JP7323836B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は光源装置に関する。

一方の面に凹部を有する第１の基板と、下面が凹部の底面にサブマウントを介して接するように搭載され、側面に光出射領域を有する端面発光型のレーザ素子と、第１の基板の一方の面上に設けられ、レーザ素子の上面に接合材を介して接している第２の基板と、第１の基板と第２の基板に挟持されている板状の波長変換体と、を有する発光装置が提案されている（特許文献１参照）。また、光取り出し口を有するパッケージと、このパッケージ内に配置される半導体レーザダイオードと、周囲がパッケージに密着し、かつレーザダイオードの光路上に配置された可視発光体とを備える半導体発光装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開２０１６－１６７４９２号公報 特開２０１０－２２５９１７号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の発光装置では、発光装置の側面から波長変換体や可視発光体が露出する。このため、波長変換体や可視発光体が空気中の水分により劣化してしまう虞がある。

上記の課題は、例えば、次の手段により解決することができる。

基体と、前記基体上に配置され、複数の貫通孔を備えた透光性部材と、前記複数の貫通孔の一つに配置される半導体レーザ素子と、前記複数の貫通孔のうち前記半導体レーザ素子が配置される貫通孔とは異なる貫通孔内に配置され、前記半導体レーザ素子からの光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材と、前記透光性部材上に配置され、前記複数の貫通孔のうち少なくとも前記半導体レーザ素子が配置される貫通孔と前記波長変換部材が配置される貫通孔とを気密封止する蓋体と、を有する光源装置。

本発明の一実施形態によれば、蓋体により気密封止された透光性部材の貫通孔内に波長変換部材が配置されるため、波長変換部材の劣化が防止された光源装置を提供することができる。

実施形態１に係る光源装置の模式的平面図である。 図１Ａ中の１Ｂ－１Ｂ断面を示す図である。 実施形態１に係る透光性部材の模式的平面図である。 図２Ａ中の２Ｂ－２Ｂ断面を示す図である。 実施形態１に係る光源装置の製造方法を説明する模式的平面図である。 図３Ａ中の３Ｂ－３Ｂ断面を示す図である。 実施形態１に係る光源装置の製造方法を説明する模式的平面図である。 図４Ａ中の４Ｂ－４Ｂ断面を示す図である。 実施形態１に係る光源装置の製造方法を説明する模式的平面図である。 図５Ａ中の５Ｂ－５Ｂ断面を示す図である。 実施形態１に係る光源装置の製造方法を説明する模式的平面図である。 図６Ａ中の６Ｂ－６Ｂ断面を示す図である。 実施形態２に係る光源装置の模式的平面図である。 図７Ａ中の７Ｂ－７Ｂ断面を示す図である。 実施形態３に係る光源装置の模式的平面図である。 図８Ａ中の８Ｂ－８Ｂ断面を示す図である。

［実施形態１に係る光源装置１］
図１Ａは実施形態１に係る光源装置の模式的平面図であり、図１Ｂは図１Ａ中の１Ｂ－１Ｂ断面を示す図である。図２Ａは実施形態１に係る透光性部材の模式的平面図であり、図２Ｂは図２Ａ中の２Ｂ－２Ｂ断面を示す図である。図１Ａでは、点線により、半導体レーザ素子２２と波長変換部材２４を透過的に示している。図１Ａから図２Ｂに示すように、実施形態１に係る光源装置１は、基体１２と、基体１２上に配置され、複数の貫通孔Ｘを備えた透光性部材２０と、複数の貫通孔Ｘの一つに配置される半導体レーザ素子２２と、複数の貫通孔Ｘのうち半導体レーザ素子２２が配置される貫通孔Ｘとは異なる貫通孔Ｘ内に配置され、半導体レーザ素子２２からの光が照射されることにより蛍光を発する波長変換部材２４と、透光性部材２０上に配置され、複数の貫通孔Ｘのうち少なくとも半導体レーザ素子２２が配置される貫通孔Ｘと波長変換部材２４が配置される貫通孔Ｘとを気密封止する蓋体２６と、を有する光源装置である。以下、詳細に説明する。

（基体１２）
基体１２は半導体レーザ素子２２を直接又はサブマウント等を介して載置する部材である。基体１２の材料は窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、ＬＴＣＣ等のセラミック材料や、樹脂材料、シリコン等の単結晶、絶縁層を備えた金属材料などである。基体１２の平面形状は矩形、円形、三角形や六角形等の多角形などである。

（第１導体配線１４、第２導体配線１６）
基体１２上には半導体レーザ素子２２に給電する第１導体配線１４と第２導体配線１６が配置されていてもよい。第１導体配線１４と第２導体配線１６は半導体レーザ素子２２の第１電極２２ｂと第２電極２２ｃとにそれぞれ電気的に接続される。第１導体配線１４や第２導体配線１６の材料はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ又はこれらの金属を主成分とする合金などである。

（外部電極）
基体１２下には第１外部電極３０と第２外部電極３２が配置されていてもよい。第１外部電極３０と第２外部電極３２は基体１２に形成されたビア１８を介して、基体１２上の第１導体配線１４と第２導体配線１６にそれぞれ電気的に接続される。第１外部電極３０と第２外部電極３２の材料はＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕなどである。

（透光性部材２０）
透光性部材２０は基体１２上に配置されている。

透光性部材２０は透光性を有する部材である。透光性とは、半導体レーザ素子２２から出射されるレーザ光及び波長変換部材２４から発せられる蛍光を透過させる性質をいい、例えば、半導体レーザ素子２２から出射されるレーザ光及び波長変換部材２４から発せられる蛍光それぞれの光量の５０％以上、さらには７０％以上を透過させるものが好ましい。透光性部材２０の材料はガラスなどである。特にガラスは透過率が高いため、透光性部材２０の材料として好ましく用いることができる。

透光性部材２０の寸法は基体１２や半導体レーザ素子２２の寸法に応じて適宜選択することができる。

透光性部材２０は複数の貫通孔Ｘを備えている。本実施形態では、透光性部材２０の上方から見た貫通孔Ｘの形状は四角形であるものとするが、これに限定されるものではなく、例えば、円形、楕円形、多角形等を採ることもできる。

透光性部材２０は、複数の部材を、直接または他の部材を介して互いに接合して構成されていてもよいし、一の部材から構成されていてもよい。一の部材から一の透光性部材２０が構成される場合には、部材点数を抑制できる。また、一の部材から構成される場合は、複数の部材が接合されて一の透光性部材２０が構成される場合よりも、空気中の水分が貫通孔Ｘ内へ侵入や混入などすることを抑制することができる。

（半導体レーザ素子２２）
半導体レーザ素子２２は基体１２上に配置される。半導体レーザ素子２２は基体１２（あるいは第１導体配線１４や第２導体配線１６）の上面に直接的に配置されていてもよいし、サブマウントなどの他の部材を介して配置されていてもよい。直接的に配置する場合には光源装置１の高さを低くして、光源装置１の小型化を図ることができる。他方、他の部材を介して配置する場合には、半導体レーザ素子２２の光出射面を基体１２の上面から離すことができる。この結果、半導体レーザ素子２２から出射されたレーザ光が基体１２の上面に当たるのを抑制し、レーザ光を波長変換部材２４に照射しやすくすることができる。サブマウントの材料には窒化アルミニウムや炭化珪素などを用いることができる。

また、半導体レーザ素子２２は複数の貫通孔Ｘの一つに配置される。半導体レーザ素子２２が貫通孔Ｘ内に配置されることにより、例えば、半導体レーザ素子２２に対する光集塵を抑制することができる。

半導体レーザ素子２２から出射されたレーザ光の少なくとも一部は、基体１２上に配置される各部材を、例えば透光性部材２０→波長変換部材２４→透光性部材２０の順に通過して、光源装置１の側面から取り出される。

半導体レーザ素子２２には各種の半導体レーザ素子を用いることができる。本実施形態では、ＧａＮ系半導体レーザ素子を半導体レーザ素子２２として用いている。半導体レーザ素子２２は、例えば、窒化物半導体などを用いて形成される半導体層２２ａと、第１電極２２ｂと、第２電極２２ｃと、を有している。本実施形態では、半導体層２２ａ上に第１電極２２ｂが形成され、半導体層２２ａ下に第２電極２２ｃが形成されるものとするが、第１電極２２ｂと第２電極２２ｃが形成される位置は特に限定されない。第１電極２２ｂは例えばｐ側電極であり、第２電極２２ｃは例えばｎ側電極である。

半導体レーザ素子２２の第１電極２２ｂと第２電極２２ｃはフリップチップ実装やワイヤボンディングなどの方法により、第１導体配線１４と第２導体配線１６にそれぞれ電気的に接続される。フリップチップ実装による場合はバンプなどの接合部材を用いることができ、ワイヤボンディングによる場合はワイヤなどの接合部材２３を用いることができる。

半導体レーザ素子２２の数は任意の数であり、１つであってもよいし、複数であってもよい。複数である場合には、透光性部材２０が有する１つの貫通孔Ｘ内に複数の半導体レーザ素子２２を配置してもよいし、複数の半導体レーザ素子２２を個別の貫通孔Ｘ内に配置してもよい。また、複数の半導体レーザ素子２２が配置される１つ以上の貫通孔Ｘと、１つの半導体レーザ素子２２が配置される１つ以上の貫通孔Ｘと、が混在していてもよい。

（波長変換部材２４）
波長変換部材２４は、複数の貫通孔Ｘのうち半導体レーザ素子２２が配置される貫通孔Ｘとは異なる貫通孔Ｘ内に配置される。これにより、空気中の水分が波長変換部材２４に取り込まれる虞を抑制して、波長変換部材２４の水分による劣化を効果的に防止することができる。また、波長変換部材２４の材料が塵となり、半導体レーザ素子２２に付着することを抑制して、半導体レーザ素子２２に対する光集塵を防止することができる。

波長変換部材２４には、半導体レーザ素子２２からの光が照射されることにより蛍光を発する部材、例えば、蛍光体を焼結させた部材、蛍光体に焼結助剤を添加して焼結させた部材などを用いることができる。波長変換部材２４に用いる蛍光体は、公知の材料から選択することができるが、半導体レーザ素子２２の出射光と組み合わせて白色光が得られるような材料を選択するのが好ましい。例えば、半導体レーザ素子２２から青色光が出射される場合には、半導体レーザ素子２２の出射光を励起光として黄色光を発する蛍光体を用いることができる。黄色光を発する蛍光体としては、ＹＡＧ系の蛍光体が挙げられる。また、半導体レーザ素子２２から青色光よりも短波の光（例えば紫外光等）が出射される場合には、青色、緑色及び赤色の各色を発光する蛍光体を用いることができる。本実施形態では、波長変換部材２４が貫通孔Ｘ内に配置され光源装置１の外部に露出していないため、水分による波長変換部材２４の劣化を防止することができ、例えばフッ化物蛍光体のように潮解性を有する蛍光体も用いることができる。

波長変換部材２４の数は任意の数であり、１つであってもよいし、複数であってもよい。複数である場合には、透光性部材２０が有する１つの貫通孔Ｘ内に複数の波長変換部材２４を配置してもよいし、複数の波長変換部材２４を個別の貫通孔Ｘ内に配置してもよい。また、複数の波長変換部材２４が配置される１つ以上の貫通孔Ｘと、１つの波長変換部材２４が配置される１つ以上の貫通孔Ｘと、が混在していてもよい。

波長変換部材２４の形状は例えば直方体や円柱とすることができる。また、波長変換部材２４の上面視における幅は１ｍｍ以下とすることが好ましい。ただし、波長変換部材２４はこれが配置される貫通孔Ｘとの間に空隙が生じない形状や寸法を有していることが好ましい。つまり、波長変換部材２４は透光性部材２０の貫通孔Ｘに嵌合する形状を有していることが好ましい。このようにすれば波長変換部材２４の内外の屈折率差による光反射を抑える効果がある。

（蓋体２６）
蓋体２６は、透光性部材２０上に配置され、複数の貫通孔Ｘのうち少なくとも半導体レーザ素子２２が配置される貫通孔Ｘと波長変換部材２４が配置される貫通孔Ｘとを気密封止する部材である。蓋体２６が貫通孔Ｘを気密封止することにより、貫通孔Ｘ内に空気中の水分や塵などが侵入や混入などすることを抑制することができる。蓋体２６は、透光性部材２０の上面に、直接的に配置されていてもよいし、後述する反射膜２８などの他の部材を介して配置されていてもよい。蓋体２６の材料は窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、ＬＴＣＣ等のセラミック材料や、樹脂材料、シリコン等の単結晶、絶縁層を備えた金属材料などである。

（反射膜２８）
基体１２と透光性部材２０との間や、透光性部材２０と蓋体２６との間には、半導体レーザ素子２２からの光及び蛍光の少なくとも一方を反射する反射膜２８が配置されていることが好ましい。このようにすれば光源装置１から効率よく側方へ光を取り出すことができる。反射膜２８の材料にはＡｌやＡｇ又はこれらの金属を主成分とする合金などを含むことが好ましい。反射膜２８は、基体１２と透光性部材２０とを接合する役割や、透光性部材２０と蓋体２６とを接合する役割を兼ねていることが好ましい。この接合部分としては、ＡｕやＡｕ－Ｓｎを含むことが好ましい。反射膜２８の積層構造としては、例えば、基体１２から透光性部材２０に向かって、または蓋体２６から透光性部材２０に向かって、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ－Ｓｎ／Ｐｔ／Ａｌの順に積層した構造などが挙げられる。

以上説明した実施形態１に係る光源装置１によれば、蓋体２６により気密封止された透光性部材２０の貫通孔Ｘ内に波長変換部材２４が配置されるため、波長変換部材２４の劣化が防止された光源装置を提供することができる。

（実施形態１に係る光源装置１の製造方法）
図３Ａから図６Ａは、実施形態１に係る光源装置の製造方法を説明する模式的平面図である。また、図３Ｂから図６Ｂは、図３Ａから図６Ａ中の３Ｂ－３Ｂ断面、４Ｂ－４Ｂ断面、５Ｂ－５Ｂ断面、及び６Ｂ－６Ｂ断面をそれぞれ示す図である。以下、これらの図を参照しつつ、実施形態１に係る光源装置１の製造方法について説明する。

まず、図３Ａ、図３Ｂに示すように、基体１２を準備する。基体１２上には第１導体配線１４と第２導体配線１６が配置されており、基体１２下には第１外部電極３０と第２外部電極３２が配置されている。

次に、図４Ａ、図４Ｂに示すように、基体１２と透光性部材２０とを反射膜２８で接合する。なお、基体１２と透光性部材２０との接合は、例えば、基体１２の上面に基体１２側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ－Ｓｎを積層し、その上に、下面に透光性部材２０側からＡｌ／Ｐｔ／Ａｕを積層した透光性部材２０を配置し、加熱することにより接合することができる。また、基体１２の上面と透光性部材２０の下面のそれぞれにＡｇを成膜したものを重ね合わせ、加熱して接合してもよい。

次に、図５Ａ、図５Ｂに示すように、半導体レーザ素子２２と波長変換部材２４を透光性部材２０の異なる貫通孔Ｘ内にそれぞれ配置する。半導体レーザ素子２２の第１電極２２ｂと第２電極２２ｃは、第１導体配線１４と第２導体配線１６にそれぞれ電気的に接続する。本実施形態では、第１電極２２ｂと第１導体配線１４はワイヤボンディングにより電気的に接続するものとし、第２電極２２ｃと第２導体配線１６はダイボンディングにより電気的に接続するものとする。波長変換部材２４は、基体１２と透光性部材２０とを接合する前に、あらかじめ透光性部材２０の貫通孔Ｘ内に篏合または接着させて配置してもよい。

次に、図６Ａ、図６Ｂに示すように、透光性部材２０の貫通孔Ｘが気密封止されるよう、透光性部材２０と蓋体２６を反射膜２８で接合する。透光性部材２０と蓋体２６の接合は、例えば、透光性部材２０の上面に透光性部材２０側からＡｌ／Ｐｔ／Ａｕを積層し、その上に、下面に蓋体２６側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ－Ｓｎを積層した蓋体２６を配置し、加熱することにより接合することができる。また、透光性部材２０の上面と蓋体２６の下面のそれぞれにＡｇを成膜したものを重ね合わせ、加熱して接合してもよい。

以上説明した実施形態１に係る光源装置１の製造方法によれば、波長変換部材２４の水分による劣化が防止された光源装置を実現し得る。

［実施形態２に係る光源装置２］
図７Ａは実施形態２に係る光源装置の模式的平面図であり、図７Ｂは図７Ａ中の７Ｂ－７Ｂ断面を示す図である。図７Ａ、図７Ｂに示すように、実施形態２に係る光源装置２は、蓋体２６の上面に第１外部電極３０と第２外部電極３２が配置され、蓋体２６の下面に第１導体配線１４と第２導体配線１６が配置され、第１外部電極３０と第２外部電極３２が、第１導体配線１４と第２導体配線１６とに、蓋体２６に形成されたビア１８を介してそれぞれ電気的に接続されている点、及び半導体レーザ素子２２がサブマウント３４を介して基体１２に配置されている点で、実施形態１に係る光源装置１と相違し、その他の点で一致する。半導体レーザ素子２２の第１電極２２ｂは、接合部材２３を介して第１導体配線１４に電気的に接続されている。また、半導体レーザ素子２２の第２電極２２ｃはサブマウント３４内に設けられた内部配線を介して、第２導体配線１６に電気的に接続されている。サブマウント３４と第２導体配線１６との間には、スペーサ３８が設けられていてもよい。実施形態２に係る光源装置２によっても、実施形態１に係る光源装置１と同様に、蓋体２６により気密封止された透光性部材２０の貫通孔Ｘ内に波長変換部材２４が配置されるため、波長変換部材２４の水分による劣化が防止された光源装置を提供することができる。

実施形態２では、基体１２側ではなく蓋体２６側に、第１外部電極３０、第２外部電極３２、第１導体配線１４、及び第２導体配線１６が配置されるため、基体１２の材料は必ずしも絶縁性を有している必要がない。したがって、実施形態２によれば、基体１２の材料として、導電性に優れる銅などの金属を用いて、光源装置２の放熱性を高めることができる。

（実施形態２に係る光源装置２の製造方法）
実施形態２に係る光源装置２の製造方法は、基体１２を準備する工程において、第１外部電極３０、第２外部電極３２、第１導体配線１４、及び第２導体配線１６が配置されていない基体１２を用い、透光性部材２０と蓋体２６を接合する工程において、第１外部電極３０、第２外部電極３２、第１導体配線１４、及び第２導体配線１６が配置されている蓋体２６を用いる点で実施形態１に係る光源装置１の製造方法と相違し、その他の点で一致する。実施形態２に係る光源装置２の製造方法によっても、実施形態１に係る光源装置１の製造方法と同様に、波長変換部材２４の水分による劣化が防止された光源装置２を実現し得る。

［実施形態３に係る光源装置３］
図８Ａは実施形態３に係る光源装置の模式的平面図であり、図８Ｂは図８Ａ中の８Ｂ－８Ｂ断面を示す図である。図８Ａ、図８Ｂに示すように、実施形態３に係る光源装置３は、基体１２上に第１導体配線１４が配置され、基体１２下に第１外部電極３０が配置され、これら第１外部電極３０と第１導体配線１４が基体１２に形成されたビア１８を介して電気的に接続されているとともに、蓋体２６上に第２外部電極３２が配置され、蓋体２６下に第２導体配線１６が配置され、これら第２外部電極３２と第２導体配線１６が蓋体２６に形成されたビア１８を介して電気的に接続されている点で、実施形態１に係る光源装置１と相違し、その他の点で一致する。実施形態３に係る光源装置３によっても、実施形態１に係る光源装置１と同様に、蓋体２６により気密封止された透光性部材２０の貫通孔Ｘ内に波長変換部材２４が配置されるため、波長変換部材２４の水分による劣化が防止された光源装置を提供することができる。

（実施形態３に係る光源装置３の製造方法）
実施形態３に係る光源装置３の製造方法は、透光性部材２０と蓋体２６を接合する工程において、第２外部電極３２と第２導体配線１６が配置されている蓋体２６を用いる点で実施形態１に係る光源装置１の製造方法と相違し、その他の点で一致する。実施形態３に係る光源装置３の製造方法によっても、実施形態１に係る光源装置１の製造方法と同様に、波長変換部材２４の水分による劣化が防止された光源装置３を実現し得る。

以上、実施形態について説明したが、これらの説明によって特許請求の範囲に記載された構成は何ら限定されるものではない。

１、２、３ 光源装置
１２ 基体
１４ 第１導体配線
１６ 第２導体配線
１８ ビア
２０ 透光性部材
２２ 半導体レーザ素子
２２ａ 半導体層
２２ｂ 第１電極
２２ｃ 第２電極
２３ 接合部材
２４ 波長変換部材
２６ 蓋体
２８ 反射膜
３０ 第１外部電極
３２ 第２外部電極
３４ サブマウント
３６ 保護素子
３８ スペーサ
Ｘ 貫通孔

Claims (7)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子からの出射光を励起光として蛍光を発する波長変換部材と、
   前記半導体レーザ素子及び前記波長変換部材が配置され、かつ、前記半導体レーザ素子及び前記波長変換部材が配置される空間を気密封止するパッケージと、
   前記半導体レーザ素子が配置されるサブマウントと、
   前記サブマウントに配置されるスペーサと、を有し、
   前記パッケージは、前記半導体レーザ素子及び前記波長変換部材の上方に配置される蓋体を有し、
   前記波長変換部材は、前記半導体レーザ素子の側方に配置され、前記波長変換部材の上面は、前記半導体レーザ素子の上面よりも上方に位置し、前記波長変換部材の上下方向の長さは、前記半導体レーザ素子の上下方向の長さよりも長く、
   前記半導体レーザ素子は、前記蓋体の下面に設けられた第１導体配線と電気的に接続し、かつ、前記蓋体の下面に設けられた第２導体配線と前記サブマウント及びスペーサを介して電気的に接続する、光源装置。
2. 前記半導体レーザ素子は、青色光を出射するＧａＮ系レーザ素子であり、
   前記蛍光は、黄色光であり、
   前記波長変換部材は、焼結により形成される焼結部材であり、前記青色光と前記黄色光とによる白色光を出射する、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記パッケージは、セラミック材料または金属材料で形成される基体と、前記基体に接合される透光性部材と、を有し、前記蓋体は前記透光性部材に接合される、請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記パッケージは、電気的な接続のためにビアが設けられており、かつ、セラミック材料で形成された基体を有し、
   前記半導体レーザ素子は、前記基体のビアを介して外部電極と電気的に接続される、請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記パッケージは、前記半導体レーザ素子及び前記波長変換部材が配置される金属の基体を有し、
   前記半導体レーザ素子は、前記基体とは電気的に接続しない、請求項１又は２に記載の光源装置。
6. 前記透光性部材は、前記半導体レーザ素子が配置される第１貫通孔と、前記波長変換部材が配置される第２貫通孔と、を有する、請求項３に記載の光源装置。
7. 前記波長変換部材の下に配される第１金属膜と、
   前記波長変換部材の上に配される第２金属膜と、をさらに有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。

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