装置１０ａにおいて、傾斜部５近傍には光透過体９が備えられている。この光透過体９及びキャップ本体３から構成される部材をキャップ１５と称す。
【００３３】
また、キャップ本体３の内部において、図２に示すように、ステム底部１の上面から直立した柱状のステム柱体２が載置される。また、ステム柱体２の側面には、半導体発光素子４がＡｕ−Ｓｎ等の接着材を介して装着される。さらに、図示しないが、半導体発光素子４はワイヤー等を介して電気的にリード８と接続されており、これにより外部電極と接続可能となる。また、半導体発光素子４は、キャップ本体３内の幅方向（図２、３における左右方向）におけるほぼ中央部に位置される。従って、必然的に、図２に示すように該半導体発光素子４を固着するステム柱体２は、ステム底部１の中央部より円周方向へ偏心した位置に載置されることになる。ここで、ステム底部１及びステム柱体２とは、便宜上、場所に応じて個々に命名したものであって異部材とは限らない。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。本明細書では、ステム底部１とステム柱体２とから構成される部材を台座１４と称す。
【００３４】
また、台座１４とキャップ１５の形状は、半導体発光素子４を封止できるものであれば図２に示すものに限定しない。例えば、台座１４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キャップ本体３を略円盤状とすることもできる。
【００３５】
さらに、半導体発光素子４は、光出射面１１を上面（図２、３における上側）に備えており、光出射面１１がキャップ本体３の上面３ａと対向するよう離間して載置される。また、半導体発光素子４の出射光軸は、キャップ本体３の上面３ａの中心軸とほぼ重なる。つまり、半導体発光素子４から出射される光の中心軸は半導体発光装置１０ａの中央軸とほぼ一致する。尚、本発明における光出射面とは、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。以下に個々の部材について説明する。
（半導体発光素子）
【００３６】
半導体発光素子４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。実施例１の半導体発光装置１０ａでは、半導体発光素子４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ため、光を一方向へ導波しやすい。したがって、半導体レーザ素子からの出射光を高効率で半導体発光装置１０ａの外部へ取り出すことが可能となる。半導体レーザ素子としては特に限定せず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、又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族窒化物半導体より形成されるのが好ましい。
【００３７】
前記ＩＩＩ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等の基板上に下地層としてノンドープＡｌxＧａ1-xＮ（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ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から成るｎ型コンタクト層、ＳｉドープＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）から成るクラック防止層（省略可能）、ノンドープＡｌxＧａ1-xＮ（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ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）と障壁層Ｓｉドープ又はノンドープのＩｎxＧａ1-xＮ（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ＡｌxＧａ1-xＮ（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ＡｌxＧａ1-xＮ（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ＳｉＯ2、ＴｉＯ2から成り２ペア以上の光反射膜を有することで９５％以上の反射率とする。
【００３８】
この他、半導体発光素子４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、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。このように出力面積を絞ることで、半導体発光素子４からの出力光を、後述する貫通孔Ｋの傾斜部５内へ導波させやすくすることができる。ひいては、半導体発光素子４からの光取り出し効率を高められる。
【００３９】
また、半導体発光素子４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、またライフ寿命が低減する。これを防止するため、半導体発光素子４から生じた熱は、機械的及び電気的に接続されるステム柱体２及びステム底部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及びステム柱体２はヒートシンクの役割を担っており、放熱効果を奏す。
【００４０】
したがって、ステム底部１及びステム柱体２からなる台座１４は、熱媒体となりうるよう、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３と接着されるため、キャップ本体３の材質及びこれとの密着性を考慮して決定すればよい。
（傾斜部）
【００４１】
図２、３に示すように、実施例１の半導体発光装置１０ａには、キャップ本体３の上面（図２、３の上側）のほぼ中央に、キャップ本体３の上面３ａの厚さ方向において、キャップ本体３の内外と開通した貫通孔Ｋを有する傾斜部５が形成される。傾斜部５の開口幅における中心軸は、半導体レーザ素子４からの光出射軸とほぼ同一である。また、傾斜部５の両端口の内、半導体レーザ素子４からの出射光が入光する側を入光部６とし、他端側を出光部７とする。半導体レーザ素子４からの出射光は、入光部６より傾斜部５内に進行する。進行したレーザ光は、直進または、傾斜部５の内面に１回或いは複数回反射されながら、出光部７側へ導波され、出光部７からキャップ本体３の外部へと出射される。つまり、傾斜部５は光導波路の役目を担う。
【００４２】
傾斜部５は、その開口幅をテーパー状に一方向に変化させてなる。図２、３に示すように、実施例１の傾斜部５を構成する領域は、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。ただ、傾斜部５の開口形状は円形のみならず、楕円形或いは多角形でもかまわない。また、入光部６と出光部７で異なる開口形状を有していてもよい。例えば、半導体発光素子４の出射面の形状に適合させて、入光部６は矩形で、出光部７は円形であれば、半導体発光素子４の出射面の形状に依存せず、出光部７からは円形状の出射光を得ることができる。
【００４３】
このような形状の傾斜部５を備えることで、一旦傾斜部５に進入した光が、再び入光部６から逆戻りすることを防げる。なぜなら、傾斜部５内の壁面に反射した光が、仮に逆戻りしようと入光部６へ導波されたとしても、入光部６の開口径が狭いため、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半導体発光素子４の特性の悪化を防止できる。また、必然的に、一旦傾斜部５内へ進入した光は、その開口径が大きい出光部７に導かれ、半導体発光素子４からの出射光を余すところなく傾斜部５の出光部７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。
【００４４】
傾斜部５における貫通孔Ｋの設計において、入光部６から出光部７までの開口径の拡大率は、入光部６及び出光部７の径の大きさ、キャップ本体３の厚み、キャップ本体３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。上記以外の傾斜部５の形状として、入光部６近傍では開口径の拡大率が大きく、出光部７近傍ではその拡大率が小さいものでもよい。例えば、図４に示す傾斜部５のように、ドーム形状のような、曲面を帯びたものが挙げられる。曲面状の傾斜部５は、傾斜部５で反射された光を、出光部７の中心方向へと屈折させることが可能になる。したがって傾斜部５内での光の反射回数を低減でき、光の損失を低減することができる。この他、出射光の集光を考慮したレンズ状の傾斜部５が挙げられる。
【００４５】
傾斜部５における貫通孔Ｋの開口面積の大きさは、半導体発光素子４の出射光の広がり角や、半導体発光素子４と傾斜部５との距離により、適宜設計することができる。例えば、半導体発光素子４の光出射面１１である端面の大きさとして、端面の幅が０．０３〜０．８ｍｍ、厚みが０．０１〜０．８ｍｍ、面積が０．０００９〜０．５ｍｍ2とする。さらに半導体発光素子からの出射光の広がり角は１０〜６５°とできる。また半導体発光素子４と貫通孔Ｋとの距離は、例えば０．０２〜０．８ｍｍとする。一方、貫通孔Ｋの開口径は０．０１〜０．８ｍｍ、断面積は０．００００７６〜０．５ｍｍ2とできる。これら貫通孔Ｋの開口径や面積は、半導体発光素子４の出射光の広がり角や傾斜部との距離に応じて決定される。具体的には、表１に示すような端面を有する半導体発光素子４を使用でき、また表２に示すような組み合わせの半導体発光素子４、貫通孔Ｋを利用できる。
【００４６】
【表１】
2008153617.tif 000004
【００４７】
【表２】
2008153617.tif 000005
【００４８】
図１〜４に示す半導体発光装置１０ａにおいて、入光部６の開口径は、半導体発光素子４からの出射光が、ほぼ全て傾斜部５へ進入できる大きさであれば特に限定しない。「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、半導体発光素子４から半導体発光装置１０ａ外への光取り出し効率が高まる。ただ、入光部６の開口幅の形状及び面積を、半導体発光素子４の光出射面１１のそれとほぼ同一とすれば、半導体発光素子４からの指向性の高い出射光のほぼ全てを貫通孔Ｋ内に導光できる上、いったん貫通孔Ｋ内に進行した光が、戻り光となって再び入光部６から出射するのを防止できる。
【００４９】
ところで、実施例１では、半導体発光素子４として半導体レーザ素子を使用しているため、入光部６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ため、一方向へ光を導波しやすい。したがって半導体レーザ素子からの出射光のカバーできる開口径とすれば足り、入光部６を必要以上に大きくする必要がない。具体的に、入光部６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、若しくは円形状とすることができる。つまり半導体発光素子４と入光部６との距離を考慮した光形状の面積を備えていればよい。例えば、入光部６の断面が円形とすると、数３に示すような範囲とすることが好ましい。
【００５０】
【数３】
2008153617.tif 000006
【００５１】
但し、図５に示すように、Ａ（ｍｍ2）は、キャップ本体３の傾斜部５における貫通孔Ｋの断面積の最小値である。Ｌ（ｍｍ）は、半導体発光素子４とキャップ本体３までの距離である。Ｒ（°）は、半導体発光素子４からの出射光の広がり角である。
【００５２】
このように、入光部６の開口径を絞ることで、一旦傾斜部５内へ進入した光が、傾斜部５の壁面に反射した際に、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。加えて、入光部６の開口径を小さくすることで、出光部７側への開口径の増加率の選択幅が広がる。つまり、傾斜部５の壁面において、傾斜角度の自由度が高まる。
【００５３】
ところで、図１〜４に示す半導体発光装置１０ａでは、熱源である半導体発光素子４とキャップ本体３の離間距離が、従来の傾斜部５内に半導体発光素子４が載置される場合のそれと比較して、大きくなるため、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、半導体発光素子４からの出射光を傾斜部５内へと高効率で集光し難くなるため、その離間距離は半導体発光素子４の指向性を考慮して決定するのが好ましい。
（貫通孔Ｋの材質）
【００５４】
上述したように、傾斜部５は、キャップ本体３の上面３ａに開口された貫通孔Ｋの内面であるため、その壁面等の材質はキャップ本体３と同一である。キャップ本体３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を傾斜部５に固着した場合、光透過体９或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３に伝送され、さらにキャップ本体３の側面３ｂ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３を経由してステム底部１へと伝熱される。一方で、半導体発光素子４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ため、各々を効率よく放熱できる。
【００５５】
このように放熱効果を高めるため、キャップ本体３の材質としては、ＳＰＣ、コバール、アルミニウム、銅、真鍮、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３は、その壁面の下部においてステム底部１と接着するため、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３とステム底部１とを通電し、両者の接着面を溶融後、結合させる際、キャップ本体３の材質として鉄−ニッケル−コバルト合金（コバール）、ニッケル、ＳＵＳ等の鉄系材料であれば接着度が高まる。
（光透過体）
【００５６】
図１〜４で示される実施例１の半導体発光装置１０ａは、光透過体９を備える。この光透過体９は略円盤形状をなし、その径は傾斜部５の入光部６における開口径よりも大きく、出光部７の開口径よりも小さい。これにより、傾斜部５内の壁面でもって光透過体９を狭着でき、光透過体９の底面でもって傾斜部５の貫通孔Ｋが閉塞可能となる。
【００５７】
ところで、図２６に示すように、従来の半導体発光装置１００では、キャップの開口部１０５を閉じる際、キャップの上面１０３ａの裏側から、ガラス１１３の上面を当接させて両者を接着していた。これに比して、図１〜４で示される実施例１の半導体発光装置１０ａでは、キャップ本体３の開口部位置に、波長変換物質９を載置することで、容易に開口部を閉塞できるため作業効率が高まる。
【００５８】
また、光透過体９は、半導体発光素子４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、半導体発光素子４の光を異なる波長の光に変換し、半導体発光素子４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。
【００５９】
ただ、半導体発光装置１０ａには必ずしも波長変換物質を備える必要はなく、その使用は適宜判断すればよい。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、白色光は次のようにして得られる。第１の方法は、半導体発光素子４から発光される、可視光の短波長側領域の青色光で、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、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、半導体発光素子４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。
【００６０】
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系蛍光体及びＬＡＧ系蛍光体が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：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。実施例１の波長変換物質としては、ＹＡＧまたはＬＡＧ蛍光体を使用した。ガラスや樹脂に蛍光体を混合した蛍光体ガラスや蛍光体含有樹脂を用いてもよい。なお、耐熱性の観点からＳＰＳ方式、または蛍光体ガラスが好ましい。実施例１の光透過体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り、図２〜４で示すように、光透過体９の底部は、傾斜部５における出光部７側の開口部近傍にガラスや接着材等でもって固着される。これによりキャップ本体３の開口部は閉塞される。実施例１の円盤状の光透過体９は傾斜部５の開口孔を全て密封するのではなく、傾斜部５の出光部７付近の壁面で、光透過体９の底辺を支持する構造となる。光透過体９の上部つまり光放出面はキャップ本体３の天面よりも上方に位置しており、つまり光透過体９がキャップ本体３の天面より一段高い構成となる。
【００６１】
ところで、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。ただ、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、半導体発光素子４の光出射面１１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。半導体発光素子４と波長変換物質とを離間させることにより、半導体発光素子４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、実施例１に係る半導体発光装置１０ａ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及びＧｄやＳｍの含有量が異なる２種類以上の（Ｒｅ1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：Ｃｅ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）
【００６４】
また、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。同様に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ー効果を持たせたフィルター材として各種着色剤を添加させることもできる。
【００６５】
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、半導体発光素子４及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やす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、１ｎｍ以上１μｍ未満の光拡散物質は、半導体発光素子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。
【実施例２】
【００６６】
実施例２における半導体発光装置１０ｂの断面図を図６に示す。この半導体発光装置１０ｂは、実施例１の半導体発光装置１０ａにさらに部材を加えたものである。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。
（キャップカバー）
【００６７】
実施例２の半導体発光装置１０ｂは、図６に示すように、キャップ本体３の外側に、さらにキャップカバー１６が装着される。キャップカバー１６は、筒型形状であって開口部を有するキャップカバー本体１３と、この開口部を閉塞する透過板１２より構成される。キャップカバー本体１３は、筒型形状の側面１３ｂと、側面１３ｂの上方を被覆する上面１３ａとを有する。また、キャップカバー本体１３の径はステム底部１の径とほぼ同一であって、キャップ本体３の周囲を被覆できるよう一回り大きく形成されている。また、キャップカバー本体１３の側面１３ｂの高さはキャップ本体３の高さよりも大きくし、間に光透過体９を狭持できるようにする。キャップカバー本体１３はキャップ本体３の側面１３ｂの外壁に接面するよう装着される。また、キャップカバー本体１３の側面１３ｂの下端は、ステム底部１の端縁部に立直して連接される。また、キャップカバー本体１３の側面１３ｂの上端は、これに垂直な方向へ延伸されており、キャップカバー本体１３の上部の周縁領域のみを被覆する。換言すれば、キャップカバー本体１３の上面１３ａは、その中心部に円形の開口部が設けられる。ただ、開口部の形状は円形に限定されず、四角形等の多角形や所望の形状とできる。
【００６８】
図６に示すように、キャップカバー本体の上面１３ａの開口領域の位置は、カバー上面１３ａの中央部であって、キャップ本体３の傾斜部５の開口領域と一致させる。また、カバー上面１３ａの内側、つまりキャップ本体３と対向する側より、透過板１２が当接されることで、カバー上面１３ａの開口領域が閉塞される。実施例２の透過板１２は、円盤状であって、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。さらに、透過板１２の直径は光透過体９の直径よりも大きいものとする。これにより透過板１２が、光透過体９上を被覆することができ、光透過体９を保護できる。
【００６９】
また、透過板１２の下方には、傾斜部５の出光部７領域で固着された光透過体９が接面しており、さらに透過板１２の縁周部を、上方からキャップカバー本体１３のカバー上面１３ａで固着させてなる。キャップカバー本体１３のカバー上面１３ａが、その縁周部で接面する透過板１２を光透過体９側へ押着することで、傾斜部５の出光部７領域の壁面で支持された光透過体９が、上下で接面する透過板１２及び傾斜部５に狭着される。したがって、キャップカバー１６が光透過体９を被覆し、キャップカバー本体１３、透過板１２、光透過体９、キャップ本体３がしっかりと密着される。また、光透過体９は透過板１２により外面側から保護されるため、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キャップカバー本体１３の材質としては銅、真鍮、ＳＵＳ、コバール、アルミニウム等が好適である。
【００７０】
また、光透過体９を傾斜部５内に設けず、透過板１２内に蛍光体等の波長変換物質を混入させることも可能である。これにより、部品点数を減らすことができ、また半導体発光装置１０ｂを小型化できる。或いは、光透過体９を傾斜部５内に備えた上、該波長変換物質とは異種の波長変換物質を透過板１２内に混入させることで、複数の波長変換物質を備える半導体発光装置とできる。これにより、さらに色範囲の広い出射光を得られる。
【実施例３】
【００７１】
実施例３の半導体発光装置１０ｃを図７（ａ）に示す。この半導体発光装置１０ｃは、実施例１の半導体発光装置１０ａと比較して、光透過体の形状のみが異なる。換言すれば光透過体の形状以外の構造は全て同様であるため、その説明は省略する。
【００７２】
図７（ａ）に示すように、実施例３の半導体発光装置１０ｃにおいて、光透過体９ｂは略逆円錐台形状をなしており、側面の傾斜角度は傾斜部５のそれと同一である。これにより、光透過体９ｂは傾斜部５の壁面に密着される。光透過体９ｂは、傾斜部５の入光部６から出光部７までの貫通孔Ｋを閉塞しており、さらに出光部７より上方（図７（ａ）における上方）へ突出している。すなわち、光進行方向において、光透過体９ｂにおける長さは、傾斜部５の長さよりも大きい。つまり傾斜部５の貫通孔Ｋの深さに依存しない。したがって、半導体発光素子４からの光の波長を、光透過体９ｂ内で十分に変換することができ、ひいては半導体発光装置１０ｃから出力される光の色むらを低減できる。
【００７３】
また、光透過体９ｂが傾斜部５を閉塞することにより、光透過体９ｂは傾斜部５の全壁面にわたって接面することになる。つまり光透過体９ｂと傾斜部５との接面領域が大きいため、光透過体９ｂから生じる発熱を効率よくキャップ本体３に伝達することができ、放熱効果が高まる。
【実施例４】
【００７４】
実施例３の半導体発光装置１０ｃに、さらにキャップカバー本体１３及び透過板１２からなるキャップカバー１６を付加した半導体発光装置１０ｄを実施例４として図７（ｂ）に示す。このキャップカバー１６の構造に関しては、実施例２のそれと同様であり、光透過体９ｂを被覆するキャップカバー１６を装着することで、光透過体９ｂを保護できる。
【実施例５】
【００７５】
実施例１及び３に示したように、必要に応じて備えられる光透過体９の形状は、所望の形状とできる。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す各半導体発光装置１０ｅ、半導体発光装置１０ｆ、半導体発光装置１０ｇは、それぞれ光透過体９ｃ、光透過体９ｄ、光透過体９ｅを備える。図８（ａ）の光透過体９ｃは傾斜部５内に嵌着され、傾斜部５を過不足なく閉塞している。つまり光透過体９ｃの形状は傾斜部５のそれを同一である。これによりキャップ本体３と光透過体９との接触面積が大きくなり放熱性を向上させることができる。
【００７６】
また、図８（ｂ）に示すように、光透過体９ｄは、傾斜部５内の一部のみを閉塞することも可能である。実施例５の光透過体９ｄは略逆円錐台形状をなし、側面の傾斜角度は、傾斜部５の壁面のそれと同一である。光進行方向において、光透過体９ｄの長さは、傾斜部５の長さより短い。実施例５の光透過体９ｄの底面（半導体発光素子４との対面）は、傾斜部５の入光部６と略同一面に位置する。さらに光透過体９ｄの上面は傾斜部５の貫通孔Ｋ内に位置する。したがって、光透過体９ｄは傾斜部５内に一段奥まった構造となる。ただ、光透過体９ｄの傾斜部５内での載置位置は、その底面を入光部６と略同一面にするのみならず、光透過体９ｄが傾斜部５内に位置していればよい。このように、傾斜部５内の貫通孔Ｋ内に光透過体９ｄを装着することで、放射角度を制御することができる。
【００７７】
さらに、図８（ｃ）の光透過体９ｅは、その形状が球体をなす。この光透過体９ｅにおける径は、傾斜部５の入光部６における径よりも大きいものとする。図８（ｃ）に示すように、球形状の光透過体９ｅは、テーパー状である傾斜部５の壁面に狭着され、載置される。実施例５の光透過体９ｅでは、その最低面が入光部６と同一平面上になるよう位置しているが、光透過体９ｅの載置位置はこれに限らない。光透過体９ｅが半導体発光素子４に接面しなければ、その一部が傾斜部５の外部へ突出していても構わない。
【００７８】
あるいは図６や後述する図１３〜図１５に示すように、光透過体９の底面を入光部６の面よりも高くして、キャップ本体に開口された貫通孔Ｋの開口部分を残すことも好ましい。この様子を図９及び図１０に説明する。これらの図に示すように、光透過体９の底面とキャップ本体の底面すなわち入光部６との間に空間Ｇを形成する。これにより、半導体発光素子４からの出射光が貫通光Ｋの開口端から案内され易くなると共に、貫通光Ｋの傾斜面によって戻り光の抑止効果も高められる。本発明者が行った実験においても、入光部６に空間Ｇを設ける方が、空間を設けない例よりも高い出力を得られることが確認できた。加えて、図１１に示すように、貫通孔Ｋに配置した光透過体９の上面及び下面の両方を、貫通孔Ｋから一段奥まった構造に形成することもできる。図１１の例では、入光部６と光透過体９底面との距離をＧ１、光透過体９上面と出光部７との距離をＧ２としている。このように、光透過体９の上下に空間を設けることで効率を改善でき、特にＧ１＞Ｇ２とすることで、半導体発光素子４の出力光を入光部６に案内する効果を高めることができる。
【００７９】
また、図８（ｃ）に示すように光透過体９ｅを球体とすることで、製品毎に傾斜部５の開口径に差がある場合や、蓄熱によりキャップ本体３が変形し傾斜部５の開口幅が変化した場合でも、光透過体９ｅのサイズを変更することなくキャップ本体３を閉塞できる。なぜなら、表面が球面である光透過体９ｅは、傾斜部５の開口径に応じて、浮沈することにより傾斜部５の壁面との当接位置を調整できるからである。この他、光透過体９ｅを球形にすることにより放射角による色バラツキを低減することができる。
【００８０】
なお、光透過体９ｅは完全な球状に限られない。例えば図９に示すように、入光部６側の曲面をなだらかに、出光部７側の曲面を急峻にするよう曲率半径を変化させた非対称の球状とすることもできる。このように、特に半導体発光素子４と面する入光部６側の曲面をなだらかにすることで、この界面における入射光の反射を抑制でき、光の取り出し効率を高めることができる。また図１０に示すように光透過体９は出光部７において、貫通孔Ｋの開口面積よりも大きく形成することもできる。図１０の例では、貫通孔Ｋの開口端からキャップ本体の天面にかけて裾を引くように光透過体９を連続的に形成している。これにより、光透過体９を貫通孔Ｋに確実に固定できる。
【００８１】
上記のように、半導体発光素子４からの出射光を、所望の波長に変換するのに適当な波長変換物質量を備えるよう、光透過体の厚みや傾斜部５の空間量を調節するのが好適である。
【実施例６】
【００８２】
実施例５の半導体発光装置１０ｅ、１０ｆ、１０ｇに、さらにキャップカバー本体１３及び光透過体１２からなるキャップカバー１６を付加することもできる。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に各半導体発光装置１０ｈ、半導体発光装置１０ｉ、半導体発光装置１０ｊを示す。実施例６の半導体発光装置１０ｈ、１０ｉ、１０ｊは、実施例５の半導体発光装置１０ｅ、１０ｆ、１０ｇに、キャップカバー１６をそれぞれ装着したものである。キャップカバー１６の構造に関しては、実施例２のそれと同様である。
【実施例７】
【００８３】
実施例７における半導体発光装置１０ｋの断面図を図１３に示す。この半導体発光装置１０ｋは、実施例１の半導体発光装置１０ａと比較して、キャップ１５ｂの構造のみが異なる。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。
【００８４】
図１３に示す実施例７の半導体発光装置１０ｋに備わるキャップ１５ｂは、光透過体９ｆと、２層から成るキャップ本体２３とを有する。このキャップ本体２３は、第１キャップ本体２３ａと第２キャップ本体２３ｂとで構成される。ただ、キャップ本体２３は多層であれば良く２層に限定しない。
【００８５】
実施例７の第１キャップ本体２３ａは、実施例１のキャップ本体３と同様の貫通孔Ｋが形成された傾斜部５を有する。また、第２キャップ本体２３ｂは、第１キャップ本体２３ａの外側を被覆しており、第１キャップ本体２３ａの傾斜部５との当接領域には、貫通孔Ｋが形成されている。すなわち、第１キャップ本体２３ａと第２キャップ本体２３ｂとの貫通孔Ｋが連通している。
【００８６】
また、実施例７に係る光透過体９ｆは略円錐台形状を成しており、その底面は、貫通孔Ｋの出光部７における断面積よりも大きい。この光透過体９ｆに、光拡散物質や、蛍光体等の波長変換物質等を添加されうるのは、実施例１と同様である。ただ、図１３に示すように、第１キャップ本体２３ａにおいて、光透過体９ｆを傾斜部５の貫通孔Ｋの壁面に当接させず、傾斜部５の上部に載置して出光部７を被覆することで貫通孔Ｋを閉塞している。また、第２キャップ本体２３ｂの貫通孔Ｋは、光透過体９ｆを嵌合可能な傾斜面を有しており、この貫通孔Ｋでもって光透過体９ｆを狭着する。つまり、半導体発光素子４に近接する１層目のキャップ本体に傾斜部を設け、この１層目のキャップ本体を被覆する２層目以降のキャップ本体で光透過体を狭着する構造となる。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固定できるため、簡易に蛍光体ガラスを固定できる。さらに、実施例７の半導体発光装置１０ｋの外側に、キャップカバーを装着可能であるのは実施例２と同様である。
【実施例８】
【００８７】
実施例８に係る半導体発光装置１０ｌの断面図を図１４に示す。この半導体発光装置１０ｌの光透過体９ｇは略ドーム形状であって、それ以外の構造は実施例７の半導体発光装置１０ｋと同様であり、詳細説明を省略する。
【実施例９】
【００８８】
実施例９に係る半導体発光装置１０ｍの断面図を図１５に示す。この半導体発光装置１０ｍの光透過体９ｈは略円盤形状であって、それ以外の構造は実施例７の半導体発光装置１０ｋと同様であり、詳細説明を省略する。
【００８９】
図１６に示すグラフは、従来の半導体発光装置と、実施例１〜９に示した半導体発光装置の発光強度を比較したものである。ここでいう従来の半導体発光装置とは、光源からの出射光を半導体発光装置の外部へと導波する光導波路において、その開口幅が一定であるものである。図１６に示すように、実施例の発光強度は、従来品のそれよりも一貫して高く、６００ｍＡで通電した際の発光強度は約１．５倍となった。すなわち、光取り出し効率を改善する効果が確認できた。
（光選択フィルタ１８）
【実施例１０】
【００９０】
さらに、半導体発光素子が出射する光の戻り光成分を抑制する他の実施例として、貫通孔Ｋに傾斜面を形成する構成の他、入光部６側に光選択フィルタ１８を設けることもできる。この構成を実施例１０として図１７に示す。ここでは、光選択フィルタ１８として、半導体発光素子４からの出射光を透過するが、光透過体９に含まれる波長変換物質で波長変換された変換光を透過しないような波長選択性を備えた帯域フィルタ１８Ａを使用する。波長域は、使用する半導体発光素子４の中心波長や波長変換物質の蛍光の波長に応じて決定され、例えば、３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の光を反射する部材が利用できる。このような波長選択フィルタとしては屈折率の高い材質と低い材質とを交互に層状に積層した誘電体多層膜が利用でき、例えばＡｌＮ、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｒＯ2、ＳｉＯ、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＧａＮ、ＭｇＦ2、ＴｉＯ、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5、ＣｅＯ2、ＺｎＳ等から選択された少なくとも一種を含む材料が挙げられる。
【実施例１１】
【００９１】
あるいは、光選択フィルタ１８として、位相に応じた選択性を備えさせることもできる。すなわち、偏向面を半導体発光素子４の位相と一致させ、蛍光を透過させない偏光フィルタ１８Ｂを使用する。この例を実施例１１として図１８に示す。特に半導体発光素子４としてレーザを使用する場合は、レーザ光の偏光面が揃う傾向にあるため、有効となる。偏光フィルタ１８Ｂとしては、固定式の偏光板の他、印加電圧に応じて透過分光特性をスイッチング可能な液晶フィルタも利用できる。
【００９２】
これらの光選択フィルタ１８は、ガラスなどの透光性部材の表面に設けてもよい。図１７、図１８に示す例では、光選択フィルタ１８は、貫通孔Ｋの入光部６側に、貫通孔Ｋを閉塞するように固定される。あるいは、図１９に示すように、貫通孔Ｋ内部に光選択フィルタ１８を固定し、入光部６と光選択フィルタ１８との間に空間Ｇを形成することもできる。これにより、半導体発光素子４からの出射光の誘い込み効果が得られる。
【００９３】
さらに、このような光選択フィルタ１８を、上述した貫通孔Ｋ内面を傾斜面とする構成と組み合わせることも可能である。この例を図２０、図２１に示す。これによって、戻り光の低減効果を一層高めて効率をさらに改善できる。
【００９４】
加えて、貫通孔Ｋ内面をすべて傾斜面とする構成に限られず、傾斜面を貫通孔Ｋ内面に部分的に形成することもできる。このような構成の例を図２２に示す。これにより、傾斜面の角度を大きくしつつ、キャップ本体３の上面３ａの厚さを維持できる。すなわち、傾斜面の角度を大きくするためには、キャップ本体３の上面３ａを薄く形成する必要があるが、薄すぎると強度が弱くなる。そこで、貫通孔Ｋ内面に傾斜のない鉛直状のストレート部分を設けることで、このような問題を解消できる。また図２２に示すように、傾斜面は貫通孔Ｋの内、キャップ本体３の上面側、すなわち光透過体９を載置する側に形成し、内面側すなわち半導体発光素子４と対向する側を、一定径の円筒状とすることが好ましい。これによって、上面側で貫通孔Ｋの開口縁を鈍角とし、光透過体９の載置の容易さと戻り光の低減を発揮できる。一方、内面側で貫通孔Ｋの開口縁を鉛直状とすることで、この部分が鋭角となることを回避し、形成の容易さやバリの排除という加工面でのメリットを享受できる。なお、キャップ本体３の上面３ａは、エッジ部分を面取りしてもよい。特に、キャップカバー本体１３をキャップ本体３に被覆させる構成においては、エッジ部分を面取りすることでキャップカバー本体１３内面の加工精度が求められる事態を回避できる。
（損失の計算）
【００９５】
以上のような構成により、戻り光ひいては損失を低減できる。損失は、半導体発光素子４の出力の内、半導体発光装置の出力として利用できない成分であり、戻り光の他、キャップ本体や透過板等の部材で吸収される成分、半導体発光素子４の光を波長変換物質で波長変換する際の損失（ストークスロス）、波長変換物質に吸収される損失が挙げられる。戻り光による損失を測定、演算することは容易でないが、以下の２通りの方法で定量化を試みる。ここでは、半導体発光素子４として定格電流Ｉop＝５１０ｍＡ、定格出力Ｐld＝５００ｍＷ、ＬＤを使用した場合に、取り出せる出力と損失を検討する。
【００９６】
まず、ＬＤの出力を１００％とすると、半導体発光装置の出力として取り出せる出力は、５６．０３％（内、ＬＤ成分が１１．５９％、波長変換物質成分が４４．４４％）であった。このことから、４３．９７％が損失のトータルとなる。ここまでは、実測により求めることができる。また、損失の内、ストークスロスは以下の計算式により１１．７６％と演算できる。
【００９７】
【数４】
2008153617.tif 000007
【００９８】
上式において、
Ａ（λ）：半導体発光装置の出射光から得られる発光スペクトルにおける各波長に対する半導体発光素子出力
Ｂ（λ）：半導体発光装置の出射光から得られる発光スペクトルにおける各波長に対する波長変換物質による波長変換後出力
λ：波長
λLD-PEAK：半導体発光素子のピーク波長
Ｐ：半導体発光装置から得られる出力
ＬＤ波長：半導体発光素子の発光波長
Ｐｈｏｓ波長：波長変換物質による波長変換後の発光波長
【００９９】
蛍光体等の波長変換物質が無い場合は、大部分の光（９５％以上）が透過できる。しかしながら、波長変換物質によって不可避的に損失が生じる。波長変換物質の吸収損失を経験上１０．００％と仮定すれば、戻り光による損失は２２．２２％と計算できる。さらに、残りの約７８％の内、ストークスロス及び蛍光体ロスが２２％程度含まれる。このため、実際に外部へ放出される光の成分は５６％程度となる。よって損失のトータルに占める戻り光の割合は５０％となる。このことから、半導体発光素子４から出射される出射光の成分の内、光透過体９を透過して外部に取り出される出射光に対する（光透過体９での反射、吸収、拡散等により）外部に取り出されない出射光の比率を２２％以下とすることが好ましいと言える。
【０１００】
また、同じＬＤを使用して、半導体発光装置としての出力Ｐ２を測定し、次にステムからキャップカバーを取り外してＬＤのみの出力Ｐ１を測定した。ここで、戻り光による損失をＰ3＝Ｐ2−Ｐ1とすると、Ｐ2＝５００．３４ｍＷ、Ｐ1＝２７４．６９６８ｍＷから、損失Ｐ3＝２２５．６４３２ｍＷと演算でき、ＬＤの出力Ｐ1を１００％とすると、半導体発光装置の出力として取り出せる出力は５５％、戻り光による損失は４５％となる。このことから、半導体発光素子４から出射される出射光の出力に対する、キャップ本体３又は光透過体９によって生じる損失の比率を４５％以下とすることが好ましいと言える。
【０１０１】
これらの結果から、いずれの計算においても損失のトータルに占める戻り光の割合は半分近くあり、損失の支配的な要因であるといえる。よって、戻り光による損失を低減することで、トータルの損失を低減して出力効率の向上に寄与できることが確認できた。
【０１０２】
また、図２３にＬＤ電流に対する発光効率の変化を、図２４にＬＤの駆動電流に対する損失の割合の変化を、それぞれ示す。図２３から、ＬＤ駆動電流の上昇と共に発光効率は向上し、４００ｍＡ近傍で発光効率のピークを示し、以降は緩やかに減少している。一方図２４から、損失の変化は若干不安定であるが、当初高い損失がＬＤ駆動電流２００ｍＡ近傍で低くなり、以降は徐々に増加する傾向が見られる。この結果から、損失は６３％程度まで抑制することができ、以降はＬＤの駆動電流の増加と共に発熱により効率が徐々に低下するものと思われる。よって、現実的には損失の割合を約６５％以下に抑制した動作が好ましいと言える。また、このときのＬＤの駆動電流は２００ｍＡ〜８００ｍＡ、好ましくは３００ｍＡ〜５００ｍＡ、より好ましくは３５０ｍＡ〜４５０ｍＡで駆動するのが、損失を少なくして効率よく駆動でき好ましいと言える。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の半導体発光装置は、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】
【０１０４】
【図１】実施例１の半導体発光装置を示す側面図である。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ’線における断面図である。
【図３】図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ’線における断面図である。
【図４】実施例１の半導体発光装置を示す側面図である。
【図５】実施例１の半導体発光装置に係る説明図である。
【図６】実施例２における半導体発光装置を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）は実施例３における半導体発光装置を示す断面図であり、図７（ｂ）は実施例４における半導体発光装置を示す断面図である。
【図８】実施例５における半導体発光装置を示す断面図である。
【図９】光透過体と入光部の間に空間を形成した半導体発光装置を示す断面図である。
【図１０】光透過体と入光部の間に空間を形成した半導体発光装置の他の例を示す断面図である。
【図１１】光透過体の下面と入光部の間、及び光透過体の上面と出光部との間に空間を形成した半導体発光装置を示す断面図である。
【図１２】実施例６における半導体発光装置を示す断面図である。
【図１３】実施例７における半導体発光装置を示す断面図である。
【図１４】実施例８における半導体発光装置を示す断面図である。
【図１５】実施例９における半導体発光装置を示す断面図である。
【図１６】従来品と対策品の発光強度を示すグラフである。
【図１７】実施例１０に係る半導体発光装置を示す断面図である。
【図１８】実施例１１に係る半導体発光装置を示す断面図である。
【図１９】光選択フィルタと入光部との間に空間を形成した半導体発光装置の例を示す断面図である。
【図２０】傾斜部を形成した貫通孔に光選択フィルタを設けた半導体発光装置の例を示す断面図である。
【図２１】傾斜部を形成した貫通孔に光選択フィルタを設けた半導体発光装置の他の例を示す断面図である。
【図２２】貫通孔に傾斜部を部分的に形成した半導体発光装置の例を示す断面図である。
【図２３】ＬＤ電流に対する発光効率の変化を示すグラフである。
【図２４】ＬＤ電流に対する損失の変化を示すグラフである。
【図２５】図２５（ａ）は従来の半導体発光装置を示す断面図であり、図２５（ｂ）は図２５（ａ）の一部拡大図である。
【図２６】従来の半導体発光装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１、１０１…ステム底部
２、１０２…ステム柱体
３…キャップ本体
３ａ…キャップ本体の上面
３ｂ…キャップの側面
４…半導体発光素子（半導体レーザ素子）
５…傾斜部
６…入光部
７…出光部
８…リード
９、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ…光透過体
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１００、２００…半導体発光装置
１１…光出射面
１２…透過板
１３…キャップカバー本体
１３ａ…キャップカバー本体の上面
１３ｂ…カバー側面
１４…台座
１５、１５ｂ…キャップ
１６…キャップカバー
１７…
１８…光選択フィルタ
１８Ａ…帯域フィルタ
１８Ｂ…偏光フィルタ
１９…
２３…キャップ本体
２３ａ…第１キャップ本体
２３ｂ…第２キャップ本体
１０３…キャップ
１０３ａ…キャップの上面
１０４…ＬＤ
１０５…キャップの開口部
１０８…リード
１１３…ガラス
２０２…リードフレーム
２０３…カップ
２０３ａ…カップの載置面
２０３ｂ…カップの斜面
２０４…ＬＥＤ
２０５…蛍光物質
２１１、２１２…樹脂
Ａ…貫通孔の断面積の最小値
Ｌ…半導体発光素子とキャップ本体までの距離
Ｒ…半導体発光素子からの出射光の広がり角
Ｋ…貫通孔
Ｇ、Ｇ１、Ｇ２…空間
【図１】
2008153617.tif 000009
【図２】
2008153617.tif 000010
【図３】
2008153617.tif 000011
【図４】
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【図５】
2008153617.tif 000013
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008153617.tif 000017
【図１０】
2008153617.tif 000018
【図１１】
2008153617.tif 000019
【図１２】
2008153617.tif 000020
【図１３】
2008153617.tif 000021
【図１４】
2008153617.tif 000022
【図１５】
2008153617.tif 000023
【図１６】
2008153617.tif 000024
【図１７】
2008153617.tif 000025
【図１８】
2008153617.tif 000026
【図１９】
2008153617.tif 000027
【図２０】
2008153617.tif 000028
【図２１】
2008153617.tif 000029
【図２２】
2008153617.tif 000030
【図２３】
2008153617.tif 000031
【図２４】
2008153617.tif 000032
【図２５】
2008153617.tif 000033
【図２６】
2008153617.tif 000034