JPH0799372A

JPH0799372A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JPH0799372A
Application number: JP13561894A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Sasai; 洋一佐々井; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Akira Takamori; 晃高森; Seiji Onaka; 清司大仲
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-08-02
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1995-04-11
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JP3351103B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力、高信頼性、及び高効率を有する半導
体発光素子を提供する。【構成】半導体発光素子１は、半導体発光チップ４及
び銅ブロック３を包み込むように設けられたキャップ７
を有している。半導体発光チップ４から出射された光は
ガラス板９を通過して半導体素子１の外部へ出射され
る。キャップ７は、ステム２に溶接されており、ステム
２及びキャップ７によって形成される空間には空間１１
を残すように、絶縁性不活性液体１０が封入されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ、発光ダ
イオードなどの半導体発光素子に関し、特に高出力、高
効率の半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高出力の半導体レーザやＬＥＤな
どの半導体発光素子が求められている。発光素子の高出
力での動作は、動作電流の増大及び動作時の発熱の増大
を招き、発光素子の寿命及び信頼性に大きな影響を与え
ている。

【０００３】図１４は従来の半導体発光素子１０１の断
面を示している。従来の半導体発光素子１０１は放熱特
性を向上させるため、ステム１０２上に銅ブロック１０
３を設け半導体レーザチップ１０４をフェイスダウンで
銅ブロック１０３にダイボンドしている。銅ブロック１
０３上に熱伝導特性の良いダイアモンドなどのサブマウ
ント（図示せず）を設け、サブマウント上に半導体レー
ザチップ１０４を実装する方法もとられている。

【０００４】この半導体レーザチップ１０４はワイヤ１
０５を介してリード線１０６に接続されており、半導体
チップ１０４から出射された光はガラス板１０６の設け
られたキャップ１０８の開口部１０７から外部へ出射さ
れる。キャップ１０８の内部は、空気あるいは不活性ガ
スからなる気体１０９で満たされている。

【０００５】また、このような従来の発光素子から出射
される光の波長を変換するための波長変換素子が知られ
ている。特開昭６３−１２８９１４には半導体レーザと
波長変換素子を用いた青色レーザ光源および光情報記録
装置が示されている。また、特開平１−２３７８８７及
び特開平１−６３７３１には、半導体レーザと、半導体
レーザ光を集光するレンズと、波長変換素子と、波長変
換素子の劣化を防止するための不活性媒体からなる半導
体装置が示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術による半導体発光素子では、主として半導体レ
ーザチップ１０４と銅ブロック１０３の接触部分からの
み動作により生じた熱が放散されるため、放熱効率低
い。このため特に半導体発光素子１０１を高出力で動作
させると、低い放熱効率のために半導体レーザチップの
温度が非常に上昇し、半導体発光素子１０１の劣化が著
しいという問題が生じていた。

【０００７】また、上述の半導体発光素子と波長変換素
子とを有する半導体装置では、半導体チップから出射さ
れる光の出射角が広いために、半導体レーザチップから
出射した光をすべてレンズや波長変換素子へ導くことが
難しかった。その結果外部出射効率が悪くなっていた。
複数のレンズを用いて半導体チップから出射される光を
集光することも可能であるが、装置の構造が複雑にな
り、製造コストの上昇を招いたり、小型の装置に製造す
ることが難しかった。

【０００８】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、簡単な構成
により、高出力、高信頼性、及び高効率を有する半導体
発光素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は発光面を有する半導体発光チップと、該半導体発光チ
ップを包むキャップと、該キャップの内部に空間を残す
ように満たされた絶縁性不活性液体とを備えており、そ
のことにより上記目的が達成される。

【００１０】前記キャップは底部に開口を有する凹部が
設けられた面と、該開口に設けられた該半導体発光素子
が発光する光を透過する材質でできた透明板とを有し、
前記発光面の全面と該透明板の全面との間が前記絶縁性
不活性液体で満たされていてもよい。

【００１１】前記透明板は光学レンズであってもよい。
また、前記半導体発光素子は更に前記キャップ内に封入
されたマイクロカプセルと、該マイクロカプセルが発光
面から出射される光を遮らないようにするための手段と
を有し、前記空間はマイクロカプセルに内包されていて
もよい。

【００１２】別な実施例による本発明の半導体発光素子
は発光面を有する半導体発光チップと、入口及び出口を
有し該半導体発光チップを包むキャップと、該キャップ
の内部に満たされた絶縁性不活性液体と、該入口及び出
口にそれぞれ接続された吐出口及び吸入口を有するポン
プと、該絶縁性不活性液体の温度を一定に保つために該
キャップと該ポンプの間に接続された恒温槽とを備えて
おり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１３】また、更に別な実施例による本発明の半導
体発光素子は半導体レーザチップと、該半導体レーザチ
ップから出射された第１の波長を有する光を入射させ、
該第１の波長と異なる第２の波長の光を出射する光波長
変換素子と、該半導体レーザチップ及び該光波長変換素
子とを包む筐体と、該筐体の一部に設けられた、該第２
の波長の光を集光するための光学レンズと、該半導体レ
ーザチップと該光波長変換素子との間及び該光波長変換
素子と光学レンズとの間に該筐体の一部分に空間を残す
ように満たされた絶縁性不活性液体とを備えており、そ
のことにより上記目的が達成される。

【００１４】前記絶縁性不活性液体はフッ素系不活性液
体であることが好ましい。更に前記絶縁性不活性液体が
塩素を含まないフッ素系不活性液体であることが好まし
い。

【００１５】また、前記空間の体積と前記絶縁体の体積
との割合は、約１：９であることが好ましい。

【００１６】

【作用】高屈折率を有する不活性液体を、高い熱伝導性
を有し、発光体の発光面や素子の光出射面と良好に光学
的接続が可能な光学媒体として半導体発光素子に用い
る。

【００１７】これにより、半導体発光チップの熱放散は
銅ブロックからだけでなく、不活性液体を通じておこな
われるため、チップ全体を冷却することが可能となり、
半導体発光素子の温度特性のみならず信頼性向上がはか
れる。

【００１８】不活性液体を封入するための容器には空間
を設けているため、温度変化による不活性液体の体積膨
張を吸収しうる。また、半導体レーザもしくは光波長変
換素子から出射したレーザ光の出射角の広がりを抑え、
効率よく集光レンズもしくは光波長変換素子に入射させ
ることが可能となる。したがって、集光レンズなどの光
学レンズの開口径ＮＡを小さくでき、またレーザ光源装
置の小型化、低コスト化が可能となる。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明を実施例について説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
による半導体発光素子１の断面図を示している。半導体
発光素子１は、ステム２、ステム２上に設けられた銅ブ
ロック３、及び銅ブロック３の一部にダイボンディング
された半導体レーザチップ４を有している。ステム２に
はリード線５が設けられており、半導体発光チップ４と
ワイヤ６を介して接続されている。半導体発光素子１
は、半導体レーザチップ４及び銅ブロック３を包み込む
ように設けられたキャップ７を有している。キャップ７
には開口部８が設けられており、開口部８にガラス板９
がとりつけられている。半導体発光チップ４から出射さ
れた光はガラス板９を通過して半導体素子１の外部へ出
射される。ガラス板９は、半導体レーザチップ４から出
射される光を透過する材料でできている。キャップ７
は、ステム２に溶接されている。ステム２及びキャップ
７によって形成される空間には空間１１を残すように、
絶縁性不活性液体１０が封入されている。

【００２１】絶縁性不活性液体１０は、電気的に絶縁性
であり、かつ半導体発光チップ４の材料と反応しない液
体であることが必要である。更に絶縁性不活性液体１０
は、半導体発光チップ４から発光される光を吸収しない
ことが必要である。具体的には、エーテル、アルコー
ル、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）、エチレングリコー
ル、フッ素不活性液体などが適している。特に、フッ素
系不活性液体は１×１０ ¹⁴Ωｃｍ以上の比抵抗を有し、
また、１μｍ以下の波長の光を吸収しないので本発明に
用いる絶縁性不活性液体として適している。

【００２２】図２は、自然対流による空気とフッ素系不
活性液体との熱伝導率の比較を示す。フッ素系不活性液
体は、空気および窒素ガスと比べ約一桁高い熱伝導率を
有しており、この値は、水とほぼ同等である。したがっ
て、半導体レーザチップ４が発生する熱は、銅ブロック
３と半導体レーザチップ４との接続面から放熱されるだ
けではなく、半導体レーザチップ４の表面全体から絶縁
性不活性液体１０へ放熱される。また、半導体レーザチ
ップ４の表面に対して絶縁性不活性液体１０は不活性な
ため、特にアルミニウムを含む半導体からなる半導体レ
ーザチップ４の発光端面が酸化し、劣化するのを防止で
きる。フッ素系絶縁性不活性液体として例えば、商品名
フレオン、商品名フロリナートなどのフッ素系炭化水素
が適している。本実施例では、フッ素系不活性液体とし
て徳山曹達（株）製ＩＬ２７０を用いるが、他の種類の
フッ素系不活性液体であってもよいことは容易に理解さ
れる。

【００２３】図３はフッ素不活性液体ＩＬ２７０の密度
の温度依存性を示す。０℃から５０℃の間に約１０％密
度が減少している。したがって、キャップ７及びステム
２内に封入された絶縁性不活性液体が、温度上昇ととも
に熱膨張をおこし、パッケージの形状が変形、もしくは
破損しないように、空間１１の設ける必要があることが
わかる。半導体レーザの保存温度範囲は、通常、ー２０
℃から８０℃、組立実装時の温度は約２５℃であるか
ら、キャップ４及びステム２によって形成される全空間
の体積に対し空間１１の体積が約１０％以上残るように
絶縁性不活性液体１０を封入することが好ましい。

【００２４】図１を参照しながら半導体発光素子１の製
造方法を説明する。ステム２、リード線５、銅ブロック
３、及び半導体レーザチップ４をダイボンディングなど
従来の方法で相互に接続した後、リード線５と半導体レ
ーザチップ４をワイヤ６で接続する。ガラス板９が開口
部８に取り付けられたキャップ７を用意し、ガラス板９
が底部となるようにキャップ７を保持し、キャップ７の
容量に対し９０％程度のフッ素系不活性液体１０をキャ
ップ７に満たす。

【００２５】半導体レーザチップ４を有するステム２を
キャップ７の開口部に合わせキャップ７とステム４を溶
接し、密封する。

【００２６】あるいは、以下の方法でもよい。半導体レ
ーザチップ４を有するステム２とキャップ７とをフッ素
系不活性液体１０を中に注入しないで、まず溶接する。
このとき、ステム２とキャップ７とを完全には溶接しな
いで、キャップ７内の空気が排気できる程度の未溶接部
分が残るようにする。ついで、ステム２がとりつけられ
たキャップ７を真空容器（図示せず）に入れ、真空容器
を１Ｔｏｒｒ以下に排気する。これによってキャップ７
内の空気が排気され、キャップ７内が減圧状態になる。
その後、ステム２のとりつけられたキャップ７をフッ素
系不活性液体内に浸す。キャップ７とステム２との未溶
接部分から不活性液体が流入するので、適当な量のフッ
素系不活性液体がキャップ７に流入するのをガラス板９
を通して観察しながら、所定の量の不活性液体でキャッ
プ７が満たされたあと、ステム２のとりつけられたキャ
ップ７をフッ素系不活性液体から引き上げる。その後、
キャップ７内が完全に大気圧に戻るまで放置した後、未
溶接部分を溶接する。

【００２７】以下に本発明を光ファイバ結合モジュール
に適用した例を示しながら本発明をさらに具体的に説明
する。

【００２８】図４は、光ファイバ結合モジュール２１模
式的断面を示している。光ファイバ結合モジュール２１
は、ステム２２、ステム２２の一面上に設けられた銅ブ
ロック２３、及び銅ブロック２３の一部にダイボンディ
ングされた半導体レーザチップ２４を有している。ステ
ム２２にはリード線２５が設けられており、半導体発光
チップ２４とワイヤ２６を介して接続されている。光フ
ァイバ結合モジュール２１は、半導体発光チップ２４及
び銅ブロック２３を包み込むように設けられたキャップ
２８を有している。キャップ２８は開口２７を有してお
り、開口２７に光ファイバ３５が挿入されている。光フ
ァイバ３５は、フェルール３６及びフェルール受け３７
によって、キャップ２７に固定されている。キャップ２
７とステム２３によって形成される空間には、空間３１
を残すように絶縁性不活性液体３０が封入されている。

【００２９】図５は半導体発光チップ２４として、歪み
多重量子井戸型ストライプ構造の半導体レーザを用いた
光ファイバー結合モジュール２１の動作特性を示すグラ
フである。半導体発光チップ２４はＩｎＧａＰ／ＡｌＧ
ａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層とＡｌＧａ
ＩｎＰからなるクラッド層とを有しており、室温で６７
０ｎｍの波長を有する赤色光を発光する。実線で示され
るカーブは、光ファイバ結合モジュール２１の動作特性
を示している。破線で示されるカーブは、比較のための
絶縁性不活性液体を封入せずに作製した光ファイバ結合
モジュールの動作特性を示している。図から明らかなよ
うに、絶縁性不活性液体を封入することにより、高出力
が達成されている。具体的には、８００ｍＡの電流を光
ファイバ結合モジュールに流した場合、絶縁性不活性液
体封入しないモジュールでは２００ｍＷの出力が得られ
るが、光ファイバ結合モジュール２１では２７０ｍＷの
出力が得られる。このような出力の改善は、以下に示す
理由によって説明される。

【００３０】まず、半導体レーザチップ２８の全体が絶
縁性不活性液体３０によって効率よく冷却されるために
半導体レーザチップ２８の温度が上昇することが抑えら
れる。これによって、ＣＯＤレベル(Catastrophic Opti
cal Damage)が向上し、また半導体レーザチップ２８の
端面の劣化が防げる。また、再結合効率が改善されるの
で、スロープ効率（図示されているグラフの傾き）が向
上する。

【００３１】さらに、半導体レーザチップ２８の端面が
絶縁性不活性液体と接するために、端面での反射率が改
善される。このことにより、閾値電流が低減される。具
体的には、閾値電流が４５０ｍＡから４００ｍＡに低減
されている。

【００３２】図６は、光ファイバ結合モジュール２１の
寿命試験の結果を示している。比較のために絶縁性不活
性液体封入しないモジュールの試験結果を破線で示して
いる。図から明らかなように、本発明の光ファイバ結合
モジュール２１では１００時間経過後も出力が低下して
いない。また、ＣＯＤレベルが向上しているので、絶縁
性不活性液体封入しないモジュールに較べ高い出力が得
られていることが分かる。一方、従来のモジュールは、
高出力を得ることができないし、劣化する速度が速いこ
とが分かる。

【００３３】（実施例２）図７は本発明の第２の実施例
による半導体発光素子４１の断面を示している。半導体
発光素子４１において、実施例１の半導体発光素子１と
キャップ４２の構造が異なっている。キャップ４２の上
面４３に、凹部４６が設けられており、凹部４６の開口
部４９にガラス板４４が設けられている。キャップ４２
の上面４３の位置はガラス板４４の位置より距離４５だ
け高くなっており、絶縁性不活性液体１０の液面が窓４
４よりも高くなっている。ガラス板４４は、半導体発光
チップ４側の面４８を有しており、面４８の全体が絶縁
性不活性液体１０に接している。その結果、絶縁性不活
性液体１０は半導体レーザチップ３の光出射端面４７の
全面とガラス板４４の面４８の全面の間を光学的に連続
的に接続している。空間１２は、ウインド４４よりも高
い位置に設けられるため、半導体発光素子４１が多少傾
いても絶縁性不活性液体１０の液面の移動により光出射
端面４７とウインド４４との間に空間１２が移動するこ
とはない。

【００３４】このような構造を有する半導体発光素子４
１は、半導体レーザチップ４から出射された光が、直
接、絶縁性不活性液体１０を通って、ガラス板４４に達
するために、空間１２と絶縁性不活性液体１０との界面
で光が屈折したり散乱することがない。特に、半導体発
光素子４１が動作中に振動し、絶縁性不活性液体１０の
液面が乱れる場合にも、液面の乱れによる光の散乱など
の影響を受けずに安定して光を発光することができる。

【００３５】この様な構造は、特に半導体レーザと光学
レンズを有するレーザモジュールにおいて集光効率の改
善をもたらす。図８は、光学レンズ５２を有する半導体
発光素子５１の断面を示している。半導体発光素子５１
は、図７に示される半導体発光素子４１のガラス窓４４
の代わりに光学レンズ５２を有している。

【００３６】半導体発光素子５１において、キャップ４
２の上面４３に、凹部４６が設けられており、凹部４６
の低部に光学レンズ５２が設けられている。キャップ４
２の上面４３の位置は光学レンズの位置より距離４５だ
け高くなっており、絶縁性不活性液体１０の液面が光学
レンズ５２よりも高くなっている。光学レンズ５２は、
半導体発光チップ４側の面５３を有しており、面５３の
全体が絶縁性不活性液体１０に接している。その結果、
絶縁性不活性液体１０は半導体レーザチップ３の光出射
端面４７の全面と光学レンズ５２の面５３の全面の間を
光学的に連続的に接続している。絶縁性不活性液体１０
は半導体レーザチップ３の光出射端面４７の全面と光学
レンズ５２との間を光学的に連続的に接続している。

【００３７】半導体レーザチップ４が垂直方向に３０度
及び水平方向に１０度の角度で７８０ｎｍの光を出射す
るとき、レーザ光強度が１／ｅ²になるときのいわゆる
出射レーザ光量の９５％を受けることが可能な光学レン
ズ５２のＮＡを求めた。用いた計算式は出射角度をθと
したとき、ＮＡ＝２ｓｉｎ（θ／２）である。

【００３８】計算結果を以下の表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】絶縁性不活性液体１０の屈折率が１．２４
及び１．４の時レンズのＮＡはそれぞれ０．４２及び
０．３６であれば半導体レーザチップ４から出射される
光が９５％集光されることがわかる。一方、絶縁性不活
性液体１０の代わりに空気で満たされている場合、屈折
率は１となるので０．５２のＮＡを有する光学レンズが
必要なことがわかる。これは、半導体レーザチップ４を
構成する半導体が空気よりも屈折率の大きな絶縁性不活
性液体１０に接することによって半導体レーザチップ４
からの実質的な出射角が小さくなるからである。

【００４１】従って、出射角が小さくなることによっ
て、小さな口径を有するレンズを用いることができ、半
導体発光素子５１を小型化することができる。また、Ｎ
Ａの大きなレンズは一般に高価であるが、本発明によれ
ば、ＮＡの小さな安価なレンズを用いることができるの
で、低コストで半導体発光素子を製造するこができる。

【００４２】上述したように、本実施例に示される半導
体発光素子の特徴のひとつはキャップに形成された窓と
半導体レーザチップの間を連続的に絶縁性不活性液体が
満たしていることにある。このような本実施例の特徴は
以下に示すような別の構造によっても実現される。

【００４３】図９（ａ）は、半導体発光素子６１の断面
を示している。図９（ｂ）は図９（ａ）に垂直な方向の
断面を示している。半導体発光素子６１は、キャップ７
の内側に内筒６２を有している。内筒６２は、半導体レ
ーザチップ４から出射される光を遮らないような内空間
を有する。キャップ７と内筒６２との間にはマイクロカ
プセル６４が満たされている。キャップ７及びステム２
で形成される空間内には、絶縁性不活性液体６３で完全
に満たされている。

【００４４】マイクロカプセル６４は、外力に対し収縮
性を有している。具体的には、内部に空気あるいは不活
性ガスを含む風船、あるいは微小孔を有する発泡性樹脂
でできており、絶縁性不活性液体６３が膨張したときに
マイクロカプセル６４自身の体積が減少し、キャップ７
が絶縁性不活性液体６３の膨張によって破裂するのを防
ぐ。絶縁性不活性液体６３の膨張率を考慮し、キャップ
７とステム２によって閉じこめられる空間の１割以上収
縮し得るようマイクロカプセル６４をキャップ７内に封
入する。また、図９（ｃ）に示されるように、内筒６２
はその内空間と外空間との間で絶縁性不活性液体６３は
移動しうるが、マイクロカプセル６４は内空間へ移動で
きないように、マイクロカプセル６４の直径よりも小さ
な穴６５を有している。実用上、マイクロカプセル６４
は１〜２ｍｍ程度の直径を有していることが好ましく、
穴６５はそれよりも小さければよい。あるいは、穴６５
の代わりにマイクロカプセル６４の直径よりも小さな幅
を有するスリット６６を複数設けてもよい。

【００４５】上述の構造によれば、キャップ７内に空間
がないので半導体発光素子６１をどのように激しく振動
させても半導体レーザチップ４の出射面１２と窓７との
間は常に絶縁性不活性液体６３で満たされる。従って、
半導体発光素子６１は、絶縁性不活性液体６３の液面の
乱れによる光の散乱などの影響を受けずに安定して光を
発光することができ、特に、振動の多い状態で用いられ
る場合に適している。

【００４６】図１０は、更に別な半導体発光素子７１の
断面を示している。半導体発光素子７１は、入口７３及
び出口７４を備えたキャップ７２を有している。入口７
３及び出口７４は、管７６を介してそれぞれポンプ７５
の吐出口及び吸入口に接続されている。キャップ７２及
び管７６内は、絶縁性不活性液体７７で満たされてい
る。管７６の途中に管７６内を流れる絶縁性不活性液体
７７を一定の温度に保つための冷却器７８が挿入されて
いる。ポンプ７５及び冷却器７８によって、キャップ７
２内の絶縁性不活性液体７７は一定の流速で所定の温度
に保たれながら循環ささせられる。半導体レーザチップ
４が十分冷却され、かつ絶縁性不活性液体７７中にキャ
ビティが生じないように流速は決定される。半導体発光
素子７１において、半導体レーザチップ４は常に一定温
度に保たれた絶縁性不活性液体７７に接しており、光の
出射によって生じた熱は、絶縁性不活性液体７７によっ
て放散される。従って、半導体レーザチップ４は動作
中、常に一定の温度に保たれる。絶縁性不活性液体７７
も一定の温度に保たれており、熱膨張することがないの
で、キャップ７２内に空間を設ける必要はない。

【００４７】このような構造によれば、半導体発光素子
７１の動作中、発光波長及び出力が非常に安定するとい
う利点が得られる。特に、この構造は、１Ｗ以上の出力
を有する大出力半導体発光素子に適している。

【００４８】上述の実施例では、開口部８に設けられた
ガラス板９を有する半導体発光素子６１及び７１を説明
したが、ガラス板９の替わりに光学レンズを設けてもよ
い。また、上記実施例では、半導体レーザチップを有す
る半導体発光素子を説明したが、発光ダイオードにも適
用できることは理解される。

【００４９】（実施例３）図１１は、本発明の第３の実
施例による半導体発光素子８１の模式的断面を示してい
る。半導体発光素子８１は、半導体レーザチップ８３、
光波長変換素子８４、及び光学レンズ８５とを有してい
る。筐体８６が半導体レーザチップ８３及び光波長変換
素子８４を備えたステム８２を覆っており、筐体８６の
側面に開口部９２が設けられ、光学レンズ８５が設けら
れている。筐体８６内には、空間８８を残して絶縁性不
活性液体８７が満たされている。半導体発光チップ８３
の出射端面８８と光波長変換素子８４の入射端面８９及
び光波長変換素子の出射端面９０と光学レンズの面９１
との間は連続的に絶縁性不活性液体８７で満たされてい
る。空間８６は実施例１で説明されるように、絶縁性不
活性液体８７が熱膨張したときに筐体８６が破裂するの
を防ぐ働きをする。光波長変換素子８４は、具体的に
は、二次高調波発生素子であり、半導体レーザチップ８
３から出射された光は光波長変換素子８４によって、半
分の波長の光に変換される。このような光波長変換素子
は公知であり、例えば、日本国特許出願公開公報第平２
−１６７５３１号や、米国特許第５２０５９０４号に開
示されている。

【００５０】図１２は、本実施例に用いる公知の光波長
変換素子８４の斜視図を示している。この光波長変換素
子８４はＬｉＴａＯ₃からなる基板９３中に形成され
る。基板９３中に光導波路９４が形成されている。さら
に光導波路９４とは垂直な方向に疑似位相整合させるた
めに周期的に分極反転層９５及び非分極反転層９６が基
板９３中に設けられている。光導波路９４は基板９３を
リン酸に浸しプロトン交換を行うことによって形成され
る。光導波路９４の端面９７から入射した基本波Ｐ１は
分極反転層９５中で高調波Ｐ２に変換され、非分局極反
転層９６で増幅される。光波長変換素子８４によれば、
波長０．８４μｍの基本波Ｐ１を出力４０ｍＷで端面９
７に入射させると、端面９８から波長０．４２μｍの高
調波Ｐ２が出力２ｍＷで得られる。端面９７及び９８は
１．４μｍｘ２μｍの矩形である。

【００５１】光波長変換素子８４を用いれば、発光が困
難な青色光を得ることができるが、変換効率は５％程度
である。従って、半導体レーザチップ８３から出射され
たレーザ光をできるだけ効率よく光波長変換素子８４に
入射させる必要がある。本発明の半導体発光素子８１に
よれば、以下に示すように半導体レーザチップ８３から
の光を効率よく波長変換素子８４へ導きさらに、光学レ
ンズ８５によって集光させることができる。

【００５２】半導体レーザチップ８３から出射される光
は、実施例２で説明されるように出射角度αを有してお
り、広がって進行する。これは、半導体レーザチップ８
３が半導体よりも屈折率の小さい空気などと接している
ため、スネルの法則射に基づいて出射される光が、端面
８８で屈折するためである。従って、半導体レーザチッ
プ８３からの光をできるだけ多く光波長変換素子８４へ
入射させるためには、半導体レーザチップ８３の出射端
面８８と光波長変換素子８４の入射端面８９はできるだ
け近接している方が好ましい。

【００５３】図１３は半導体レーザチップ８３からのレ
ーザ光が光波長変換素子８４の入射面８９に設けられた
導波路の端面９７に入射する光量（結合効率）が５０％
のとき、半導体レーザチップ１０の端面８８と光波長変
換素子８４の入射端面８９間の距離ｘと半導体レーザの
出射角αの関係を示している。図４に示されるように、
出射角αが小さければ距離ｘが大きくなっても５０％の
結合効率を得ることができるのが分かる。

【００５４】半導体レーザチップ８３の端面８８が接す
る媒体が空気（屈折率１）及び絶縁性不活性液体（屈折
率１．２４及び１．４）であるとき、２０度程度の出射
角αに対する距離ｘの関係を以下の表２に示す。

【００５５】

【表２】

【００５６】屈折率の高い絶縁性不活性液体を用いるこ
とによって半導体レーザチップ８３が空気に接する場合
に較べ１．６〜２倍長い距離ｘをとることができること
が分かる。従来１０μｍ以内の間隔で半導体レーザチッ
プ８３と光波長変換素子８４を配置することは困難であ
ったが、絶縁性不活性液体を用いることにより配置間隔
を長くすることができるので、半導体レーザチップ８３
と光波長変換素子８４とを効率良く配置できる。

【００５７】半導体レーザチップ８３と光波長変換素子
８４との位置合わせは筐体８６内を絶縁性不活性液体８
７で満たさないで行う方が容易である。まず、絶縁性不
活性液体８７で筐体８６を満たした場合、半導体レーザ
チップ８３と半導体レーザチップ８３とが満たすべき配
置関係を計算によって求める。次に絶縁性不活性液体８
７で筐体８６が満たされていない場合、その位置で得ら
れる光結合効率を求める。筐体８６内を絶縁性不活性液
体８７で満たさないで計算によって求めた光結合効率が
得られるように半導体レーザチップ８３と半導体レーザ
チップ８３とを実際に配置する。最後に筐体８６内を絶
縁性不活性液体８７で満たす。

【００５８】本実施例の半導体発光素子８１によれば、
実施例２で説明されるように、光学レンズ８５へ入射す
る光の出射角θも小さくすることができる。

【００５９】光波長変換素子８４から中心軸方向に出射
した光の強度の５０％の強度が得られる半値角度をθ1
とし、光学レンズ８５に光波長変換素子８４の出射端面
９０から出射された光の９５％取り込むときの実効的な
角度をθ2としたとき、必要な光学レンズ８５の開口径
ＮＡの計算結果を以下の表３に示す。

【００６０】

【表３】

【００６１】光波長変換素子８４の変換効率が低く、出
射端面９０からの光を実用上すべて光学レンズ８５に入
射させる必要があるため、出射端面９０から出射された
光の９５％取り込むときの値を示している。

【００６２】光波長変換素子８９と光学レンズ８５との
間が空気（屈折率ｎ＝１）で満たされているときは、
０．６５のＮＡを有する光学レンズが必要となる。この
ような光学レンズは、量産が困難であるため非常に高価
である。一方、本発明によれば、比較的安価なＮＡが
０．４から０．５程度の光学レンズを用いることができ
るため、低コストで青色を発光する光半導体素子を製造
することができる。また、半導体レーザチップ８３に対
し光波長変換素子８４を精度よくかつ容易に配置でき
る。

【００６３】また実施例１で説明されるように、半導体
発光素子８１において、半導体発光チップ８３及び光波
長変換素子８４は絶縁性不活性液体８７で覆われている
ので、半導体発光チップ８３が動作中に発する熱は、絶
縁性不活性液体８７に効率よく放散される。また、絶縁
性不活性液体８７は、保護膜としても機能するので半導
体発光チップ８３及び光波長変換素子８４の表面が酸化
し特性が劣化するのが防がれる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、パッケージ内のキャッ
プの中に絶縁性不活性液体、例えばフッ素系不活性液体
を封入することにより、半導体発光素子チップ全体を冷
却することが可能となり、半導体発光素子の光出力が増
大すると高出力で安定した動作が実現され素子の信頼性
が向上する。特に従来高出力半導体レーザではチップを
フェイスダウンに実装していたが、本発明ではフェイス
アップ実装も可能となる。

【００６５】周囲の温度変化により絶縁性不活性液体が
膨張してもパッケージのキャップ内には空間が設けられ
ているので、キャップが破裂するおそれがない。従って
広い温度範囲で本発明の半導体発光素子を使用すること
ができる。

【００６６】キャップの一部に凹部を設け凹部の底部に
ガラス板あるいは光学レンズを設けることによって、ガ
ラス板あるいは光学レンズと半導体発光素子チップとの
間が常に絶縁性不活性液体で満たされる。従って、半導
体発光素子チップから出射する光の広がりが抑えられ、
高効率で光をパッケージ外へ発光させることができる。

【００６７】特にＮＡの小さな光学レンズを用いること
が可能となるので、コンパクトで低コストの発光素子を
得ることができる。また、振動の多い使用状態でも出射
光が乱れることなく安定した発光が得られる。

【００６８】更に、光波長変換素子を半導体発光素子と
光学レンズとの間に設け場合、半導体レーザチップと光
波長変換素子間の光結合のアライメント実装が容易にな
り、さらに集光レンズのＮＡを小さくでき、光結合効率
の向上により従来に比べ大きな光出力が低コストで得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の第１の実施形態による半導体発光素
子の断面を示す図

【図２】フッ素系不活性液体及び窒素気体・空気の自然
対流による熱伝導率を示す図

【図３】第１の実施例で用いるフッ素系不活性液体の密
度と温度との関係を示す図

【図４】第１の実施例による光ファイバ結合モジュール
の断面を示す図

【図５】光ファイバ結合モジュールの動作特性を示す図

【図６】光ファイバ結合モジュールの寿命試験結果を示
す図

【図７】実施例１の第２の実施形態による半導体発光素
子の断面を示す図

【図８】実施例１の第３の実施形態による半導体発光素
子の断面を示す図

【図９】半導体発光素子の説明図

【図１０】実施例２の第２の実施形態による半導体発光
素子の断面を示す図

【図１１】実施例３による半導体発光素子の面を示す図

【図１２】図１１に示される半導体発光素子に用いる光
波長変換素子を示す斜視図

【図１３】半導体発光チップから出射される光の角度と
半導体発光チップから所定の強度で光波長変換素子が光
を受け取るために必要な距離との関係を示す図

【図１４】従来の半導体発光素子の断面を示す図

【符号の説明】

１半導体発光素子２ステム３銅ブロック４半導体レーザチップ５リード線６ワイヤ線７キャップ８開口部９ガラス板１０絶縁性不活性液体１１空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大仲清司大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光面を有する半導体発光チップと、該半導体発光チップを包むキャップと、該キャップの内部に空間を残すように満たされた絶縁性
不活性液体と、を有する半導体発光素子。
【請求項２】キャップは底部に開口を有する凹部が設け
られた面と、該開口に設けられた、該半導体発光素子が発光する光を
透過する材質でできた透明板とを有し、前記発光面の全面と該透明板の全面との間は前記絶縁性
不活性液体で満たされた、請求項１に記載の半導体発光
素子。
【請求項３】透明板が光学レンズである請求項２に記載
の半導体発光素子。
【請求項４】半導体発光素子は更に前記キャップ内に封
入された、マイクロカプセルと、該マイクロカプセルが、発光面から出射される光を遮ら
ないようにするための手段とを有し、前記空間はマイク
ロカプセルに内包されている請求項１に記載の半導体発
光素子。
【請求項５】発光面を有する半導体発光チップと、入口及び出口を有し該半導体発光チップを包むキャップ
と、該キャップの内部に満たされた絶縁性不活性液体と、該入口及び出口にそれぞれ接続された吐出口及び吸入口
を有するポンプと、該絶縁性不活性液体の温度を一定に保つために該キャッ
プと該ポンプの間に接続された恒温槽と、を有する半導
体発光素子。
【請求項６】半導体レーザチップと、該半導体レーザチップから出射された第１の波長を有す
る光を入射させ、該第１の波長と異なる第２の波長の光
を出射する光波長変換素子と、該半導体レーザチップ及び該光波長変換素子とを包む筐
体と、該筐体の一部に設けられた、該第２の波長の光を集光す
るための光学レンズと、該半導体レーザチップと該光波長変換素子との間及び該
光波長変換素子と光学レンズとの間に該筐体の一部分に
空間を残すように満たされた絶縁性不活性液体と、を有
する半導体発光素子。
【請求項７】絶縁性不活性液体がフッ素系不活性液体で
あることを特徴とする請求項１から６のいづれかに記載
の半導体発光素子。
【請求項８】絶縁性不活性液体が塩素を含まないフッ素
系不活性液体であることを特徴とする請求項７に記載の
半導体発光素子。
【請求項９】空間の体積と前記絶縁体の体積との割合
が、約１：９であることを特徴とする請求項１、２、
３、４、及び６のいずれかに記載の半導体発光素子。