波長変換部材および光源装置
【課題】人間の目に対する安全性を確保するとともに発光色の混色性を改善することができる波長変換部材およびこの波長変換部材を用いた光源装置を提供する。
【解決手段】波長変換部材２０は、レーザダイオード１０が発するレーザ光を導入し、レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する。波長変換部材は、レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層２２と、蛍光体層のレーザ入射面と対向する面に接合され且つ蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層２６と、を有する。高屈折率層は、蛍光体層との接合面および接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有する。
【解決手段】波長変換部材２０は、レーザダイオード１０が発するレーザ光を導入し、レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する。波長変換部材は、レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層２２と、蛍光体層のレーザ入射面と対向する面に接合され且つ蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層２６と、を有する。高屈折率層は、蛍光体層との接合面および接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が高く、高出力化が可能であるため、プロジェクタ用の光源や自動車用のヘッドライトなど高輝度な白色光源としての利用が期待されている。半導体レーザを用いて白色光を得る方法としては青色半導体レーザと蛍光体を含む波長変換部材とを組み合わせる方法がある。すなわち、青色レーザを蛍光体層に照射することにより、蛍光体によって長波長側に波長変換された光と、波長変換されずに蛍光体層を透過した光を混色させることにより白色光を得るというものである。
【０００３】
特許文献１にはレーザダイオードから出射されたレーザ光を蛍光体に集光し、蛍光体からインコヒーレントな自然放出光を得るようにした光源装置が開示されている。特許文献２には蛍光体焼結体である所謂蛍光体セラミックを波長変換部材として用いた発光装置が開示されている。特許文献３にはガラス中に蛍光体を分散させた所謂蛍光体ガラスにより構成される波長変換部材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５４５９４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４２７８号公報
【特許文献３】特許第４１５８０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
蛍光体を用いた波長変換部材としては蛍光体粒子を樹脂バインダーに分散させたものが一般的である。しかしながら、樹脂バインダーを用いた蛍光体層に高出力のレーザ光を照射すると、樹脂バインダーが焼損してしまうといった問題が生じる。従って、高出力のレーザ光源を用いる場合、上記特許文献２および３に記載されているような無機材料を母材とする蛍光体セラミックまたは蛍光体ガラスを波長変換部材として用いることが好ましい。
【０００６】
一方、レーザ光は出力が高く且つスポットサイズが小さいため、光エネルギー密度が高い。このため、レーザ光は人間の目にダメージを与える危険性を有する。スポットサイズが小さい通常の半導体レーザからの光は、網膜上で微小スポットに集光されて網膜上の局部的な発熱を引き起こす。なお可視光レーザの場合、眼球や網膜組織と生化学反応を引き起こすおそれもある。従ってトータルの光パワーが小さくても網膜損傷につながる可能性がある。
【０００７】
ここで、図１は、レーザ光源１１０と、蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックスからなる波長変換部材１２０と、からなる光源装置１００の構成を示す図である。レーザ光源１１０から出射されたレーザ光は波長変換部材１２０に照射される。波長変換部材１２０の光取り出し面からは、波長変換された黄色光ＹＬと、波長変換されることなく波長変換部材１２０を透過した青色光ＢＬとが混色されて白色光が放射される。
【０００８】
波長変換部材１２０を蛍光体ガラスで構成した場合、蛍光体粒子とガラスとの屈折率差が０．３〜０．３５程度と小さい故、光散乱が促進されず、波長変換部材１２０を直進する光の成分が大きくなる。このため、光取り出し面からは波面が揃ったコヒーレント光が放射され、これを光学系で集光した場合にはレーザ出射口のスポットサイズに絞られる可能性があり、目に対する安全性が問題となる。
【０００９】
一方、波長変換部材を蛍光体セラミックで構成した場合、蛍光体粒界における屈折率変化が小さく、レーザ光は大きな散乱を受けることなく波長変換部材１２０の内部を伝搬する。このため蛍光体ガラスの場合と同様、目に対する安全性が問題となる。
【００１０】
また、図１に示される光源装置１００の構成では、黄色光ＹＬと青色光ＢＬを完全に混色させることは困難である。すなわち、蛍光体から放射される黄色光ＹＬは回折の作用によって全方位に放射される一方、波長変換部材１２０を透過した青色光ＢＬは、レーザ光の発散角に相当する範囲でのみ放射される。このため、波長変換部材１２０から取り出される光は、中央部と周縁部で色度の異なるものとなっていた。
【００１１】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、人間の目に対する安全性を確保するとともに発光色の混色性を改善することができる波長変換部材およびこの波長変換部材を用いた光源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】
【００１２】
本発明に係る波長変換部材は、レーザ光を導入し、前記レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する波長変換部材であって、レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記レーザ入射面と対向する面に接合され且つ前記蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、を有し、前記高屈折率層は、前記蛍光体層との接合面および前記接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る光源装置は、上記の波長変換部材を有する光源装置であって、前記レーザ入射面にレーザ光を照射する半導体レーザを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る波長変換部材および光源装置によれば、目に対する安全性を確保するとともに発光色の混色性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックスからなる波長変換部を含む光源装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例に係る高屈折率層の光取り出し面における光散乱および回折の様子を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例１に係る波長変換部材の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る波長変換部を含む光源装置の構成を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例２に係る波長変換部材の製造方法を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例に係る波長変換部材の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【実施例１】
【００１７】
図２は、本発明の実施例１に係る光源装置１の構成を示す断面図である。光源装置１は、レーザ光を出射する半導体レーザ１０と、レーザ光を受けてレーザ光の波長よりも長波長の光を放射する波長変換部材２０と、により構成される。
【００１８】
半導体レーザ１０は、例えば多重量子井戸構造を有するＧａＮ系の窒化物系半導体層を含み、波長４５０ｎｍ前後の青色光を放射する発光素子である。尚、半導体レーザ１０の発光波長、材料および層構造は、これに限定されるものではなく、用途に応じて適宜好適なものを選択することが可能である。
【００１９】
波長変換部材２０は、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光を受光する。波長変換部材２０は、蛍光体層２２、接着層２４、高屈折率層２６を積層した積層構造体である。波長変換部材２０は、蛍光体層２２が半導体レーザ１０側に向くように配置され、光散乱層２６の表面が光取り出し面となる。尚、半導体レーザ１０と波長変換部材２０との間にレンズ等の光学系を設け、光学系によって収斂したレーザ光を波長変換部材２０に照射することとしてもよい。
【００２０】
蛍光体層２２は、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光によって焼損しない程度の耐熱性を有する材料からなり、例えば蛍光体ガラスにより構成される。蛍光体ガラスは、ガラス中に蛍光体を分散させたものであり、より具体的にはガラス粉末と蛍光体粉末との焼結体である。好適なガラスとしてはＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス、ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス等が挙げられる。蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体であり、半導体レーザ１０から出射される波長４５０ｎｍ程度の青色光を吸収してこれを例えば波長５６０ｎｍ前後に発光ピークを持つ黄色光に変換する。蛍光体により波長変換された黄色光と、波長変換されずに蛍光体層２２を透過した青色光が混ざることにより、波長変換部材２０の光取り出し面からは、白色光が得られるようになっている。尚、蛍光体ガラスの屈折率は、１．４５〜１．６５程度であり、空気の屈折率（＝１）との差が小さい。また、蛍光体ガラスの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋと非常に低い。このため、仮に波長変換部材を蛍光体ガラス単体で構成した場合には、蛍光体ガラスを透過して放射される青色光の放射角度範囲は比較的小さくまた波面のゆらぎも小さいため、色ムラが生じ、また目に対する安全性の確保が困難である。また、蛍光体から発せられる熱を効率よく外部に放出することができず、温度上昇が過大となる。このような問題は後述する高屈折率層２６を蛍光体層２２上に積層することにより解消される。尚、蛍光体層２２は、蛍光体焼結体である蛍光体セラミックにより構成されていてもよい。蛍光体セラミックは、例えば酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化セリウムなどの酸化物をアルコール溶媒とともの混合して造粒粉を作製し、これを成形して脱脂した後真空雰囲気中で焼成することにより得ることができる。
【００２１】
接着層２４は、蛍光体層２２と高屈折率層２６とを接合するための接合材を含む層である。接着層２４は、例えばＳＯＧ（spin on glass）により構成される。接着層２４にＳＯＧを用いることにより、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスとの屈折率差が小さくなるため、接着層２４が光反射面となることを防止することができる。
【００２２】
高屈折率層２６は、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスの屈折率よりも高い屈折率を有し且つ半導体レーザ１０からの出射光を透過させることができる材料からなる層である。高屈折率層２６は、空気との屈折率差が１以上であることが好ましい。高屈折率層２６の材料として例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体結晶が好適である。これらの窒化物半導体結晶は、屈折率が２．５程度であり、波長４００ｎｍ以上の光に対して透過性を有する。高屈折率層２６の厚さは０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。光取り出し面となる高屈折率層２６の表面には、光散乱および回折を促進させるための複数の突起が全面に亘って形成されており高屈折率層２６の表面は凹凸面となっている。すなわち、高屈折率層２６の表面は、複数の突起により構成される光散乱・回折構造面となっている。複数の突起は、窒化物半導体結晶の結晶構造に由来する六角錐形状を有し且つ大きさがランダムであることが好ましい。そのような突起は、マイクロコーンと称され、窒化物半導体結晶のＣ−面をアルカリ溶液でウェットエッチングすることにより容易に形成することが可能である。必要十分な光散乱効果を得るために、六角錐状突起の底面のサイズ（径）および高さは９０ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。これらの寸法はエッチング時間及びエッチャント温度により制御することが可能である。尚、半導体レーザ１０に赤色レーザを用いる場合、高屈折率層２６の材料として、ＧａＰ等の燐化物半導体結晶を用いることも可能である。ＧａＰは、屈折率が３．２と非常に大きく、赤色レーザ光を透過することができる。また、窒化物半導体結晶と同様にウェットエッチングによる錐状突起物を形成することができるため粗面化処理も可能である。
【００２３】
図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、粗面化された高屈折率層２６の光取り出し面から放出される光の散乱および回折の様子を示す図である。高屈折率層２６に導入された光は、粗面化された光取り出し面において散乱および回折して大気中に放出される。
【００２４】
図３（ａ）は、光取り出し面である高屈折率層２６の表面において散乱を伴って放出される光の様子が示されている。半導体レーザ１０からの光は、例えば、発散光または光学系によって収斂された絞り光の状態で波長変換部材２０に導入される。この場合、高屈折率層２６の光取り出し面には様々な方向から光が照射され、複数の突起によって様々な方向に向けて大気中に光が放射される。高屈折率層２６と空気との屈折率差は比較的大きいため、大気中に放射される光の放射角度範囲を大きくすることが可能となる。すなわち、高屈折率層２６が高い屈折率を有するが故に、光散乱を効果的に生じさせることが可能となる。光散乱が促進されることにより目に対する安全性が向上するとともに、発光色の混色性をも改善することが可能である。すなわち、本実施例に係る光源装置によれば、波長変換部材２０の光取り出し面から放射される青色光の放射角度範囲が拡大されることから、図２に示すように、黄色光ＹＬと青色光ＢＬをほぼ完全に混色させることが可能となる。
【００２５】
図３（ｂ）は、光取り出し面である高屈折率層２６の表面において回折を伴って放出される光が示されている。高屈折率層２６の表面に形成された突起の径および高さが高屈折率層２６内における光の波長の約１０倍以下である場合、光は突起に衝突したときに回折を生じ、これにより新たな波面を生じさせる。突起において回折を生じた光は、いかなる光学系をもってしても半導体レーザ１０から出射されたレーザ光のスポット径に復元することは不可能となる。つまり、ビームスポットサイズは波長変換部材２０の光取り出し面のサイズに拡大される。ビームスポットサイズが十分に大きい場合には、人間の目に対する危険性は排除され、アイセーフ化が達成される。
【００２６】
尚、半導体レーザ１０からの光が平行光の状態で波長変換部材２０に導入される場合には、高屈折率層２６の表面の突起のサイズを比較的小さくすることが好ましい。これにより、光取り出し面における光散乱が抑制され、回折が支配的となる。マイクロコーンは特定の結晶面が表出した六角錐状突起であるところ、平行光を導入した場合において、マイクロコーンのサイズが大きい場合には、光放出が特定の方向に集中してしまうおそれがある。マイクロコーンのサイズを小さくして光取り出し面において回折が支配的に生じるようにすることによりそのような問題を回避することが可能となる。具体的には、突起の底面の径および高さを、高屈折率層２６内におけるレーザ波長の０．５倍以上５倍以下の範囲に設定することが好ましい。例えば、ＧａＮ系青色レーザを使用した場合であって、高屈折率層２６がＧａＮにより構成される場合、突起サイズは径が９０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００２７】
一方、高屈折率層２６と空気との屈折率差が大きい故、これらの界面において多重反射される光成分が多くなる。これにより、波長変換部材２０内部で青色光と黄色光とを均一に混ぜることが可能となり、色ムラのない白色光を得ることが可能となる。すなわち、波長変換部材２０は光ミキサーとしての機能も有する。また、高屈折率層２６の表面に多数の六角錐状の突起を形成することにより、ほぼ理想に近い光取り出し効率を実現することが可能となる。また、レーザ入射面に屈折率の低い層（蛍光体層２２）を配置し、光取り出し面側に屈折率の高い層（高屈折率層２６）を配置する層構成も光取り出し効率向上に寄与する。
【００２８】
また、高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の熱伝導率は１５０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的良好であり、また表面に複数の突起が設けられているため蛍光体層２２において生じた熱を効果的に大気中に放出することが可能となる。尚、高屈折率層２６の表面に六角錐状の突起を細密に形成した場合、表面積は平坦面の場合のおよそ２倍となる。
【００２９】
次に、上記した構成を有する波長変換部材２０の製造方法を図４（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ説明する。
【００３０】
はじめに、ＧａＮ系窒化物半導体結晶を成長可能なＣ面サファイア基板３０を用意する。続いて、有機金属気相成長法（MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により成長用基板１０上にＧａＮからなる厚さ１０μｍ程度の高屈折率層２６を形成する（図４（ａ））。
【００３１】
次に、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスを用意しておく。蛍光体ガラスは、ガラス粉末と蛍光体粉末との焼結体である。次に、接合層２４の材料であるＳＯＧ溶剤をスピンコート法により高屈折率層２６の表面に塗布する。尚、ＳＯＣ溶剤は、シラノール（Ｓｉ(ＯＨ)４）をアルコールに溶かしたものである。蛍光体層２２と高屈折率層２６とを貼り合せた状態で押圧を加える。プレス圧力は例えば５ｋｇ／ｃｍ２、プレス時間は例えば１０分である。続いて、蛍光体層２２と高屈折率層２６とを貼り合せたものに４５０℃、３０分間の熱処理を施してＳＯＧの溶媒成分を揮発させ、シラノールを脱水重合反応させる。これにより蛍光体層２２と高屈折率層２６とが接着層２４を介して接合される（図４（ｂ））。
【００３２】
次に、レーザリフトオフ法などによりサファイア基板３０を剥離する。レーザ光源としてエキシマレーザを使用することができる。サファイア基板３０の裏面側から照射されたレーザは、高屈折率層２６に達し、サファイア基板３０との界面近傍におけるＧａＮを金属ＧａとＮ２ガスに分解する。これにより、サファイア基板３０と高屈折率層２６との間に空隙が形成され、サファイア基板３０が高屈折率層２６から剥離する。サファイア基板３０を剥離することにより高屈折率層２６の表面が露出する（図４（ｃ））。
【００３３】
次に、サファイア基板３０を剥離することにより露出した高屈折率層２６の表面をＴＨＡＨ（テトラ・メチルアンモニア溶液）等でエッチングして高屈折率層２６の表面にＧａＮの結晶構造に由来する複数の六角錐状突起（マイクロコーン）を形成する（図４（ｄ））。以上の各工程を経ることにより波長変換部材２０が完成する。
【００３４】
以上の説明から明らかなように、本実施例に係る波長変換部材２０は、半導体レーザ側に配置された蛍光体層２２と、蛍光体層２２のレーザ入射面と対向する面に接合され且つ蛍光体層２２の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層２６と、を有し、高屈折率層は光取り出し面に多数の六角錐状突起を有する。このような波長変換部材２０の構成によれば、光取り出し面において光散乱・回折構造が形成され、蛍光体層２２を透過したレーザ光は、高屈折率層２６の光取り出し面において散乱および回折して大気中に放出される。高屈折率層２６と空気との屈折率差は比較的大きい故、上記散乱および回折の程度も大きくなり、レーザ光の波面に大きなゆらぎを与えることができる。すなわち、本実施例に係る波長変換部材２０によれば、レーザ光をインコヒーレント光として取り出すことができ、目に対する安全性および混色性を改善することが可能となる。また、高屈折率層２６を蛍光体層２２よりも熱伝導率の高い材料で構成することにより、蛍光体がレーザ光の波長変換を行う際に発する熱を効果的に大気中に放出させることが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図５は、本発明の実施例２に係る光源装置２の構成を示す図である。光源装置２は、波長変換部材の構成が上記した実施例１のものと異なる。波長変換部材２０ａは、レーザ入射面の一部と、光取り出し面の全面を除く表面に光反射膜２８を有する。すなわち、光反射膜２８は、波長変換部材２０ａの側面と、レーザ入射面である蛍光体層２２の底面の一部を覆う。レーザ入射面において光反射膜２８が形成されていない部分は波長変換部材２０ａにレーザ光を導入するためのレーザ入射口２９である。光反射膜２８は、光反射性を有する金属で構成され、例えば、Ａｇ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次積層した多層膜により構成される。このように、波長変換部材２０ａの表面を光反射膜２８で覆うことにより、波長変換部材２０ａの側面から出ようとする光は光反射膜２８によって波長変換部材２０ａの内部側に反射されることにより、光取り出し面から取り出すことのできる光の量を増大させることが可能となり、光取り出し効率を向上させることが可能となる。また、波長変換部材２０ａの側面においては、光散乱および回折が生じにくいことから、側面から光を外部に放出することは危険である。本実施例のように波長変換部材２０ａの表面に光反射膜２８を設けることにより、そのような危険な光放出がなくなり、目に対する安全性が確保される。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｄ）は、実施例２に係る波長変換部材２０ａの製造方法を示す図である。はじめに、図４に示された各工程を経ることにより得られる蛍光体層２２上に高屈折率層２６を積層したウエハ２１を用意する。その一方、ウエハ２１を一時的に支持するための支持基板４０を用意する。支持基板４０は、後述するウエハのダイシング工程において破壊しない程度の機械的強度とＵＶ光に対して透過性を有するものであればよく、例えばサファイア基板を用いることができる。次に、支持基板４０上に粘着シート４２を介して複数の突起が形成された高屈折率層２６の表面が接着面となるようにウエハ２１を貼り付ける。粘着シート４２は所定エネルギーのＵＶ光を照射することにより剥離することができるＵＶ剥離型粘着シートである（図６（ａ））。
【００３７】
次に、ダイシング法またはレーザスクライブ法等により所定の分割ラインに沿ってウエハ２１を分割する。分割溝５０は、粘着シート４２に達しているが、支持基板４０にまでは達しない深さで形成される。分割溝５０の形状は下方に向かうにつれて溝幅がしだいに狭くなるＶ字型であることが好ましい。すなわち、分割された各個片がテーパ形状となるように分割溝５０を形成することが好ましい（図６（ｂ））。
【００３８】
次に、蛍光体層２２のレーザ入射口２９に対応する部分を覆うレジストマスク（図示せず）を形成した後、蒸着法等によりウエハ２０の上面および分割溝５０を形成することにより表出した側面を覆うようにＡｇ（厚さ２５０ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ２００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）を順次堆積させ、光反射膜２８を成膜する。続いて、上記レジストマスクを除去することにより上記金属をリフトオフしてレーザ入射口２９を形成する（図６（ｃ））。
【００３９】
次に、支持基板４０の裏面側から所定エネルギーのＵＶ光を照射して粘着シート４２を支持基板４０と共に剥離する（図６（ｄ））。以上の各工程を経ることにより波長変換部材２０ａが完成する。
【００４０】
このように、本実施例に係る波長変換部材およびこれを用いた光源装置によれば、上記した実施例１に係るものと同様の効果を得ることができる。また、光取り出し効率および目に対する安全性を更に向上させることが可能となる。
【００４１】
図７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、上記した波長変換部材２０ａの構成を改変した変形例である。
【００４２】
図７（ａ）に示されている波長変換部材２０ｂは、蛍光体ガラスからなる蛍光体層２２と窒化物半導体からなる高屈折率層２６とが接着層を介さずに直接接合されている。これにより、蛍光体層２２において発生した熱が高屈折率層２６に伝わりやすくなり放熱性が改善される。このような積層構造は、例えば以下のようにして得ることができる。高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、窒化物半導体の表面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを一旦溶融させた後、硬化させる。図４（ｃ）に示すようにサファイア基板３０を剥離して、これによって表出した窒化物半導体の表出面に図４（ｄ）に示すようにウェットエッチングにより凹凸を形成する。その後、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように粘着シート４２を用いて支持基板４０を貼り合わせ、窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を設ける。波長変換部材２０ｂがその側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４３】
図７（ｂ）に示される波長変換部材２０ｃにおいて、高屈折率層２６は、蛍光体層２２との接合面および光取り出し面の両面に凹凸を有する。蛍光体層２２は、高屈折率層２６の凹凸面に密着して接合されている。このように、高屈折率層２６の両面に光散乱・回折構造面を形成することによりレーザ光を回折・散乱させる効果をより高めることができる。また、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接触面積が増加するため放熱性をより高めることが可能となる。例えば、高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、ドライエッチングにより窒化物半導体の表面に凹凸を形成し、この凹凸面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを溶融させて凹凸面に密着させることにより、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接合面を凹凸にすることができる。凹凸の形状および寸法は、光散乱・回折効果が得られるように適宜定めることができる。例えば、凹凸面は、ストライプ状の溝によって構成することができる。一方、光取り出し面側の凹凸は、上記した実施例１の場合と同様にサファイア基板の剥離後のウェットエッチングにより形成することができる。更に、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように粘着シート４２を用いて支持基板４０を貼り合わせ、窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を設ける。波長変換部材２０ｃが、その側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４４】
図７（ｃ）に示される波長変換部材２０ｄにおいて、高屈折率層２６は、蛍光体層２２との接合面に六角錐状の突起（マイクロコーン）を有する。蛍光体層２２は、かかる凹凸面に密着して接合されている。すなわち、波長変換部材２０ｄは、高屈折率層２６と蛍光体層２２との接合面において光散乱・回折構造を有する。このような構成によっても、上記各実施例に係る波長変換部材と同様の光散乱・回折効果を得ることができる。また、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接触面積が増加するため放熱性をより高めることが可能となる。尚、高屈折率層２６の光取り出し面は、図７（ｃ）に示すように平坦であってもよいし、凹凸を有していてもよい。
【００４５】
このような積層構造は、例えば以下のようにして得ることができる。サファイア基板上に高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、窒化物半導体の表面に支持基板を貼り付ける。次に、レーザリフトオフ法などによりサファイア基板を剥離する。サファイア基板を剥離することにより表出した窒化物半導体の表面（Ｃ−面）をウェットエッチングして六角錐状突起（マイクロコーン）を形成する。六角錐状突起が形成された窒化物半導体の表面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを溶融させて、凹凸面に密着させた後、硬化させる。窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を形成した後、支持基板を除去する。波長変換部材２０ｄが、その側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４６】
図７（ｄ）に示される波長変換部材２０ｅは、レーザ入射口が反射防止膜（ＡＲフィルム）３２で覆われている。反射防止膜３２は、例えば屈折率が互いに異なる２種類の層を交互に繰り返して積層した多層膜である。高屈折率層の材料としては、例えばＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などが挙げられる。低屈折率層の材料としては、例えばＳｉＯ２などが挙げられる。このような材料からなる高屈折率層と低屈折率層を交互に積層することにより反射防止膜３２が形成される。また、高屈折率層と低屈折率層の中間の屈折率を持つ中間屈折率層をこれらの間に挿入してもよい。中間屈折率層の材料としては、例えばＡｌ２Ｏ３などが挙げられる。
【００４７】
蛍光体層２２のレーザ入射口に反射防止膜３２を設けることにより、レーザ入射面における光反射が減少し、波長変換部材２０ｅへのレーザ光の導入効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ レーザダイオード
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ 波長変換部材
２２ 蛍光体層
２４ 接着層
２６ 高屈折率層
２８ 光反射膜
２９ レーザ入射口
３０ サファイア基板
３２ 反射防止膜
４０ 支持基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、発光ダイオードと比較して電気−光変換効率が高く、高出力化が可能であるため、プロジェクタ用の光源や自動車用のヘッドライトなど高輝度な白色光源としての利用が期待されている。半導体レーザを用いて白色光を得る方法としては青色半導体レーザと蛍光体を含む波長変換部材とを組み合わせる方法がある。すなわち、青色レーザを蛍光体層に照射することにより、蛍光体によって長波長側に波長変換された光と、波長変換されずに蛍光体層を透過した光を混色させることにより白色光を得るというものである。
【０００３】
特許文献１にはレーザダイオードから出射されたレーザ光を蛍光体に集光し、蛍光体からインコヒーレントな自然放出光を得るようにした光源装置が開示されている。特許文献２には蛍光体焼結体である所謂蛍光体セラミックを波長変換部材として用いた発光装置が開示されている。特許文献３にはガラス中に蛍光体を分散させた所謂蛍光体ガラスにより構成される波長変換部材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０５４５９４号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４２７８号公報
【特許文献３】特許第４１５８０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
蛍光体を用いた波長変換部材としては蛍光体粒子を樹脂バインダーに分散させたものが一般的である。しかしながら、樹脂バインダーを用いた蛍光体層に高出力のレーザ光を照射すると、樹脂バインダーが焼損してしまうといった問題が生じる。従って、高出力のレーザ光源を用いる場合、上記特許文献２および３に記載されているような無機材料を母材とする蛍光体セラミックまたは蛍光体ガラスを波長変換部材として用いることが好ましい。
【０００６】
一方、レーザ光は出力が高く且つスポットサイズが小さいため、光エネルギー密度が高い。このため、レーザ光は人間の目にダメージを与える危険性を有する。スポットサイズが小さい通常の半導体レーザからの光は、網膜上で微小スポットに集光されて網膜上の局部的な発熱を引き起こす。なお可視光レーザの場合、眼球や網膜組織と生化学反応を引き起こすおそれもある。従ってトータルの光パワーが小さくても網膜損傷につながる可能性がある。
【０００７】
ここで、図１は、レーザ光源１１０と、蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックスからなる波長変換部材１２０と、からなる光源装置１００の構成を示す図である。レーザ光源１１０から出射されたレーザ光は波長変換部材１２０に照射される。波長変換部材１２０の光取り出し面からは、波長変換された黄色光ＹＬと、波長変換されることなく波長変換部材１２０を透過した青色光ＢＬとが混色されて白色光が放射される。
【０００８】
波長変換部材１２０を蛍光体ガラスで構成した場合、蛍光体粒子とガラスとの屈折率差が０．３〜０．３５程度と小さい故、光散乱が促進されず、波長変換部材１２０を直進する光の成分が大きくなる。このため、光取り出し面からは波面が揃ったコヒーレント光が放射され、これを光学系で集光した場合にはレーザ出射口のスポットサイズに絞られる可能性があり、目に対する安全性が問題となる。
【０００９】
一方、波長変換部材を蛍光体セラミックで構成した場合、蛍光体粒界における屈折率変化が小さく、レーザ光は大きな散乱を受けることなく波長変換部材１２０の内部を伝搬する。このため蛍光体ガラスの場合と同様、目に対する安全性が問題となる。
【００１０】
また、図１に示される光源装置１００の構成では、黄色光ＹＬと青色光ＢＬを完全に混色させることは困難である。すなわち、蛍光体から放射される黄色光ＹＬは回折の作用によって全方位に放射される一方、波長変換部材１２０を透過した青色光ＢＬは、レーザ光の発散角に相当する範囲でのみ放射される。このため、波長変換部材１２０から取り出される光は、中央部と周縁部で色度の異なるものとなっていた。
【００１１】
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、人間の目に対する安全性を確保するとともに発光色の混色性を改善することができる波長変換部材およびこの波長変換部材を用いた光源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】
【００１２】
本発明に係る波長変換部材は、レーザ光を導入し、前記レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する波長変換部材であって、レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記レーザ入射面と対向する面に接合され且つ前記蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、を有し、前記高屈折率層は、前記蛍光体層との接合面および前記接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る光源装置は、上記の波長変換部材を有する光源装置であって、前記レーザ入射面にレーザ光を照射する半導体レーザを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る波長変換部材および光源装置によれば、目に対する安全性を確保するとともに発光色の混色性を改善することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックスからなる波長変換部を含む光源装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ本発明の実施例に係る高屈折率層の光取り出し面における光散乱および回折の様子を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例１に係る波長変換部材の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る波長変換部を含む光源装置の構成を示す図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例２に係る波長変換部材の製造方法を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例に係る波長変換部材の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、各図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【実施例１】
【００１７】
図２は、本発明の実施例１に係る光源装置１の構成を示す断面図である。光源装置１は、レーザ光を出射する半導体レーザ１０と、レーザ光を受けてレーザ光の波長よりも長波長の光を放射する波長変換部材２０と、により構成される。
【００１８】
半導体レーザ１０は、例えば多重量子井戸構造を有するＧａＮ系の窒化物系半導体層を含み、波長４５０ｎｍ前後の青色光を放射する発光素子である。尚、半導体レーザ１０の発光波長、材料および層構造は、これに限定されるものではなく、用途に応じて適宜好適なものを選択することが可能である。
【００１９】
波長変換部材２０は、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光を受光する。波長変換部材２０は、蛍光体層２２、接着層２４、高屈折率層２６を積層した積層構造体である。波長変換部材２０は、蛍光体層２２が半導体レーザ１０側に向くように配置され、光散乱層２６の表面が光取り出し面となる。尚、半導体レーザ１０と波長変換部材２０との間にレンズ等の光学系を設け、光学系によって収斂したレーザ光を波長変換部材２０に照射することとしてもよい。
【００２０】
蛍光体層２２は、半導体レーザ１０から出射されるレーザ光によって焼損しない程度の耐熱性を有する材料からなり、例えば蛍光体ガラスにより構成される。蛍光体ガラスは、ガラス中に蛍光体を分散させたものであり、より具体的にはガラス粉末と蛍光体粉末との焼結体である。好適なガラスとしてはＢ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス、ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２系ガラス等が挙げられる。蛍光体は、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体であり、半導体レーザ１０から出射される波長４５０ｎｍ程度の青色光を吸収してこれを例えば波長５６０ｎｍ前後に発光ピークを持つ黄色光に変換する。蛍光体により波長変換された黄色光と、波長変換されずに蛍光体層２２を透過した青色光が混ざることにより、波長変換部材２０の光取り出し面からは、白色光が得られるようになっている。尚、蛍光体ガラスの屈折率は、１．４５〜１．６５程度であり、空気の屈折率（＝１）との差が小さい。また、蛍光体ガラスの熱伝導率は１Ｗ／ｍ・Ｋと非常に低い。このため、仮に波長変換部材を蛍光体ガラス単体で構成した場合には、蛍光体ガラスを透過して放射される青色光の放射角度範囲は比較的小さくまた波面のゆらぎも小さいため、色ムラが生じ、また目に対する安全性の確保が困難である。また、蛍光体から発せられる熱を効率よく外部に放出することができず、温度上昇が過大となる。このような問題は後述する高屈折率層２６を蛍光体層２２上に積層することにより解消される。尚、蛍光体層２２は、蛍光体焼結体である蛍光体セラミックにより構成されていてもよい。蛍光体セラミックは、例えば酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化セリウムなどの酸化物をアルコール溶媒とともの混合して造粒粉を作製し、これを成形して脱脂した後真空雰囲気中で焼成することにより得ることができる。
【００２１】
接着層２４は、蛍光体層２２と高屈折率層２６とを接合するための接合材を含む層である。接着層２４は、例えばＳＯＧ（spin on glass）により構成される。接着層２４にＳＯＧを用いることにより、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスとの屈折率差が小さくなるため、接着層２４が光反射面となることを防止することができる。
【００２２】
高屈折率層２６は、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスの屈折率よりも高い屈折率を有し且つ半導体レーザ１０からの出射光を透過させることができる材料からなる層である。高屈折率層２６は、空気との屈折率差が１以上であることが好ましい。高屈折率層２６の材料として例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体結晶が好適である。これらの窒化物半導体結晶は、屈折率が２．５程度であり、波長４００ｎｍ以上の光に対して透過性を有する。高屈折率層２６の厚さは０．５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。光取り出し面となる高屈折率層２６の表面には、光散乱および回折を促進させるための複数の突起が全面に亘って形成されており高屈折率層２６の表面は凹凸面となっている。すなわち、高屈折率層２６の表面は、複数の突起により構成される光散乱・回折構造面となっている。複数の突起は、窒化物半導体結晶の結晶構造に由来する六角錐形状を有し且つ大きさがランダムであることが好ましい。そのような突起は、マイクロコーンと称され、窒化物半導体結晶のＣ−面をアルカリ溶液でウェットエッチングすることにより容易に形成することが可能である。必要十分な光散乱効果を得るために、六角錐状突起の底面のサイズ（径）および高さは９０ｎｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。これらの寸法はエッチング時間及びエッチャント温度により制御することが可能である。尚、半導体レーザ１０に赤色レーザを用いる場合、高屈折率層２６の材料として、ＧａＰ等の燐化物半導体結晶を用いることも可能である。ＧａＰは、屈折率が３．２と非常に大きく、赤色レーザ光を透過することができる。また、窒化物半導体結晶と同様にウェットエッチングによる錐状突起物を形成することができるため粗面化処理も可能である。
【００２３】
図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、粗面化された高屈折率層２６の光取り出し面から放出される光の散乱および回折の様子を示す図である。高屈折率層２６に導入された光は、粗面化された光取り出し面において散乱および回折して大気中に放出される。
【００２４】
図３（ａ）は、光取り出し面である高屈折率層２６の表面において散乱を伴って放出される光の様子が示されている。半導体レーザ１０からの光は、例えば、発散光または光学系によって収斂された絞り光の状態で波長変換部材２０に導入される。この場合、高屈折率層２６の光取り出し面には様々な方向から光が照射され、複数の突起によって様々な方向に向けて大気中に光が放射される。高屈折率層２６と空気との屈折率差は比較的大きいため、大気中に放射される光の放射角度範囲を大きくすることが可能となる。すなわち、高屈折率層２６が高い屈折率を有するが故に、光散乱を効果的に生じさせることが可能となる。光散乱が促進されることにより目に対する安全性が向上するとともに、発光色の混色性をも改善することが可能である。すなわち、本実施例に係る光源装置によれば、波長変換部材２０の光取り出し面から放射される青色光の放射角度範囲が拡大されることから、図２に示すように、黄色光ＹＬと青色光ＢＬをほぼ完全に混色させることが可能となる。
【００２５】
図３（ｂ）は、光取り出し面である高屈折率層２６の表面において回折を伴って放出される光が示されている。高屈折率層２６の表面に形成された突起の径および高さが高屈折率層２６内における光の波長の約１０倍以下である場合、光は突起に衝突したときに回折を生じ、これにより新たな波面を生じさせる。突起において回折を生じた光は、いかなる光学系をもってしても半導体レーザ１０から出射されたレーザ光のスポット径に復元することは不可能となる。つまり、ビームスポットサイズは波長変換部材２０の光取り出し面のサイズに拡大される。ビームスポットサイズが十分に大きい場合には、人間の目に対する危険性は排除され、アイセーフ化が達成される。
【００２６】
尚、半導体レーザ１０からの光が平行光の状態で波長変換部材２０に導入される場合には、高屈折率層２６の表面の突起のサイズを比較的小さくすることが好ましい。これにより、光取り出し面における光散乱が抑制され、回折が支配的となる。マイクロコーンは特定の結晶面が表出した六角錐状突起であるところ、平行光を導入した場合において、マイクロコーンのサイズが大きい場合には、光放出が特定の方向に集中してしまうおそれがある。マイクロコーンのサイズを小さくして光取り出し面において回折が支配的に生じるようにすることによりそのような問題を回避することが可能となる。具体的には、突起の底面の径および高さを、高屈折率層２６内におけるレーザ波長の０．５倍以上５倍以下の範囲に設定することが好ましい。例えば、ＧａＮ系青色レーザを使用した場合であって、高屈折率層２６がＧａＮにより構成される場合、突起サイズは径が９０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００２７】
一方、高屈折率層２６と空気との屈折率差が大きい故、これらの界面において多重反射される光成分が多くなる。これにより、波長変換部材２０内部で青色光と黄色光とを均一に混ぜることが可能となり、色ムラのない白色光を得ることが可能となる。すなわち、波長変換部材２０は光ミキサーとしての機能も有する。また、高屈折率層２６の表面に多数の六角錐状の突起を形成することにより、ほぼ理想に近い光取り出し効率を実現することが可能となる。また、レーザ入射面に屈折率の低い層（蛍光体層２２）を配置し、光取り出し面側に屈折率の高い層（高屈折率層２６）を配置する層構成も光取り出し効率向上に寄与する。
【００２８】
また、高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の熱伝導率は１５０〜２５０Ｗ／ｍ・Ｋと比較的良好であり、また表面に複数の突起が設けられているため蛍光体層２２において生じた熱を効果的に大気中に放出することが可能となる。尚、高屈折率層２６の表面に六角錐状の突起を細密に形成した場合、表面積は平坦面の場合のおよそ２倍となる。
【００２９】
次に、上記した構成を有する波長変換部材２０の製造方法を図４（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ説明する。
【００３０】
はじめに、ＧａＮ系窒化物半導体結晶を成長可能なＣ面サファイア基板３０を用意する。続いて、有機金属気相成長法（MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により成長用基板１０上にＧａＮからなる厚さ１０μｍ程度の高屈折率層２６を形成する（図４（ａ））。
【００３１】
次に、蛍光体層２２を構成する蛍光体ガラスを用意しておく。蛍光体ガラスは、ガラス粉末と蛍光体粉末との焼結体である。次に、接合層２４の材料であるＳＯＧ溶剤をスピンコート法により高屈折率層２６の表面に塗布する。尚、ＳＯＣ溶剤は、シラノール（Ｓｉ(ＯＨ)４）をアルコールに溶かしたものである。蛍光体層２２と高屈折率層２６とを貼り合せた状態で押圧を加える。プレス圧力は例えば５ｋｇ／ｃｍ２、プレス時間は例えば１０分である。続いて、蛍光体層２２と高屈折率層２６とを貼り合せたものに４５０℃、３０分間の熱処理を施してＳＯＧの溶媒成分を揮発させ、シラノールを脱水重合反応させる。これにより蛍光体層２２と高屈折率層２６とが接着層２４を介して接合される（図４（ｂ））。
【００３２】
次に、レーザリフトオフ法などによりサファイア基板３０を剥離する。レーザ光源としてエキシマレーザを使用することができる。サファイア基板３０の裏面側から照射されたレーザは、高屈折率層２６に達し、サファイア基板３０との界面近傍におけるＧａＮを金属ＧａとＮ２ガスに分解する。これにより、サファイア基板３０と高屈折率層２６との間に空隙が形成され、サファイア基板３０が高屈折率層２６から剥離する。サファイア基板３０を剥離することにより高屈折率層２６の表面が露出する（図４（ｃ））。
【００３３】
次に、サファイア基板３０を剥離することにより露出した高屈折率層２６の表面をＴＨＡＨ（テトラ・メチルアンモニア溶液）等でエッチングして高屈折率層２６の表面にＧａＮの結晶構造に由来する複数の六角錐状突起（マイクロコーン）を形成する（図４（ｄ））。以上の各工程を経ることにより波長変換部材２０が完成する。
【００３４】
以上の説明から明らかなように、本実施例に係る波長変換部材２０は、半導体レーザ側に配置された蛍光体層２２と、蛍光体層２２のレーザ入射面と対向する面に接合され且つ蛍光体層２２の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層２６と、を有し、高屈折率層は光取り出し面に多数の六角錐状突起を有する。このような波長変換部材２０の構成によれば、光取り出し面において光散乱・回折構造が形成され、蛍光体層２２を透過したレーザ光は、高屈折率層２６の光取り出し面において散乱および回折して大気中に放出される。高屈折率層２６と空気との屈折率差は比較的大きい故、上記散乱および回折の程度も大きくなり、レーザ光の波面に大きなゆらぎを与えることができる。すなわち、本実施例に係る波長変換部材２０によれば、レーザ光をインコヒーレント光として取り出すことができ、目に対する安全性および混色性を改善することが可能となる。また、高屈折率層２６を蛍光体層２２よりも熱伝導率の高い材料で構成することにより、蛍光体がレーザ光の波長変換を行う際に発する熱を効果的に大気中に放出させることが可能となる。
【実施例２】
【００３５】
図５は、本発明の実施例２に係る光源装置２の構成を示す図である。光源装置２は、波長変換部材の構成が上記した実施例１のものと異なる。波長変換部材２０ａは、レーザ入射面の一部と、光取り出し面の全面を除く表面に光反射膜２８を有する。すなわち、光反射膜２８は、波長変換部材２０ａの側面と、レーザ入射面である蛍光体層２２の底面の一部を覆う。レーザ入射面において光反射膜２８が形成されていない部分は波長変換部材２０ａにレーザ光を導入するためのレーザ入射口２９である。光反射膜２８は、光反射性を有する金属で構成され、例えば、Ａｇ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次積層した多層膜により構成される。このように、波長変換部材２０ａの表面を光反射膜２８で覆うことにより、波長変換部材２０ａの側面から出ようとする光は光反射膜２８によって波長変換部材２０ａの内部側に反射されることにより、光取り出し面から取り出すことのできる光の量を増大させることが可能となり、光取り出し効率を向上させることが可能となる。また、波長変換部材２０ａの側面においては、光散乱および回折が生じにくいことから、側面から光を外部に放出することは危険である。本実施例のように波長変換部材２０ａの表面に光反射膜２８を設けることにより、そのような危険な光放出がなくなり、目に対する安全性が確保される。
【００３６】
図６（ａ）〜（ｄ）は、実施例２に係る波長変換部材２０ａの製造方法を示す図である。はじめに、図４に示された各工程を経ることにより得られる蛍光体層２２上に高屈折率層２６を積層したウエハ２１を用意する。その一方、ウエハ２１を一時的に支持するための支持基板４０を用意する。支持基板４０は、後述するウエハのダイシング工程において破壊しない程度の機械的強度とＵＶ光に対して透過性を有するものであればよく、例えばサファイア基板を用いることができる。次に、支持基板４０上に粘着シート４２を介して複数の突起が形成された高屈折率層２６の表面が接着面となるようにウエハ２１を貼り付ける。粘着シート４２は所定エネルギーのＵＶ光を照射することにより剥離することができるＵＶ剥離型粘着シートである（図６（ａ））。
【００３７】
次に、ダイシング法またはレーザスクライブ法等により所定の分割ラインに沿ってウエハ２１を分割する。分割溝５０は、粘着シート４２に達しているが、支持基板４０にまでは達しない深さで形成される。分割溝５０の形状は下方に向かうにつれて溝幅がしだいに狭くなるＶ字型であることが好ましい。すなわち、分割された各個片がテーパ形状となるように分割溝５０を形成することが好ましい（図６（ｂ））。
【００３８】
次に、蛍光体層２２のレーザ入射口２９に対応する部分を覆うレジストマスク（図示せず）を形成した後、蒸着法等によりウエハ２０の上面および分割溝５０を形成することにより表出した側面を覆うようにＡｇ（厚さ２５０ｎｍ）／Ｔｉ（厚さ１００ｎｍ）／Ｐｔ（厚さ２００ｎｍ）／Ａｕ（厚さ２００ｎｍ）を順次堆積させ、光反射膜２８を成膜する。続いて、上記レジストマスクを除去することにより上記金属をリフトオフしてレーザ入射口２９を形成する（図６（ｃ））。
【００３９】
次に、支持基板４０の裏面側から所定エネルギーのＵＶ光を照射して粘着シート４２を支持基板４０と共に剥離する（図６（ｄ））。以上の各工程を経ることにより波長変換部材２０ａが完成する。
【００４０】
このように、本実施例に係る波長変換部材およびこれを用いた光源装置によれば、上記した実施例１に係るものと同様の効果を得ることができる。また、光取り出し効率および目に対する安全性を更に向上させることが可能となる。
【００４１】
図７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、上記した波長変換部材２０ａの構成を改変した変形例である。
【００４２】
図７（ａ）に示されている波長変換部材２０ｂは、蛍光体ガラスからなる蛍光体層２２と窒化物半導体からなる高屈折率層２６とが接着層を介さずに直接接合されている。これにより、蛍光体層２２において発生した熱が高屈折率層２６に伝わりやすくなり放熱性が改善される。このような積層構造は、例えば以下のようにして得ることができる。高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、窒化物半導体の表面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを一旦溶融させた後、硬化させる。図４（ｃ）に示すようにサファイア基板３０を剥離して、これによって表出した窒化物半導体の表出面に図４（ｄ）に示すようにウェットエッチングにより凹凸を形成する。その後、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように粘着シート４２を用いて支持基板４０を貼り合わせ、窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を設ける。波長変換部材２０ｂがその側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４３】
図７（ｂ）に示される波長変換部材２０ｃにおいて、高屈折率層２６は、蛍光体層２２との接合面および光取り出し面の両面に凹凸を有する。蛍光体層２２は、高屈折率層２６の凹凸面に密着して接合されている。このように、高屈折率層２６の両面に光散乱・回折構造面を形成することによりレーザ光を回折・散乱させる効果をより高めることができる。また、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接触面積が増加するため放熱性をより高めることが可能となる。例えば、高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、ドライエッチングにより窒化物半導体の表面に凹凸を形成し、この凹凸面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを溶融させて凹凸面に密着させることにより、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接合面を凹凸にすることができる。凹凸の形状および寸法は、光散乱・回折効果が得られるように適宜定めることができる。例えば、凹凸面は、ストライプ状の溝によって構成することができる。一方、光取り出し面側の凹凸は、上記した実施例１の場合と同様にサファイア基板の剥離後のウェットエッチングにより形成することができる。更に、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように粘着シート４２を用いて支持基板４０を貼り合わせ、窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を設ける。波長変換部材２０ｃが、その側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４４】
図７（ｃ）に示される波長変換部材２０ｄにおいて、高屈折率層２６は、蛍光体層２２との接合面に六角錐状の突起（マイクロコーン）を有する。蛍光体層２２は、かかる凹凸面に密着して接合されている。すなわち、波長変換部材２０ｄは、高屈折率層２６と蛍光体層２２との接合面において光散乱・回折構造を有する。このような構成によっても、上記各実施例に係る波長変換部材と同様の光散乱・回折効果を得ることができる。また、蛍光体層２２と高屈折率層２６との接触面積が増加するため放熱性をより高めることが可能となる。尚、高屈折率層２６の光取り出し面は、図７（ｃ）に示すように平坦であってもよいし、凹凸を有していてもよい。
【００４５】
このような積層構造は、例えば以下のようにして得ることができる。サファイア基板上に高屈折率層２６を構成する窒化物半導体の結晶成長を行った後に、窒化物半導体の表面に支持基板を貼り付ける。次に、レーザリフトオフ法などによりサファイア基板を剥離する。サファイア基板を剥離することにより表出した窒化物半導体の表面（Ｃ−面）をウェットエッチングして六角錐状突起（マイクロコーン）を形成する。六角錐状突起が形成された窒化物半導体の表面に蛍光体ガラスの原材料を散布して約９５０℃にてこれを溶融させて、凹凸面に密着させた後、硬化させる。窒化物半導体を分割し、光反射膜２８を形成した後、支持基板を除去する。波長変換部材２０ｄが、その側面およびレーザ入射面の一部を覆う光反射膜２８を有する点は、上記した波長変換部材２０ａと同様である。
【００４６】
図７（ｄ）に示される波長変換部材２０ｅは、レーザ入射口が反射防止膜（ＡＲフィルム）３２で覆われている。反射防止膜３２は、例えば屈折率が互いに異なる２種類の層を交互に繰り返して積層した多層膜である。高屈折率層の材料としては、例えばＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５などが挙げられる。低屈折率層の材料としては、例えばＳｉＯ２などが挙げられる。このような材料からなる高屈折率層と低屈折率層を交互に積層することにより反射防止膜３２が形成される。また、高屈折率層と低屈折率層の中間の屈折率を持つ中間屈折率層をこれらの間に挿入してもよい。中間屈折率層の材料としては、例えばＡｌ２Ｏ３などが挙げられる。
【００４７】
蛍光体層２２のレーザ入射口に反射防止膜３２を設けることにより、レーザ入射面における光反射が減少し、波長変換部材２０ｅへのレーザ光の導入効率を向上させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ レーザダイオード
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ 波長変換部材
２２ 蛍光体層
２４ 接着層
２６ 高屈折率層
２８ 光反射膜
２９ レーザ入射口
３０ サファイア基板
３２ 反射防止膜
４０ 支持基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を導入し、前記レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する波長変換部材であって、
レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層と、
前記蛍光体層の前記レーザ入射面と対向する面に接合され且つ前記蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、を有し、
前記高屈折率層は、前記蛍光体層との接合面および前記接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有することを特徴とする波長変換部材。
【請求項２】
前記蛍光体層および前記高屈折率層の表出面を部分的に覆う光反射膜を更に有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
【請求項３】
前記高屈折率層は、窒化物半導体または燐化物半導体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換部材。
【請求項４】
前記高屈折率層は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の波長変換部材。
【請求項５】
前記凹凸は、前記窒化物半導体または前記燐化物半導体の結晶構造に由来する錐状突起により構成されることを特徴とする請求項３に記載の波長変換部材。
【請求項６】
前記蛍光体層は、蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項７】
前記高屈折率層は、前記蛍光体層の接合面と前記光取り出し面の両面に凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項８】
前記蛍光体層の前記レーザ入射面に設けられた反射防止膜を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１つに記載の波長変換部材を有する光源装置であって、
前記レーザ入射面にレーザ光を照射する半導体レーザを有することを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
前記凹凸を構成する突起の１つの径および高さは、前記レーザ光の前記高屈折率層の内部における波長の１０倍以下であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【請求項１】
レーザ光を導入し、前記レーザ光の波長とは異なる波長の光を放射する波長変換部材であって、
レーザ光を導入し得るレーザ入射面を有し且つ層内に蛍光体を含有する蛍光体層と、
前記蛍光体層の前記レーザ入射面と対向する面に接合され且つ前記蛍光体層の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率層と、を有し、
前記高屈折率層は、前記蛍光体層との接合面および前記接合面と対向する光取り出し面の少なくとも一方に、凹凸を有することを特徴とする波長変換部材。
【請求項２】
前記蛍光体層および前記高屈折率層の表出面を部分的に覆う光反射膜を更に有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換部材。
【請求項３】
前記高屈折率層は、窒化物半導体または燐化物半導体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換部材。
【請求項４】
前記高屈折率層は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の波長変換部材。
【請求項５】
前記凹凸は、前記窒化物半導体または前記燐化物半導体の結晶構造に由来する錐状突起により構成されることを特徴とする請求項３に記載の波長変換部材。
【請求項６】
前記蛍光体層は、蛍光体ガラスまたは蛍光体セラミックであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項７】
前記高屈折率層は、前記蛍光体層の接合面と前記光取り出し面の両面に凹凸を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項８】
前記蛍光体層の前記レーザ入射面に設けられた反射防止膜を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の波長変換部材。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１つに記載の波長変換部材を有する光源装置であって、
前記レーザ入射面にレーザ光を照射する半導体レーザを有することを特徴とする光源装置。
【請求項１０】
前記凹凸を構成する突起の１つの径および高さは、前記レーザ光の前記高屈折率層の内部における波長の１０倍以下であることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８２３７６（Ｐ２０１２−１８２３７６Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５３０９（Ｐ２０１１−４５３０９）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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