(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
該半導体レーザ素子が搭載される台座と、
該半導体レーザ素子を被覆して封止し、前記半導体レーザ素子からの光を通過させ、かつ前記半導体レーザ素子に近い側から遠い側に向かって広口となる貫通孔を備えるキャップと、
少なくとも一部が前記キャップの貫通孔内に支持され、前記半導体レーザ素子からの光の入射側に曲面を備え、かつ前記半導体レーザ素子からの出射光を透過させる第１の透光部材と、
少なくとも一部が前記キャップの貫通孔内に支持され、蛍光体を含有し、前記半導体レーザ素子からの光の入射側に曲面を備え、かつ前記第１の透光部材の光の出射側全面を被覆して配置され、前記第１の透光部材からの光を透過させる第２の透光部材とを備える半導体発光装置。
【請求項２】
第２の透光部材が、第１の透光部材よりも大きい屈折率を有する請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子は、前記キャップから離間されている請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１の透光部材は、光の入射側の表面が、前記キャップの貫通孔内に配置されてなる請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第２の透光部材は、第１の透光部材よりも低い融点又は軟化点を有する材料により形成されている請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第２の透光部材は、光の出射側に曲面を備える請求項１から５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、半導体発光装置に関し、より詳細には、高輝度で、紫外域光から赤色光を発光する発光ダイオード及び半導体レーザ等の半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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、半導体発光装置にとって大きな課題となっており、このため、種々の開発がなされてきた。
例えば、従来のＬＥＤ発光装置は、カップを有するリードフレーム上にＬＥＤを載置し、ＬＥＤ全体を樹脂で封止している。封止樹脂は、カップ内部を充填する樹脂と、この樹脂を含めたカップ全体を包囲する樹脂とから構成される。このカップ内部を充填する樹脂には、ＬＥＤの発光波長を他の波長に変換又は一部吸収する蛍光物質が含まれており、ＬＥＤからの出射光が蛍光物質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外部へ取り出される。
しかし、このような構成では、カップ内で反射された光の一部が戻り光となって、ＬＥＤに照射され、吸収されることがある。これにより、ＬＥＤの特性が悪化したり、出力光の減少及びライフ特性の悪化を招く。加えて、ＬＥＤと蛍光物質とが直接接触するため、ＬＥＤで発生した熱が蛍光物質に伝搬し、蛍光物質の特性を悪化させるとともに、封止樹脂にも伝搬し、封止樹脂を劣化させるという問題があった(特許文献１〜３参照)。
【０００３】
また、光広がり角の小さい発光装置を得るためには、ＬＥＤから出射された光を、できるだけ多くカップ内面で反射させる必要がある。そのために、カップのＬＥＤ載置面の面積をＬＥＤの底面より大きくし、カップの深さを深くし、ＬＥＤの側面からの光をカップの底面及び斜面の広い面積で反射させる。
しかし、ＬＥＤの側面からの出射光をカップ内で反射させることにより、出射光全体として減少するなどの問題を招く。
【０００４】
また、蛍光物質の特性悪化を改善するために、ＬＥＤ又は半導体レーザと蛍光物質とを離間させて搭載する発光装置では、散乱光がＬＥＤ又は半導体レーザ自体に吸収される割合が増加し、出力光の減少及びライフ特性の悪化がより顕著となり、発光効率の低い発光装置となるという問題もある(特許文献４〜７)。
さらに、上述した発光効率の低下を改善するために、ＬＥＤと蛍光物質とを離間させ、蛍光物質の外周に封止樹脂を設けた発光装置が提案されているが、この場合でも、一部の樹脂がＬＥＤと接触しているため、ＬＥＤの発熱により、樹脂が劣化するという問題がある(特許文献６)。
【特許文献１】特開平１０−１６３５３５
【特許文献２】特開２００６−６０２４４
【特許文献３】特開２００５−１９４３４０
【特許文献４】特開平７−２８２６０９
【特許文献５】特開２００５−１９９８１
【特許文献６】特開平１１−８７７７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、半導体発光素子からの出射光を効率良く外部へ取り出すことができ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】
【０００６】
本発明の半導体発光装置は、
半導体レーザ素子と、
該半導体レーザ素子が搭載される台座と、
該半導体レーザ素子を被覆して封止し、前記半導体レーザ素子からの光を通過させ、かつ前記半導体レーザ素子に近い側から遠い側に向かって広口となる貫通孔を備えるキャップと、
少なくとも一部が前記キャップの貫通孔内に支持され、前記半導体レーザ素子からの光の入射側に曲面を備え、かつ前記半導体レーザ素子からの出射光を透過させる第１の透光部材と、
少なくとも一部が前記キャップの貫通孔内に支持され、蛍光体を含有し、前記半導体レーザ素子からの光の入射側に曲面を備え、かつ前記第１の透光部材の光の出射側全面を被覆して配置され、前記第１の透光部材からの光を透過させる第２の透光部材とを備えることを特徴とする。
この半導体発光装置では、第２の透光部材が、第１の透光部材よりも大きい屈折率を有することが好ましい。
また、前記半導体発光素子は、前記キャップから離間されていることが好ましい。
さらに、前記第１の透光部材は、光の入射側の表面が、前記キャップの貫通孔内に配置されてなることが好ましい。
前記第２の透光部材は、第１の透光部材よりも低い融点又は軟化点を有する材料により形成されていることが好ましい。
前記第２の透光部材は、光の出射側に曲面を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の半導体発光装置によれば、半導体発光素子から出射された光のうち、第２の透光部材で反射し、半導体発光素子側に戻ろうとする光を再反射させることができ、光を効率的に外部へ取り出すことが可能となる。その結果、発光効率の高い半導体発光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の半導体発光装置は、典型的には、図１及び図２に示したように、半導体発光素子（例えば、半導体レーザ、以下、単に「発光素子」と記することがある）１１と、発光素子１１を載置するための台座１２と、発光素子１１を台座１２の一部とともに覆うキャップ１３とを備えて構成される。
キャップ１３は、有底の円筒形状をしており、その上面の略中央部分に、発光素子１１からの出射光が通過する貫通孔１６が形成されている。この貫通孔１６は、発光素子に対向する内側から外側に向かって広口となる形状を有している。また、この貫通孔１６内には、内側から、発光素子からの出射光を透過する第１の透光部材と、第１の透光部材からの光を透過する第２の透光部材とが、この順に配置されている。
台座１２には、発光素子１１の電極（図示せず）とワイヤ１９を介して電気的に接続されたリード１４の一端を鉛直方向に突出させるための貫通孔２０が形成されている。貫通孔２０における台座１２とリード１４との隙間には、絶縁材１５が埋設されている。
【０００９】
なお、本発明の半導体発光装置は、図３に示したように、キャップ２３の側面に、内側から外側に向かって広口となる貫通孔２６が形成され、このキャップ２３が、半導体発光素子１１と台座２２の一部とを覆っていてもよい。
図１０に示すように、通常、半導体発光素子から出射された光のうち、第１の透光部材内１７に進入した光５３ａは、第２の透光部材１８で反射し、半導体発光素子側に戻ろうとする（光：５３ｂ）。しかし、本発明の半導体発光装置によれば、第１の透光部材１７の内表面１７ａ（光入射側表面）で再反射させる（光：５３ｃ）ことができ、光を効率的に外部へ取り出すことが可能となる。また、第２の透光部材の内側表面が、傾斜した内壁を備える貫通孔内に配置されるため、第２の透光部材で反射される光を貫通孔の内壁によって効率的に反射させることができる。
【００１０】
(半導体発光素子)
半導体発光素子としては、発光ダイオード、半導体レーザなど種々のものが利用できる。指向性が高いため、光を一方向へ導波しやすく、出射光を高効率で外部へ取り出すことができることから、半導体レーザが好ましい。
半導体レーザ素子としては、特に限定されず、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に、多重又は単一量子井戸構造を有する活性層を挟持した構造のものが挙げられる。
発光素子から出射される光の波長は特に限定されないが、例えば、青色系レーザ光の場合には、半導体層がIII族窒化物半導体により形成されていることが好ましい。
【００１１】
III族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の導電性又は絶縁性基板上に、下地としてノンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ(０≦ｘ≦１)からな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)からなるｎ型コンタクト層、SiドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ(０≦ｘ≦１)からなるクラック防止層(省略可能)、ノンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ(０≦ｘ≦１)とＳｉドープＧａＮとからなる超格子構造であるｎ型クラッド層、ＧａＮからなるｎ型ガイド層、ノンドープＩｎｘＧａ１−ｘＮ(０＜ｘ＜１)の井戸層とSiドープまたはノンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮ(０＜ｘ＜１)の障壁層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)からなるキャップ層、ドンドープＧａＮからなるp型ガイド層、ドンドープＡｌｘＧａ１−ｘＮ(０≦ｘ≦１)とＭｇドープＧａＮとからなる超格子構造があるｐ型クラッド層、ＭｇドープＧａＮからなる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（共振器端面）に２層以上の反射膜(ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２等)を有する。
【００１２】
なお、発光素子は、台座上に、放熱部材を介して、例えば、ボンディング部材によって設置されることが好ましい。発光素子の台座上への載置は、フェイスダウン実装、フェイスアップ実装、フリップチップ構造等いずれの形態でもよい。フェイスダウン実装とは、発光素子の半導体層側を実装基体(放熱部材)に実装したものである。フェイスアップ実装とは、発光素子の基板側を実装基体(放熱部材)に実装したものである。フリップチップ実装とは、発光素子表面と実装基体とを、アレイ上に並んだ導電性の突起状の端子(バンプ)によって接続する構造である。
【００１３】
本発明の半導体発光装置は、１つの装置に発光素子が、１個のみ搭載されていてもよいし、２個以上搭載されていてもよい。複数の発光素子が搭載される場合は、それらの波長は、同じ波長帯でもよいし、異なっていてもよい。特に、ＲＧＢに対応する発光素子を同じ放熱部材上に配置したものが適している。この場合、放熱部材上に、それぞれ分離した状態で配置されてもよいし、放熱部材上に配置された１つの素子の上に２つの素子が配置されていてもよい。また、放熱部材上に配置された１つの素子の上に、他の２つの素子が１つの素子として形成されているような２波長集積型配置としてもよいし、それらの逆でもよい。このような発光素子の場合にも、効果的に放熱することができる。
【００１４】
放熱部材は、発光素子で発生した熱を逃がす役割を果たすものであり、発光素子の基板よりも熱伝導率が高いものであることが好ましい。また、発光素子と熱膨張係数が近いもの、熱応力を緩和させることができるもの、その表面が無機材料のみで構成されているもの、所定の方向に熱を逃がすことができるもの（例えば、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｃｕ−ダイヤモンド等）のいずれか又は全てを備える材料が好ましい。これらの材料は自己形状保持力を有しているものが容易に組み立てることができるため好ましい。具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−ダイヤモンド、ダイヤモンド、Ｓｉ等又はこれらの組み合わせが挙げられる。
【００１５】
発光素子と放熱部材とを接着させるボンディング部材としては、Ａｕ−Ｓｎ等の合金、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｐｔのような多層構造膜等が挙げられる。ボンディングは、例えば、熱融着することが適している。
【００１６】
また、発光素子として、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、半導体レーザと同じように活性層の端面から光が出射されるものを指す。このようなダイオードは、活性層の屈折率を高くし、光導波作用を起こさせることにより、端面から光の出射を実現している。このように出力面積を絞ることで、半導体発光素子からの出力光を、後述するキャップに形成された貫通孔内へ導波させやすくなり、ひいては、発光素子からの光取り出し効率を向上させることができる。
【００１７】
(台座)
台座は、発光素子を搭載するための部材である。その形状は、特に限定されるものではなく、例えば、平面視、正方形、長方形等の多角形、円形、半円形、楕円形等が挙げられる。台座は、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、真鍮、コバール、ステンレス等の金属、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＡｌＮ等のセラミックス、ダイヤモンド等により形成することができる。なお、台座は、用いる発光素子の光出射形態に応じて、発光素子を水平方向、鉛直方向等、任意の方向に搭載するために、鉛直方向等に立設された壁部を有していてもよい。
このような台座は、必ずしも１つの部品から構成されていなくてもよく、複数の部材又は部位から構成されてもよい。部材又は部位間は、Ａｕ−Ｓｎ等の蝋付け、抵抗溶接、半田付け等で接合することができる。
台座から、リード等を突出させるために、１又は２以上の貫通孔又は凹部が形成されていてもよいし、例えば、台座とリードとの隙間に絶縁材等を埋め込んでいてもよい。絶縁材としては、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックス、シリコーン、エポキシ、芳香族ポリエーテルケトン等の樹脂、低融点ガラス等又はこれらの組み合わせが挙げられる。
【００１８】
(キャップ)
キャップは、発光素子を被覆するためのものであり、特に、台座に搭載された発光素子を気密封止するためのものである。キャップは、特に限定されないが、熱伝導率が高い材料で形成されていることが好ましく、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、コバール、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、真鍮等種々の材料を用いることができる。通常、キャップは、発光素子とは離間され、発光素子を被覆するとともに、台座に、抵抗溶接及び半田付け等で接着される。従って、プロジェクションを用いた抵抗溶接が可能であるＦｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ、コバール等によって形成されていることが好ましい。また、キャップは、酸化等の劣化を防止するため、例えば、Ｎｉ、Ａｇ等のめっき等が施されてもよい。
キャップは、発光素子と離間させて配置することにより、発光素子で発生する熱を、キャップに備えられた後述する第２の透光部材へ伝わり難くすることができるため、発光効率の低下を最小限にとどめることができる。
キャップの形状は、特に限定されるものではなく、例えば、有底の筒型（円柱又は多角形柱等）又は錐台型（円錐台又は多角形錐台等）、ドーム型及びこれらの変形形状等、種々の形状が挙げられる。
【００１９】
キャップは、発光素子の台座への搭載形態に応じて、発光素子の光出射部位に対向する部分に、発光素子からの光を通過させる貫通孔を有している。従って、貫通孔は、キャップの上面又は側面等のいずれの部位に形成されていてもよい。
貫通孔の平面形状は、特に限定されず、例えば、キャップ内側又は外側の平面視で、円形、楕円形、長方形、正方形、菱形等の多角形等が挙げられる。また、キャップ内側と外側とで、異なる平面形状であってもよい。キャップ内側の貫通孔の大きさは、発光素子の出射光の広がり角、発光素子とキャップとの距離等によって適宜調整することができる。
例えば、少なくともキャップ内側においては、発光素子の出射光の外形及び大きさに合わせたもの、つまり、発光素子からの出射光がほぼ全て貫通孔に進入できるものであればよい。ここで、ほぼ全てとは、全体の出射光の８０％以上を意味する。例えば、キャップ内側の貫通孔の面積は、以下の式で表される範囲に設定することができる。
【数１】
0005223447.tif 000002
（式中、Ａ（ｍｍ２）はキャップ内側の貫通孔の面積、Ｌ（ｍｍ）は発光素子とキャップまでの距 離、Ｒ（°）は、発光素子からの出射光の広がり角を表す（図９参照））。
【００２０】
具体的には、図９に示すように、発光素子１１の光出射面である端面の幅が０．０３〜０．８ｍｍ程度、厚みが０．０１〜０．８ｍｍ程度、面積が０．０００９〜０．５ｍｍ2程度とし、さらに、発光素子からの出射光の広がり角Ｒを１０〜６５°程度とし、発光素子１１と貫通孔１６との距離Ｌを０．０２〜０．８ｍｍ程度とすると、貫通孔１６のキャップ内側の直径ａは、０．０１〜０．８ｍｍ程度、断面積Ａは０．００００７６〜０．５ｍｍ2程度とすることができる。
貫通孔は、キャップの内側（発光素子に近い側）から外側に（発光素子に遠い側）向かって広口となっている。つまり、発光素子から遠ざかる方向へ向かって、平面形状（横断面積）が大きくなっている。従って、貫通孔の形状としては、逆円錐台形状、カップ形状等が挙げられる。貫通孔のキャップ内側から外側への広がりの程度は、特に限定されるものではないが、例えば、貫通孔の外周に広がるキャップ表面に対して３０〜７５°程度の傾斜角（例えば、図２のα）を有していることが好ましい。このような傾斜角に設定することにより、後述する第２の透光部材の内側表面で反射する光を、貫通孔の内壁によって効率的に反射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。
なお、貫通孔には、後述する、少なくとも一部の第２の透光部材が支持されており、さらに、この第２の透光部材の発光素子側に、半導体発光素子からの光を透過させる第１の透光部材の少なくとも一部を支持している。貫通孔は、第２の透光部材の全てを貫通孔内で支持していなくてもよく、例えば、キャップ外側に突出するように配置されていてもよい。また、第１の透光部材の全てを貫通孔内で支持していてもよいが、例えば、キャップ内側に突出するように配置されていてもよい。
【００２１】
キャップは、さらに、反射部材を備えていてもよい。反射部材は、発光素子から出射された光、波長変換部材から放出された光又は光拡散材により拡散された光を反射させる。反射部材は、例えば、第２の透光部材が配置される部位及びその周辺、つまり、貫通孔の内壁の一部又は全面、台座の一部又は全面、キャップの内側及び／又は外側の一部又は全面等に配置されていることが好ましい。このような反射部材を配置することにより、意図しない方向に出射及び／又は反射した光を、再反射させることにより外部に効率的に取り出すことが可能となり、光取り出し効率を向上させることができる。
反射部材は、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｉｎ、Ｐｄ、Ｔｉ等の金属、Ｉｎ−Ａｇ、Ａｕ−Ａｇ、Ａｇ−Ｂｉ、Ａｇ−Ｎｄ−Ｃｕ、Ａｇ−Ａｕ−Ｃｕ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ−Ａｇ−Ａｌ、Ｔｉ−Ａｇ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｎｉ−Ａｕ−Ａｇ、Ｎｉ−Ａｕ−Ａｇ、Ａｕ−Ａｇ−Ａｌ、Ｔｉ−Ａｇ、Ａｇ−Ａｌ等の合金、ＡｌＮ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ５、ＺｎＳ、ＭｇＦ２等又はこれらの組み合わせの単層膜又は積層膜等により形成することができる。なお、反射部材の厚みは特に限定されないが、例えば、貫通孔内を塞がないように、貫通孔の内壁に沿って形成されることが好ましい。
【００２２】
反射部材は、保護膜で被覆されていてもよい。保護膜は、反射部材の劣化を抑制する機能を果たし、これにより、発光装置の寿命を長くすることができる。反射部材が外部と接することを防ぎ、反射部材自体の化学反応及び汚染を防止する。
保護膜は、光透過率の高い材料で形成されることが好ましい。これにより、反射部材で反射した光を効率良く、外部へ取り出すことができる。具体的には、ＺｎＯ、ＳｉＯ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＩＴＯ、ＭｇＦ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮガラス、セラミックス（ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＧａＮ等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等又はこれらの組み合わせが挙げられる。
また、保護膜は、第２の透光部材及び第１の透光部材とキャップとの接着に寄与することもできる。これにより、第２の透光部材及び第１の透光部材のキャップへの密着強度を向上させることができる。
なお、保護膜の厚みは特に限定されないが、例えば、貫通孔内を塞がないように、反射部材の全て覆うように形成することが好ましい。
【００２３】
(第２の透光部材)
第２の透光部材は、発光素子からの光を通過させる部材であり、実質的に透明であることが必要である。ここで透明とは、発光素子から出射された光の吸収率が低いこと、言い換えると、発光素子から出射された光の６０％以上、８５％以上、さらに９０％以上を透過させることができることを指す。
また、第２の透光部材は、後述するように、大気及び後述する第１の透光部材より屈折率が大きいことが好ましい。
【００２４】
第２の透光部材は、例えば、ガラス、石英ガラス、サファイア、セラミック(ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＧａＮ等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等又はこれらの組み合わせにより形成することができる。また、第２の透光部材は、後述するように、波長変換部材が第２の透光部材内に存在する場合があるため、発光素子からの出射光が波長変換部材を照射し、波長変換された光の吸収率が低い材料であることがさらに好ましい。
【００２５】
第２の透光部材の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、半球状、レンズ状、円盤状、円錐形状、円錐台形状又は平面視が多角形形状に加工されたこれらの形状等が挙げられる。なかでも、球状、半球状等、光の入射側及び／又は出射側に曲面を備えるもの、特に光の入射側に曲面を備えるものが、反射による発光素子への戻り光を最小限にとどめることができるとともに、光取り出し効率が高くなることから好ましい。第２の透光部材が曲面によって形成されている場合には、良好な配向特性を得るために、この第２の透光部材は、貫通孔の中心に位置する部分及び／又はその周辺が最上点に位置していることが好ましい。なお、第２の透光部材の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、０．００１ｍｍ〜１ｍｍ程度が例示される。第２の透光部材の厚みは、全面にわたって均一であることが好ましい。
第２の透光部材は、貫通孔内に配置した第１の透光部材を被覆するように、第２の透光部材を構成する材料を、加熱・溶解し、その量を制御しながら、貫通孔内に導入することにより形成することができる。具体的には、雰囲気加熱による融着、ランプヒータによる加熱融着、レーザ光による加熱融着又は治具を熱することによる融着等の方法を利用することができる。
【００２６】
また、第２の透光部材は、半導体発光素子から入射される光の反射を低減させるためのフィルタが、その表面に形成されていてもよい。フィルタとしては、単層膜又は多層膜のいずれでもよく、特に、多層膜を用いる場合、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に成膜することが好ましい。具体的には、ＡｌＮ、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ、Ａｌ２Ｏ３、Ｔｉ３Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｅＯ５、ＺｎＳ、ＭｇＦ２等又はそれらの組み合わせが挙げられる。
【００２７】
第２の透光部材は、波長変換部材及び／又は光拡散材を含有していることが好ましい。なお、このような材料を含有するか否かにかかわらず、第２の透光部材は、単層で形成されていてもよいし、材料の異なる複数層の積層構造であってもよいし、さらに波長変換部材及び／又は光拡散材の１又は２以上を単層又は複数層において含有するように形成されていてもよい。
【００２８】
波長変換部材は、発光素子から出射された光が照射されることで、波長変換した光を発するものであり、これにより、発光素子の光と、波長変換部材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できる。換言すれば、必要に応じた波長変換部材を選択することで、所望の波長の光を取り出すことができる。波長変換部材は、１種のみでもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、波長変換物質を用いて、白色光を得る方法として以下の方法が例示される。第１の方法は、発光素子から発光される青色光で、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され、白色光として放出される。第２の方法は、発光素子から放出される紫外光により、赤色、青色、黄色蛍光体を励起させる。波長変換された３色光が混色され、白色として放出される。第３の方法は、発光素子から放出された青色光により、緑色、赤色蛍光体を励起させる。波長変換された２色光と発光素子の光が混色され、白色として放出される。
【００２９】
波長変換部材は、特に限定されるものではないが、代表的には、銅で賦活された硫化カドミ亜鉛、セリウムで賦活されたＹＡＧ系蛍光体及びＬＡＧ系蛍光体、ＣＡＳＮ、ＣＡＳＢＮ、ＣＣＡ、βサイアロン、シリケート、ＣａＳ、Ｓｒチオガレート等の蛍光体又はこれらの組み合わせが挙げられる。さらに、例えば、特開２００５−８８４４号公報等に例示されている公知の蛍光体を波長変換部材として用いることができる。
【００３０】
光拡散材としては、発光素子から出射された光及び／又は波長変換部材にから出射された光を拡散させる。これにより、発光素子の光を均一に放射させることができ、色分布の良好な光を得ることができる。例えば、窒化アルミニウム、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、シリカ（ヒュームシリカ、沈降性シリカ等）、チタン酸カリウム、ケイ酸バリウム、ガラスファイバー等及びこれらの２種以上の組み合わせが挙げられる。
なお、第２の透光部材の横断面積の最大値は、貫通孔の横断面積の最小値より大きいことが好ましい。これにより、発光素子から出射された光のうち、第２の透光部材の発光素子側表面で反射された戻り光の一部を、貫通孔における内壁で再反射させて、外部へ効率的に取り出すことができる。
【００３１】
(第１の透光部材)
第１の透光部材は、主としてキャップにおける貫通孔内で支持され、かつ、発光素子からの光を直接透過させ、その後方に配置する第２の透光部材に光を入射させるための部材であり、透明であることが必要である。また、上述した第２の透光部材の材料等にもよるが、この第２の透光部材の融点又は軟化点よりも、高い融点又は軟化点を有するものが好ましい。このような材料を用いることにより、上述したように、この第１の透光部材を被覆するように、後述する融着等による第２の透光部材の形成に、十分に耐性を有し、第２の透光部材の形成を容易かつ簡便に行うことを可能とする。
さらに、第１の透光部材は、大気の屈折率（波長４００〜８００における屈折率：約１）より大きい屈折率（ｎin）を有し、上述した第２の透光部材の屈折率（ｎout）より小さい屈折率を有している（つまり、１＜ｎin＜ｎout）ことが好ましい。ここでの屈折率差は、特に限定されないが、例えば、第１の透光部材の屈折率は、第２の透光部材の屈折率が１．８〜２．０程度であれば、１．６〜１．７９程度（好ましくは、１．６〜１．７程度）であることことが例示される。
【００３２】
通常、発光素子から出射した光が直接上述した第２の透光部材に入射した場合、大気と第２の透光部材との界面による反射によって、その光が発光素子側に戻ることがあり、光の取り出し効率を減少させる。一方、発光素子から出射した光は、まず、第１の透光部材を通過し、次いで、第２の透光部材に入射する。これにより、第１の透光部材によって、第２の透光部材表面での光の反射を緩和することができる。言い換えると、半導体発光素子の出射光を直接第２の透光部材へ進入させる場合に生じる、第２の透光部材の前面における反射の影響を低減させることができる。つまり、半導体発光素子からの光の第２の透光部材での反射を、第１の透光部材を配置することにより、第１の透光部材の前面で再反射させることができる。また、第２の透光部材表面で反射し、発光素子側に戻ろうとする光を、第２の透光部材と第１の透光部材との界面で再反射させることができる。その結果、戻り光を低減することができ、ひいては、効率良く半導体発光素子の光を外部へ取り出すことができ、発光効率を向上させることができる。このことは、上述したような第１の透光部材及び第２の透光部材の屈折率の関係を備えている場合に、特に有効である。
第１の透光部材は、発光素子（特にＬＤを用いた場合）に近い側に配置されるため、融点が低い場合には、出射光に起因する熱により変形することがある。また、通常、第１の透光部材は、２つの熱源（発光素子と蛍光体（を含有する第２の透光部材））との間に配置される。従って、融点の高いものであることが好ましい。例えば、石英ガラス、サファイア、セラミックス（ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＧａＮ等)、樹脂(シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等)等又はこれらの組み合わせにより形成することができる。第１の透光部材の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば、０．００１ｍｍ〜１ｍｍ程度が例示される。この厚みは、必ずしも全面にわたって均一でなくてもよい。
【００３３】
第１の透光部材の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、球状、半球状、レンズ状、円盤状、円錐形状、円錐台形状又は平面視が多角形形状に加工されたこれらの形状等が挙げられる。なかでも、球状、半球状等、光の入射側及び／又は出射側に曲面を備えるものが、その表面で反射して発光素子側に戻る光を低減させることができ、あるいは、光取り出し効率を向上させることとなり、好ましい。なお、第１の透光部材は、貫通孔の最下面（キャップの内側表面）よりも、貫通孔側に、その下面が配置していることが好ましい。
透明部材は、上述したような、光拡散材を含有していてもよい。
また、第１の透光部材は、半導体発光素子から入射される光の反射を低減させるためのフィルタが、その表面に形成されていてもよい。フィルタとしては、単層膜又は多層膜のいずれでもよく、特に、多層膜を用いる場合、高屈折率材料と低屈折率材料を交互に成膜することが好ましい。具体的には、上述した第２の透光部材におけるフィルタと同様のものが例示される。
以下に、本発明の半導体発光装置の実施例を図面に基づいて説明する。
【００３４】
実施例１
この実施例における半導体発光装置１０は、図１及び図２に示すように、発光素子１１、発光素子１１を搭載するための円盤状の台座１２と、発光素子１１を台座１２の一部とともに被覆するキャップ１３とを備えて構成される。
発光素子１１としては、ピーク波長４４５ｎｍの半導体レーザ素子を用いた。
キャップ１３は、円筒の上端が環状の上面により被覆された形状を有しており、このキャップ１３には、発光素子１１の光出射面に対向する部位に、発光素子１１からの出射光が通過する円形の貫通孔１６が形成されている。この貫通孔１６は、発光素子１１に対向する内側から外側に向かって広口となる形状を有している。貫通孔１６の直径は、キャップ１３の内側で２００μｍ、外側で１０００μｍであり、貫通孔の内壁の傾斜角（図２中、α）は、６０°である。発光素子１１の光出射面からキャップ１３（貫通孔１６）までの距離は、ほぼ２５０μｍである。また、キャップ１３の厚みは、例えば、０．８５ｍｍ程度である。
【００３５】
この貫通孔１６内には、内側から、発光素子１１からの出射光を透過する第１の透光部材１７と、第１の透光部材からの光を透過する第２の透光部材１８とが、この順に配置されている。
第１の透光部材１７は、サファイアによって形成され、直径が約０．４ｍｍのほぼ球状の形状を有している。この第１の透光部材１７の屈折率は１．７６であった。
第２の透光部材１８は、蛍光体としてＹＡＧ及びＬＡＧ、拡散材としてＳｉＯ２が含有された硼珪酸ガラスによって形成されており、第１の透光部材１７の球面に沿って、厚み約０．４ｍｍで第１の透光部材１７を被覆している。第２の透光部材１８は、キャップ１３の貫通孔１６内に、低融点ガラスを用いて接着されている。この第２の透光部材１８の屈折率は１．８であった。
【００３６】
台座１２は、銅と鉄との合金により形成されており、用いる発光素子１１の形態に対応して、略鉛直方向に立設された壁部１２ａを備えていている。台座１２には、発光素子１１の電極（図示せず）とワイヤ１９を介して電気的に接続され、台座１２に対して垂直方向に配置されたリード１４の一端を突出させるための貫通孔１２ｂが形成されている。貫通孔１２ｂにおける台座１２とリード１４との隙間には、絶縁材１５として、低融点ガラスが埋設されている。このリード１４により、外部電極と電気的に接続可能となる。
【００３７】
この半導体発光装置の光取り出し構造は、例えば、以下のように形成することができる。
まず、所望の金属からなる板を加工して上述した形状のキャップを準備する。
キャップの上面の中央部分に貫通孔を形成する。この貫通孔の形成は、例えば、切削加工、プレス加工、射出成形、パンチ加工等により形成することができ、この際、内側から外側に広口となる形状に制御する。
また、貫通孔の最小直径よりも大きく、最大直径よりも小さく、かつ、キャップの上面の厚みよりも小さな直径を有する球形の第１の透光部材を準備する。
波長変換部材として蛍光体を含有する第２の透光部材を構成するガラスを準備する。
その後、キャップの貫通孔内に、球形の第１の透光部材を載置し、第１の透光部材よりも低融点の材料、例えば、低融点ガラスを用い、９００℃の雰囲気加熱による融着により、第１の透光部材をキャップに固定する。
続いて、第１の透光部材の表面であって、キャップの貫通孔内に第２の透光部材材料を配置し、８００℃の雰囲気加熱で、表面を金型で押さえながら融着により、第２の透光部材を第１の透光部材に固定する。
【００３８】
このように構成された半導体発光装置では、発光素子１１から出射された光は、貫通孔１６を通過後、透過部材１７に入射し、その後、第２の透光部材１８に入射し、第２の透光部材１８内の蛍光体により波長変換される。体発光素子の青色と、蛍光体より得られた黄色及び緑色との混色により、非常に効率の高い白色が得られた。
【００３９】
なお、比較例として、図１１に示すように、キャップ１３の貫通孔１６内に、蛍光体及び拡散材を含有した第２の透光部材９８のみを備える以外は、実質的に実施例１の半導体発光装置と同じ構成の半導体発光装置３０を作製した。
上述した図２に示す半導体発光装置と、図１１に示す比較例の半導体発光装置とを用いて、発光素子の出力を変化させた場合の光束を測定した。
その結果を図１２に示す。
図１２によれば、図２に示す半導体発光装置（実線）では、比較例の半導体発光装置（点線）に対して、４００ｎＷの出力時において、光束が約３６％向上することが確認された。
【００４０】
このように、実施例における半導体発光装置では、貫通孔がキャップの内側から外側にかけて広口となっていることから、発光素子から出射する光の、この貫通孔からの戻り光を効果的に再反射させることが可能となる。その結果、光の取り出し効率を増大させることができる。
また、貫通孔内において、半導体素子に近い側から順に、第１の透光部材及び第２の透光部材が配置されているため、発光素子から出射された光のうち、第２の透光部材と第１の透光部材との界面で反射して発光素子側に戻ろうとする光を、第１の透光部材と大気との界面で効率的に再反射させることが可能となる。その結果、戻り光を効果的に防止することができる。
特に、第１の透光部材の底面（最も発光素子に違い側）が貫通孔内に配置されている場合には、発光素子から出射された光のうち、第１の透光部材と大気との界面で反射して発光素子側に戻ろうとする光をも、貫通孔の内壁によって効率的に反射させることができる。よって、戻り光をより効果的に防止することができる。
【００４１】
一方、比較例の半導体発光装置では、第２の透光部材と大気との界面において、発光素子からの出射光の一部が反射し、実施例１の半導体発光装置と比較して、光の取り出し効率をより低下させる。
【００４２】
実施例２
この実施例の半導体発光装置４０は、図４に示したように、キャップ１３の貫通孔の内壁から、キャップ１３の外側の表面の一部に、Ａｇによる反射部材４１設けたこと以外、実施例１の半導体発光装置と同様である。
この反射部材４１は、例えば、スパッタ法によって形成することができる。
この反射部材４１を設けることにより、第２の透光部材１８及び／又は第１の透光部材１７のキャップ１３の内側の表面において反射して発光素子１１側に戻ろうとする光を、貫通孔１６の傾斜の程度と相まって、効果的にキャップ１３の外側に取り出すことができる。
【００４３】
実施例３
この実施例の半導体発光装置５０は、図５に示したように、キャップ１３の貫通孔の内壁から、キャップ１３の外側の表面の一部に、Ａｇによる反射部材５１及びＳｉＯ２による保護膜５２を設けたこと以外、実施例１の半導体発光装置と同様である。
この反射部材５１を設けることにより、実施例２と同様の効果を得ることができるとともに、保護膜５２を設けることにより、反射部材の劣化を防止することができる。
【００４４】
実施例４
この実施例の半導体発光装置６０は、図６に示したように、キャップ１３の貫通孔内から、キャップ１３の外側の表面の一部に、第２の透光部材６８が凸状に形成されている以外、実施例１の半導体発光装置と同様である。
これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
実施例５
この実施例の半導体発光装置７０は、図７に示したように、キャップ１３の貫通孔内から、キャップ１３の内側の表面の一部に、第１の透光部材２７が下に凸状に形成されている以外、実施例１の半導体発光装置と同様である。
これにより、実施例１とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００４６】
実施例６
この実施例の半導体発光装置８０は、図８に示したように、キャップ１３の貫通孔内において、第１の透光部材８７及び第２の透光部材８８が平坦に形成されている以外、実施例１の半導体発光装置と同様である。
これにより、実施例１とほぼ同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、内視鏡用光源、ヘッドライド、検査機光源、センサー光源、ディスプレイバックライト、光通信に用いられる光源として最適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の半導体発光装置の外観斜視図である。
【図２】図１の半導体発光装置の概略縦断面図である。
【図３】本発明の別の半導体発光装置の概略縦断面図である。
【図４】本発明の実施例２の半導体発光装置を示す概略縦断面図である。
【図５】本発明の実施例３の半導体発光装置を示す概略縦断面図である。
【図６】本発明の実施例４の半導体発光装置を示す概略縦断面図である。
【図７】本発明の実施例５の半導体発光装置を示す概略縦断面図である。
【図８】本発明の実施例６の半導体発光装置を示す概略縦断面図である。
【図９】本発明の半導体発光装置の半導体発光素子と貫通孔との位置及び形状等の関係を説明するための概略縦断面図である。
【図１０】本発明の半導体発光装置における光の進路を説明するための要部の概略図である。
【図１１】比較例１における半導体発光装置の縦断面図である。
【図１２】図２及び図１１の半導体発光装置における出力−光束特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０  半導体発光装置
１１  発光素子
１２、２２  台座
１２ａ  壁部
１３、２３  キャップ
１４  リード
１５  絶縁体
１６、１２ｂ、２６  貫通孔
１７、７７、８７  第１の透光部材
１７ａ  内表面
１８、６８、７８、８８、９８  第２の透光部材
１９  ワイヤ
４１、５１  反射部材
５２  保護膜
５３ａ、５３ｂ、５４ｃ  光
【図１】
0005223447.tif 000003
【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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