(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された第１多層膜反射器と、
前記第１多層膜反射器上に形成され、第１の導電型の半導体層、量子井戸層を含む活性層及び前記第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型の半導体層からなる半導体構造層と、
前記第２の導電型の半導体層上に形成され、第１の貫通開口を有する絶縁性の電流狭窄層と、
前記第１の貫通開口を覆い、前記第２の導電型の半導体層に接する透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２多層膜反射器と、
前記第２多層膜反射器上に形成され、且つ、前記電流狭窄層の前記第１の貫通開口に共軸に配置された前記第１の貫通開口の開口径よりも小なる最小開口径を有する第２の貫通開口を有する熱伝導層と、
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の上方に形成された蛍光体を備えた発光色変換部を有し、
前記基板上に前記第１多層膜反射器、前記半導体構造層、前記電流狭窄層、前記透明電極、前記第２多層膜反射器、前記熱伝導層、前記発光色変換部が順に形成され一体化していることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項２】
前記熱伝導層は、金属、グラファイトまたはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）から成ることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項３】
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の前記最小開口径の部分がレーザ出射光のビームウエストの位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ素子。
【請求項４】
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の前記最小開口径の部分から前記発光色変換部側の開口縁部までの表面上に形成された反射膜を備えていることを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザ素子。
【請求項５】
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の前記最小開口径の部分から前記発光色変換部側の開口縁部までの表面が階段状、テーパー状、曲面状または放物面状に広がるように形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の面発光レーザ素子。
【請求項６】
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の前記最小開口径はレーザ出射光のビームウエスト径と等しいことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１に記載の面発光レーザ素子。
【請求項７】
前記放物面状に広がるように形成された前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の放物面表面の焦点が前記発光色変換部の表面に位置するように前記放物面表面が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１に記載の面発光レーザ素子がアレイ状に連続して連なり、且つ各々の面発光レーザ素子の前記熱伝導層が連続していることを特徴とするアレイ状面発光レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等の半導体発光素子に関し、特に、共振器に挟まれた活性層を有する面発光レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、図１に示すように、励起光源からの光を効率よく蛍光体に照射させる光源装置のモジュールが知られている。レーザダイオードとされた励起光源１３１からの励起光が集光レンズ１３２によって鏡面箱１３６の入射口１３６ａに集光され、鏡面箱１３６内に入射し、蛍光体１３３を励起する。鏡面箱１３６内に入射した光線束の中で蛍光体１３３を透過した光線束は、ダイクロイックフィルタ１３７に反射して再び蛍光体１３３に照射されて蛍光体１３３を励起する。更に、鏡面箱１３６内に入射した光線束における蛍光体１３３で反射した光線束は、鏡面箱１３６の内面に取り付けられた反射材１３９で反射して再び蛍光体１３３に照射されて蛍光体１３３を励起する。このように、鏡面箱１３６に入射した光線束を無駄なく蛍光体１３３に照射させることができる故に、励起光源１３１からの射出光の利用効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−４３１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来構造の光源装置においては、レーザダイオードの励起光源、集光レンズ、鏡面箱がそれぞれ独立しており、モジュールの小型化が難しい問題がある。また、従来構造の光源装置においては、発光色変換部すなわち蛍光体の放熱については考慮されていない。
【０００５】
本発明は、発光色変換部と励起光源の一体化による小型化が可能な面発光レーザ素子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】
【０００６】
本発明の面発光レーザ素子は、基板上に形成された第１多層膜反射器と、
前記第１多層膜反射器上に形成され、第１の導電型の半導体層、量子井戸層を含む活性層及び前記第１の導電型とは反対の導電型の第２の導電型の半導体層からなる半導体構造層と、
前記第２の導電型の半導体層上に形成され、第１の貫通開口を有する絶縁性の電流狭窄層と、
前記第１の貫通開口を覆い、前記第２の導電型の半導体層に接する透明電極と、
前記透明電極上に形成された第２多層膜反射器と、
前記第２多層膜反射器上に形成され、且つ、前記電流狭窄層の前記第１の貫通開口に共軸に配置された前記第１の貫通開口の開口径よりも小なる最小開口径を有する第２の貫通開口を有する熱伝導層と、
前記熱伝導層の前記第２の貫通開口の上方に形成された蛍光体を備えた発光色変換部を有することを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来の光源装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１である面発光レーザ素子（以下、単に、発光素子又は素子ともいう）の構成を模式的に示す概略斜視図である。
【図３】図２のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す面発光レーザ素子の部分断面図である。
【図４】図３のＹ線に囲まれる一部を模式的に示す面発光レーザ素子の部分断面図である。
【図５】本発明の実施例１の変形例である面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施例１の他の変形例である面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図７】本発明による実施例２の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図８】図７の一部を模式的に示す面発光レーザ素子の部分断面図である。
【図９】本発明の実施例２の変形例である面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図１０】本発明による実施例３の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図１１】本発明による実施例４の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【図１２】本発明による実施例５の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖａｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ    Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）素子、特に、活性層を有する面発光レーザ素子について図面を参照しつつ説明する。以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。
【０００９】
一般的に、レーザ素子において一様媒質中のガウシアンビーム出力後のレーザビーム半径が一旦小さくなるような領域はビームウエストと呼ばれている。強度分布が中心対称であるガウシアンビームにおいて、光強度が最大強度の１／ｅ2になる位置をビーム径（全光強度約８６．５％）と称されている。
【００１０】
本発明者は、素子の共振器放射直後のビームウエストに注目して、このビームウエストの位置の制御の可能性を研究して実験を行い、放熱構造を見出し、本発明に至った。
【実施例１】
【００１１】
図２は、本発明の実施例１である面発光レーザ素子１０の構成を模式的に示す概略斜視図である。図２に示すように、この素子１０はレーザビームＢＭの出射口ＥＰを備えた発光部が４×４でアレイ化され１６個配置されて構成されている。この面発光レーザ素子１０は、基板１１上に順に形成された、素子部２０、熱伝導層２７及び蛍光体を備えた発光色変換部すなわち蛍光体層３０を有している。
【００１２】
図３は、図２の素子１０のＸＸ線に亘る一部を模式的に示す部分断面図である。
【００１３】
面発光レーザ素子１０の各発光部は、図３に示すように、たとえば、ＧａＮから成る導電性の基板１１上に形成された素子部２０は、導電性の第１多層膜反射器１３と、半導体構造層ＳＥＭと、絶縁性の電流狭窄層２１と、透明電極２３と、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏと、第２多層膜反射器２５と、を有している。半導体構造層ＳＥＭはＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体から構成されている。素子部２０の透明電極２３の直上に形成された熱伝導層２７の開口がレーザビームＢＭの出射口ＥＰとなり、レーザビームＢＭが蛍光体層３０を通過する。
【００１４】
ここで、放熱と配線を担うｐコンタクト層ｐ−Ｃｏと放熱用の熱伝導層２７が第２多層膜反射器２５により分離されることにより、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏの配線パターンの自由度を増加させることが可能となる。なお、基板１１のｐコンタクト層ｐ−Ｃｏの反対側の表面にｎコンタクト層ｎ−Ｃｏが形成されている。
【００１５】
本実施例では、第１多層膜反射器１３と第２多層膜反射器２５とが分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）で形成されている。
【００１６】
図４は、図３の素子１０のＹ線に囲まれる一部を模式的に示す部分断面図である。
【００１７】
半導体構造層ＳＥＭは、第１多層膜反射器１３上に順に形成された、ｎ型の半導体層１３、量子井戸層を含む活性層１７及びｐ型の半導体層１９からなる。
【００１８】
絶縁性の電流狭窄層２１は、ｐ型の半導体層１９上に形成され、第１の貫通開口ＯＰ１を有する。
【００１９】
透明電極２３は、第１の貫通開口ＯＰ１を覆い、ｐ型の半導体層１９に接するように、電流狭窄層２１とｐ型の半導体層１９に亘って形成されている。
【００２０】
透明電極２３上に形成された第２多層膜反射器２５と第１多層膜反射器１３とが半導体構造層ＳＥＭを挟み、共振構造を画定する。
【００２１】
第２多層膜反射器２５上の熱伝導層２７は、第２多層膜反射器２５側の開口径が一様な下部金属層２７ａと、テーパー状に広がった開口部を有する上部金属層２７ｂで構成される。上部金属層２７ｂ上に蛍光体層３０が形成されている。素子は、発光波長が４００〜４５０ｎｍとなるように設計されている。たとえば、電導性ミラーの第１多層膜反射器１３がＧａＮ／ＩｎＡｌＮの４０ペア積層から成り、さらに、誘電体ミラーの第２多層膜反射器２５がＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2の８ペア積層から成る。
【００２２】
下部金属層２７ａは第２多層膜反射器２５上にめっき等により、たとえばＣｕ等の金属から形成されることが好ましい。上部金属層２７ｂは板状のＡｌ、Ｓｉ等にエッチング等によって所定断面形状（たとえばテーパー状Ｔ）の開口部が形成されている。そして、開口部表面には、Ａｇ等から成る高反射コーティングすなわち反射膜２９が形成されている。上部金属層２７ｂは、下部金属層２７ａ上に貼り合わせられている。なお、上部金属層２７ｂ上には高反射コート後、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等の誘電体からなる保護層が形成されてもよい。また、熱伝導層２７は、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の熱伝導率の高い材料から形成してもよい。
【００２３】
熱伝導層２７は、電流狭窄層２１の第１の貫通開口ＯＰ１に共軸に配置された第１の貫通開口ＯＰ１の開口径φ１よりも小なる最小開口径φ２を有する第２の貫通開口ＯＰ２の最小開口径の部分を有する。熱伝導層２７の第２の貫通開口ＯＰ２の最小開口径φ２はレーザ出射光ＢＭのビームウエストＢＷの径と等しく設定されることができる。
【００２４】
熱伝導層２７の第２の貫通開口の最小開口径の部分ＯＰ２は、レーザ出射光ＢＭのビームウエストＢＷの位置にある。尚、レーザビームＢＭは蛍光体の表面を透過するときには第２の貫通開口ＯＰ２の最少開口径の部分よりも大きくなる。
【００２５】
なお、反射膜２９は、熱伝導層２７の第２の貫通開口ＯＰ２の最小開口径の部分から蛍光体層３０側の開口縁部までの表面上に形成されている。
【００２６】
レーザ出射面の空間における下部金属層２７ａの開口径は、面発光レーザ素子の出射口径に等しい、またはそれよりも大きい。上部金属層２７ｂの開口径は一定ではなく、ビームウエストＢＷの位置の最小開口径にて狭くなっている。よって、熱伝導層２７の開口部の径は最小でビームウエストＢＷの径と等しくすることができる故に、蛍光体層３０から反射される戻り光の抑制が可能となる。
【００２７】
蛍光体層３０はプレート状のものが好ましい。一般に、青色ＬＤと蛍光体とを組み合わせる方式では、青色ＬＤの光を蛍光体に照射して白色発光させる。よって、たとえば、青色ＬＤの素子部２０に対しては、黄色蛍光体をバインダに分散させた蛍光体層３０や、又は、赤色蛍光体と緑色蛍光体をバインダに分散させた蛍光体層３０が用いられる。青色光（青色ＬＤ）と補色の黄色光（黄色蛍光体）とを混色するより、青色光（青色ＬＤ）と赤色光（赤色蛍光体）と緑色光（緑色蛍光体）との３色を混色した方が、光に赤緑成分が増えるので、より自然な白色光が得られる。
【００２８】
また、電流狭窄層２１であるＳｉＯ2のテーパー角Ψを変えることで、ビームウエスト位置ｈ（すなわち第２多層膜反射器２５の表面からの距離）を制御することができる。ビームウエスト位置ｈを調整して下部金属層２７ａの厚さを増大することで、放熱効果が増大可能となる。
【００２９】
図４に示すように、面発光レーザ素子の出射ビーム広がりに合わせて上部金属層２７ｂの開口部のテーパー角θを設定することで、発光レーザの出射光を上部金属層２７ｂの開口内で遮ることなく、効率良く蛍光体層３０に照射させることができる。
【００３０】
また、図５、図６に示す変形例のように上部金属層２７ｂのテーパー角θによって上部金属層２７ｂの厚みｈｃを制御することもでき、θが大きいほど厚みｈｃは大きくなり、放熱効果が増大する。さらに、厚みｈｃは反射面である蛍光体層３０と上部金属層２７ｂの入射開口の距離でもある故に、厚みｈｃが大きいほど戻り光の抑制効果は大きくなる。
【００３１】
このように、本実施例によれば、素子部２０および蛍光体層３０の極小部における発熱を熱伝導層２７から横方向に拡散させ、素子発光部および蛍光体層３０の放熱効率が向上する。本実施例によれば、アレイ化（４×４）のされた素子構造が半導体的に連続して連なっており、金属層も連続している故に、単一素子の場合よりも高い放熱効果が期待できる。また、戻り光の抑制により素子単体における出力を損なわず、高出力化への貢献が大きい。発光色変換部と素子の一体化（集光レンズ不要）による小型化が可能となる。蛍光体層３０からの戻り光抑制による光損失を低減することが可能となり、自動車前照灯や一般照明への応用が期待できる。
【実施例２】
【００３２】
図７は、本発明による実施例２の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【００３３】
実施例２の素子は、実施例１の上部金属層２７ｂにおけるテーパー状Ｔの所定断面形状の開口部の形状が異なるだけで、構成するその他の要素は実施例１と同一であり、同符号を付し構成、作用についての説明は省略する。
【００３４】
図７に示す実施例２の素子は、開口径が一様な下部金属層２７ａと面発光レーザ素子の出射口径よりも小さな入射開口と、入射開口から放物面状Ｐａに広がった出射開口を有する上部金属層２７ｂで構成される。つまり、上部金属層２７ｂの開口部に放物面ミラーを形成する。
【００３５】
図８に示すように、蛍光体層３０から反射された成分（矢印で示す戻り光）は放物面ミラーＰａを反射し蛍光体層３０に対して垂直な成分となり、効率良く蛍光体層３０に再び入射する。この場合、放物面状に広がるように形成された放物面表面の焦点が蛍光体層３０の表面に位置するように放物面表面Ｐａが形成されている。
【００３６】
この場合、図９に示すように、上部金属層２７ｂの開口部内にはガラス等の透明材料ＴＭを充填して蛍光体層３０の面積を放物面ミラーＰａの解放端部より十分小さくしてもよく、白色光の狭角配光も可能となる。なお、蛍光体層３０には単結晶を用いてもよい。また、図示しないが、上部金属層２７ｂに加え下部金属層２７ａの開口部内にはガラス等の透明材料を充填してもよい。
【実施例３】
【００３７】
図１０は、本発明による実施例３の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【００３８】
実施例３の素子は、実施例１の上部金属層２７ｂにおけるテーパー状Ｔの所定断面形状の開口部の形状が異なるだけで、構成するその他の要素は実施例１と同一であり、同符号を付し構成、作用についての説明は省略する。
【００３９】
図１０に示す実施例３の素子は、開口径が一様な下部金属層２７ａと面発光レーザ素子の出射口径よりも小さな入射開口と、入射開口から階段状Ｓｔに広がった出射開口を有する上部金属層２７ｂで構成される。つまり、上部金属層２７ｂの開口部に階段状ミラーを形成する。
【実施例４】
【００４０】
図１１は、本発明による実施例４の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【００４１】
実施例４の素子は、半導体構造層ＳＥＭにメサ構造を形成して、メサ構造の上面に電流狭窄層２１の開口部と透明電極２３とｐコンタクト層ｐ−Ｃｏを配置し、メサ構造の周囲にｎコンタクト層ｎ−Ｃｏを配置して、実施例１の素子におけるｎコンタクト層ｎ−Ｃｏの位置（基板１１のｐコンタクト層ｐ−Ｃｏの反対側の表面）が異なるだけで、構成するその他の要素は実施例１と同一であり、同符号を付し構成、作用についての説明は省略する。
【００４２】
実施例４の素子においては、ｎコンタクト層ｎ−Ｃｏが半導体構造層ＳＥＭのｎ型の半導体層１３に直接接続され設けられている。これにより、第１多層膜反射器１３を介さないキャリア電子の注入が可能となり注入効率の向上が期待される。この場合、第１多層反射器１３は誘電体多層膜で形成されていても構わない。
【実施例５】
【００４３】
図１２は、本発明による実施例５の面発光レーザ素子の構成の一部を模式的に示す概略断面図である。
【００４４】
実施例５の素子は、実施例４の素子におけるｐコンタクト層ｐ−Ｃｏの形状が異なるだけで、構成するその他の要素は実施例と同一であり、同符号を付し構成、作用についての説明は省略する。
【００４５】
実施例５の素子においては、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏが熱伝導層２７に直接接続され設けられている。これにより、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏを介した更なる放熱性の向上が期待される。ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏと熱伝導層２７を絶縁するか否かは、アレイ化時の素子駆動方式が並列駆動であるか、個別駆動であるかによって適宜使い分ける。たとえば図１２の素子構成において、ｐコンタクト層ｐ−Ｃｏとの接合面にあらかじめ絶縁膜を形成した熱伝導層２７を貼り合わせることで、図１１と同様の電極構成とすることができる。これにより、素子部２０の作製工程終了後であっても、用途に応じた駆動方式の制御が可能である。
【００４６】
なお、本発明の何れの実施例においても、活性層１７を、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造からなる活性層１７を有するように構成された素子にも適用が可能である。また、半導体構造層ＳＥＭがＧａＮ（窒化ガリウム）系半導体からなる場合について説明したが、結晶系はこれに限定されない。また、上記した実施例を適宜、改変及び組合せてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１３  第１多層膜反射器
２５  第２多層膜反射器
３０  蛍光体層
２７  熱伝導層
ＳＥＭ  半導体構造層
【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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【図１２】
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