説明

発光装置

【課題】高い部品精度を必要とすることなく、かつ量産性に富む発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置の第1の電極26は凸部26aと凸部の周りを囲む底面26bとを有する。第2の電極30は第1の電極の底面と対向する第1の面30aと第2の面30bとを有する。また第2の電極は開口部30cと第2の面から第1の面の方向に後退した段差部30eとを有する。半導体レーザ素子52は凸部の上方に設けられ、発光層を有する。ボンディングワイヤ54は半導体レーザ素子と段差部とを電気的に接続可能である。透光性枠部40は凸部と半導体レーザ素子との周りをそれぞれ囲み、ガラスからなる。また透光性枠部は第1の電極の底面と接着され、かつ第2の電極の第1の面と接着される。また蓋部は第2の電極の第2の面と接着される。さらに、半導体レーザ素子から放出されるレーザ光のうち半値全角内の光成分は、透光性枠部から外方へ出射可能である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、発光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
電極が上面および下面に設けられた表面発光型の発光素子(LED:Light Emitting Diode) は、放出光の一部が電極により遮光される。また、放熱性が悪く、電流密度の増大には限界がある。
【0003】
また、表面発光型の発光素子は、Lambertian放射パターンを有しており、その半値全角は、例えば120度のように広くなる。このため、放出光を絞り込むことが困難である。
【0004】
これに対して、半導体レーザ(Semiconductor Laser、 Diode Laser、 Laser Diode :LD)は、微小な側面の発光領域から鋭い指向性のレーザ光を放出できる。このため半導体レーザは、例えば入射断面積が小さい光ファイバーなどをレーザー光を導光させる導光部材として用い、発光素子から離れた位置に設けた波長変換部材(蛍光体など)をレーザー光にて励起発光させることで、蛍光体の長さや幅に応じた領域を発光する励起発光光源などに応用可能である。励起発光光源は、自動車用フォグランプ、表示装置のバックライト光源、光センサ光源、画像読取り装置用線状光源、一般照明用光源などに用いることができる。
【0005】
このような用途では、小型化、放熱性および実装性に優れ、かつ信頼性に富む発光装置が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2005−333014号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
高い部品精度を必要とすることなく、かつ量産性に富む発光装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の実施形態の発光装置は、第1の電極と、第2の電極と、半導体レーザ素子と、ボンディングワイヤと、透光性枠部と、蓋部と、を有する。前記第1の電極は、凸部と、前記凸部の周りを囲む底面と、前記底面とは反対の側となる裏面と、を有する。前記第2の電極は、 前記第1の電極の前記底面と対向する第1の面と、前記第1の面とは反対の側となる第2の面と、を有する。また前記第2の電極は、開口部と、前記第2の面から前記第1の面の方向に後退した段差部と、を有する。前記半導体レーザ素子は、前記凸部の上方に設けられ、発光層を有する。前記ボンディングワイヤは、前記半導体レーザ素子と、前記第2の電極に設けられた段差部と、を電気的に接続可能である。前記透光性枠部は、前記凸部と、前記半導体レーザ素子と、の周りをそれぞれ囲み、ガラスからなる。また前記透光性枠部は、前記底面と接着されかつ前記第2の電極の前記第1の面と接着される。また前記蓋部は、前記第2の電極の前記第2の面と接着される。さらに、 前記半導体レーザ素子から放出されるレーザ光のうち、半値全角内の光成分は、前記透光性枠部から外方へ出射可能である。
【発明の効果】
【0009】
高い部品精度を必要とすることなく、かつ量産性に富む発光装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】図1(a)は第1の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図1(b)はA−Aに沿った模式断面図、図1(c)はレーザ光の広がりを説明する模式斜視図、である。
【図2】レーザ光の遠視野像を説明するグラフ図である。
【図3】比較例にかかる発光装置の模式断面図である。
【図4】図4(a)は第2の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図4(b)はA−A線に沿った模式断面図、図4(c)は第2の実施形態の変形例にかかる模式断面図、である。
【図5】図5(a)は第3の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図5(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【図6】図6(a)は第4の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図6(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【図7】図7(a)は第5の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図7(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【図8】図8(a)は第6の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図8(b)はA−A線に沿った模式断面図、である
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図1(a)は第1の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図1(b)はA−Aに沿った模式断面図、図1(c)はレーザ光の広がりを説明する模式斜視図、である。
発光装置は、第1の電極26、第2の電極30、半導体レーザ素子52、透光性枠部40、蓋部60、を有している。なお、図1(a)は、B−B線に沿った模式平面図であり、蓋部60を設けていない状態を示す。
【0012】
第1の電極26は、凸部26aと、凸部26aの周りの底面26bと、底面26bとは反対の側の裏面26cと、を有している。また、凸部26aの上に、セラミックなどからなるサブマウント50を設けることができる。さらにサブマント50の上に半導体レーザ素子52を設けることができる。サブマント52を設けると、金属からなる凸部26aと、半導体レーザ素子52と、の間の線膨張係数の差などにより半導体レーザ素子52へ加わる応力を低減することができる。このため、信頼性を高めることができる。
【0013】
第2の電極30は、第1の電極26の底面26bと対向する第1の面30aと、第1の面30aとは反対の側の第2の面30bと、を有する。また、第2の電極30には、開口部30cと、段差部30dと、が設けられている。段差部30dは、第2の面30bから第1の面30aの方向に後退し、開口部30cの内側に段差部30dの少なくとも一部が現れるように形成されている。
【0014】
半導体レーザ素子52は、ボンディングワイヤ56により、第1の電極26と接続される。また、半導体レーザ素子52は、ボンディングワイヤ54により、第2の電極30と接続される。もし、サブマント50が導電性である場合、半導体レーザ素子52の裏面と凸部26aとが導通可能となり、ボンディングワイヤ56を省略できる。また、サブマウント50が絶縁性である場合、サブマウント50の表面の導電層の上に半導体レーザ素子52を接着する。さらに、導電層と凸部26aとをボンディングワイヤ56で接続することにより、半導体レーザ素子52の一方の電極と、第1の電極26と、を接続できる。
【0015】
半導体レーザ素子52の他方の電極と、第2の電極30の段差部30dの上面30eとは、ボンディングワイヤ54により直接接続できる。または、サブマウント50の上に導電部を設け、半導体レーザ素子52の他方の電極と導電部とを第1のボンディングワイヤで接続し、導電部と段差部30dの上面30eとを第2のボンディングワイヤで接続してもよい。
【0016】
また、金線などを用いてワイヤボンディングを行う場合、例えば直径が10〜30μmなどの金線は、キャピラリの孔部を通った状態で導電部などに押し付けられる。すなわち、キャピラリは、第2の電極30に設けられた開口部30c内に挿入され、半導体レーザ素子52の上面の電極まで届くことが必要である。このため、開口部30cの幅WOは、たとえば0.5mm以上であることが好ましい。また、第2の電極30の第2の面30bと、半導体レーザ素子52の上面と、の距離D1は、たとえば2mm以下であることが好ましい。
【0017】
また、硼珪酸ガラスなどからなる透光性枠部40は、凸部26aおよび半導体レーザ素子52を囲むように設けられる。透光性枠部40の横方向の厚さTFを、例えば0.2mm以上とすれば第1の電極26との接着強度を高く保つことができる。なお、硼珪酸ガラスの線膨張係数は、5.2×10−6−1の近傍である。
【0018】
第1の電極26の底面26aと、第2の電極30の第1の面30aと、透光性枠部40の両側端部の全周とが、それぞれ接着される。さらに、第2の電極30の第2の面30bの上に、開口部30cを覆うように蓋部60を設ける。このようにして構成されたパッケージは、半導体レーザ素子52をその内部に封止することができる。蓋部60は、たとえば、コバールや鉄などからなるものとすることができる。
【0019】
第1の電極26は、モリブデン、銅、銅合金などとするこことができる。第2の電極30は、コバール、鉄、モリブデンなどとすることができる。コバールの線膨張係数は、たとえば5.7×10−6−1である。また、モリブデンの線膨張係数は、たとえば5.1×10−6−1である。すなわち、コバールやモリブデンの線膨張係数は、硼珪酸ガラスの線膨張係数に近い。
【0020】
このように、線膨張係数が近い材料をAuSn半田やAuGe半田を用いて接着すると、硼珪酸ガラスに割れやクラックを生じることが抑制される。この結果、内部の半導体レーザ素子52は、第1の電極26と、第2の電極30と、透光性枠部40と、により気密に封止することが可能であり、高い信頼性を保つことができる。
【0021】
また、第1の電極26の凸部26aと、その下方の領域を銅や銅合金とすると、放熱性を高めることができる。モリブデンの熱伝導率は、138W/m・Kである。他方、銅の熱伝導率は、401W/m・Kであり、銅合金(2.3wt%の鉄、0.1wt%の亜鉛、0.03wt%の燐を含む)の熱伝導率は262W/m・K)であり、モリブデンの熱伝導率よりもそれぞれ高い。しかしながら、銅の線膨張係数は、16.5×10−6−1の近傍であり、硼珪酸ガラスの線膨張係数の略3.2倍と高い。この場合、硼珪酸ガラスからなる透光性枠部40と、銅板または銅合金板との間に、コバールやモリブデンからなる薄板を設けると透光性枠部40に対して、確実に接着できる。
【0022】
半導体レーザ素子52は、InGaAlN系、InAlGaP系、GaAlAs系、などの材料からなる。
【0023】
なお、本明細書において、InGaAlN系とは、InGaAl1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)なる組成式で表され、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。また、In(AlGa1−y1−xP(0≦x≦1、0≦y≦1)なる組成式で表され、アクセプタやドナーとなる元素を含んでもよいものとする。さらに、AlGaAs系とは、AlGa1−xAs(0≦x≦1)なる組成式で表され、アクセプタやドナーを含んでもよいものとする。
【0024】
また、第1の電極26の凸部26aの高さを小さくすると、発光装置の高さを小さくすることができる。
【0025】
図2は、レーザ光の遠視野像を説明するグラフ図である。
縦軸は相対発光強度、横軸は光軸からの角度(度)、である。遠視野像(FFP:FarField Pattern)は、半導体レーザ素子52から放出されるレーザ光53の広がりを示す(図1(a)。半導体レーザ素子52の素子表面に対して垂直方向へのレーザ光53の半値全角Θvは略30度、水平方向への半値全角Θhは略10度などとなる。
【0026】
このレーザ光53のうち、半値全角Θv、Θhの光成分は、第1の電極26や第2の電極30に遮光されることなく透光性枠部40から外方へ放出されることが好ましい。
【0027】
なお、半導体レーザ素子52の側面は、通常へきかい面とされ光共振器を構成するミラー面とする。例えば、レーザ光53の出射面の反射率を5〜30%、出射面の反対の側となる反射面の反射率:90%以上などとすると、出射面からの出力を高めることができる。
【0028】
なお、平面視において、発光装置は、角柱型ではなく、円柱、楕円柱、多角形柱、などであってもよい。
【0029】
図3は、比較例にかかる発光装置の模式断面図である。
比較例にかかる発光装置において、第1の電極126は凸部126a、第2の電極30は凸部130a、をそれぞれ有する。半導体レーザ素子152は、凸部126aの上に設けられたサブマウント150の上に設けられる。半導体レーザ素子152の上側電極は、凸部130a側から押し当てられたAuバンプ156により電気的に接続される。この構造では、Auバンプ156の高さHBは、略10μmのように高い部品精度であることが要求される。このため、工程が複雑となり、組立歩留を高く保つことが困難である。
【0030】
これに対して、第1の実施形態では、第2の電極30に設けられた開口部30c内に、キャピラリを挿入することにより、半導体レーザ素子52と、段差部30dと、を確実かつ高い生産性でワイヤボンディングにより接続可能である。
【0031】
図4(a)は第2の実施形態にかかる発光装置の模式平面図、図4(b)はA−A線に沿った模式断面図、図4(c)は第2の実施形態の変形例にかかる模式断面図、である。
蓋部60は、ガラスなどからなる透光性材料であってもよい。透光性を有する蓋部60とすると、段差部30dの上面30eをパッケージの外側から蓋部60を通して見ることができる。このため、ボンディングワイヤ54が段差部30dの上面30eに確実に接続されているかなどを、目視検査することができるので、実装工程などによる不具合を取り除くことができる。
【0032】
また、透光性を有する蓋部60の表面にITO(Indium Tin Oxide)などからなる透明導電膜60aを設けると、第2の電極30と導通でき、発光装置と実装基板との間の電気的接続が容易となる。
【0033】
図5(a)は第3の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図5(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
レーザ光53が出射する側の透光性枠部41は、第1および第2の電極26、30の側面方向の外縁よりも外方へ向かって突出部41aを有している。このようにすると、凹部が設けられた導光体72と、突出部41aと、を嵌め合わせ、線状照明装置を構成することができる。
【0034】
突出部41aの表面における光密度は低減されるので、導光体72が樹脂であっても光照射による樹脂の劣化などが抑制される。この場合、導光体72の延在する方向に沿って蛍光体層74を設けると、レーザ光53と蛍光体層74による波長変換光との混合光を外部に放出することができる。
【0035】
図6(a)は第4の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図6(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
第2の電極30の段差部30dは、A−A線に平行であってもよい。このようにすると、半導体レーザ素子52と段差部30dとのボンディング方向と、サブマント50上の導電層と凸部26aとのボンディング方向と、を平行とすることができる。このため、キャピラリの移動方向を揃えることができ、ボンディング時間が短縮できる。
【0036】
図7(a)は第5の実施形態にかかる発光装置の部分模式平面図、図7(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
段差部30dの上面30eは、第2の電極30の第1の面30aよりも下方に設けることができる。すなわち、段差部30dの上面30eと、半導体レーザ素子52の上面と、の距離D2は、図1(b)に示す第1の実施形態の距離よりも短い。この場合、段差部30dをレーザ光の出射方向の反対の側に設けることができるので、レーザ光のFFPを乱すことはない。
【0037】
段差部30dとする領域は、プレス加工などにより下方に折り曲げることができる。第5の実施形態では、ボンディングワイヤ54を短くでき、発光装置を薄型にすることができる。また、ワイヤを短くできるので、ワイヤボンディング工程の作業性がよい。
【0038】
図8(a)は第6の実施形態にかかる発光装置の模式断面図、図8(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザ素子52が、InGaAlN系材料の場合、レーザ光53は例えば青〜青紫色の波長とすることができる。図8(b)のように、透光性枠部40の内縁のうちレーザ光53が透過する領域に黄色蛍光体層70を設けると、白色光を放出することができる。または、透光性枠部40の外縁のうち、レーザ光53が透過する領域に黄色蛍光体層70を設けてもよい。なお、透光性枠部40を設けたあと、内部に蛍光体粒子が混合された透明樹脂層を設けてもよい。
【0039】
第1〜第6の実施形態によれば、高い部品精度を必要とすることなく、かつ量産性に富み、小型化が容易な発光装置が提供される。このような発光装置は、線状光源などに応用可能である。さらに、線状光源は、自動車用フォグランプ、表示装置のバックライト光源、光センサ光源などに広く用いることができる。
【0040】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0041】
26 第1の電極、26a 凸部、26b底面、30 第2の電極、30a 第1の面、30b 第2の面、30c 開口部、30d 段差部、30e 上面、40、41 透光性枠部、52 半導体レーザ素子、53 レーザ光、54、56 ボンディングワイヤ、60 蓋部、60a 透明導電膜、Θv 垂直方向半値全角、Θh 水平方向半値全角

【特許請求の範囲】
【請求項1】
凸部と、前記凸部の周りを囲む底面と、前記底面とは反対の側となる裏面と、を有する第1の電極と、
前記第1の電極の前記底面と対向する第1の面と、前記第1の面とは反対の側となる第2の面と、を有する第2の電極であって、開口部と、前記第2の面から前記第1の面の方向に後退した段差部と、が設けられた第2の電極と、
前記凸部の上に設けられ、発光層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子と、前記段差部と、を電気的に接続可能なボンディングワイヤと、
前記凸部と、前記半導体レーザ素子と、の周りをそれぞれ囲み、ガラスからなる透光性枠部であって、前記底面と接着されかつ前記第2の電極の前記第1の面と接着された透光性枠部と、
前記第2の電極の前記第2の面と接着された蓋部と、
を備え、
前記半導体レーザ素子から放出されるレーザ光のうち、半値全角内の光成分は、前記透光性枠部から外方へ出射可能であることを特徴とする発光装置。
【請求項2】
前記蓋部は、透光性を有することを特徴とする請求項1記載の発光装置。
【請求項3】
前記蓋部は、前記第2の電極と接続された透明導電膜を表面に有することを特徴とする請求項2記載の発光装置。
【請求項4】
前記ボンディングワイヤとされる前記段差部の上面は、前記第1の面よりも下方であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の発光装置。
【請求項5】
前記第1の電極は、モリブデン、銅、銅合金のうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の発光装置。
【請求項6】
前記第2の電極は、コバール、鉄、モリブデンのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の発光装置。

【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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【公開番号】特開2013−84810(P2013−84810A)
【公開日】平成25年5月9日(2013.5.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−224264(P2011−224264)
【出願日】平成23年10月11日(2011.10.11)
【出願人】(000111672)ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Fターム(参考)】