JP2000036623A - 半導体発光素子アレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無駄なスペースを極限まで排して小型化と高
出力化を同時に達成できるようにした半導体発光素子ア
レイを実現すること 【解決手段】 平板型の半導体発光ウエハＳ１と平板型
の光学カバーＳ２とからなり、半導体発光ウエハＳ１は
半導体ウエハに発光セルアレイをほぼ全面的に配列形成
したものであり、その片面のほぼ全面が発光面となり、
前記各発光セルから生じる光が光学カバーＳ２に形成さ
れている各導光路を経て各出射窓２８から外部に出射す
るように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種の光学的計測
系や撮像系の照明光源として好適な半導体発光素子アレ
イに関し、特に、発光ダイオードなどの半導体発光素子
による小型軽量で高出力の半導体発光素子アレイ及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の技術開発によりＬＥＤ（発光ダイ
オード）の高出力化が進んでおり、低消費電力で長寿命
の照明光源としてＬＥＤランプが使用されるようになっ
てきた。ただし、撮影用の照明光源として使用するよう
な場合に、１個のＬＥＤで十分な光量が得られるわけで
はなく、多数のＬＥＤを合体させたＬＥＤ集合ランプを
用いている。光源としての用途に合わせて開発されたＬ
ＥＤ集合ランプが何種類か市販されている。

【０００３】図１（ａ），（ｂ）にＬＥＤ集合ランプの
２種類の基本構造を示している。同図（ａ）に示すタイ
プは、適当な実装基板にチップ形態のＬＥＤ１をできる
だけ密に配設し、これに適当な光学カバー（図示省略）
を被せるものである。また、同図（ｂ）に示すタイプ
は、レンズ体にモールドされたＬＥＤランプ２を適当な
実行基板に密に配設したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図１（ａ）のタイプの
ＬＥＤ集合ランプでは、ＬＥＤチップ１の実装数を増や
して高出力化を図ると、配線用のワイヤ１ａや電極パッ
ドの数が増え、実装工程が煩雑化するとともに配線材料
コストも増大するという問題がある。また、各ＬＥＤチ
ップ１間には配線用の間隔をあける必要があるので、高
密度実装にも限界があり、チップ数を増やすと集合ラン
プとしての外形寸法が大きくなるという問題もある。さ
らには、発光部分の面積が大きくなると、レンズによっ
て集光することが難しく、そのため局部的な照明に使う
ような用途には適さなくなる。

【０００５】一方、図１（ｂ）に示すタイプのＬＥＤ集
合ランプの場合、レンズ体にモールドされたＬＥＤラン
プ２を多数使用するので、コスト高になるという基本的
な問題がある。また裸のＬＥＤチップを多数実装する場
合に比べ、一定の大きさの中に実装できるＬＥＤの数が
少なくなる。そのためＬＥＤの数を増やして高出力化を
図ると、集合ランプとしての外形寸法が相当に大きくな
ってしまう。

【０００６】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、無駄なスペースを極限まで排して小型化と高出力化
を同時に達成できるようにした半導体発光素子アレイ及
びその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る半導体発光素子アレイでは、基本
的に、次の事項（１）〜（３）により特定されるものの
発明である（請求項１）。 （１）平板型の半導体発光ウエハと平板型の光学カバー
とを備えている。 （２）前記半導体発光ウエハは、ほぼ全面的に発光セル
アレイを配列形成し、その片面のほぼ全面が発光面とな
る。 （３）前記光学カバーは、前記半導体発光ウエハの発光
面側に貼り合わされている。光学カバーには、前記半導
体発光ウエハにおける前記発光セルアレイの配列に合わ
せたパターンの導光路アレイを形成したものであり、そ
の光学カバーの表面側には前記導光路アレイの終端であ
る出射窓アレイが配列されている。そして、前記各発光
セルから生じる光が前記各導光路を経て前記各出射窓か
ら外部に出射する。

【０００８】１枚のウエハ上に発光セルアレイを配列形
成したため、多数の発光部を集約することができ、無駄
なスペースを極限まで削ぎ落とした構造となり、その小
さな構造体から高出力の光を高効率に取り出すことがで
きる。

【０００９】以上の基本的な要件（１）〜（３）に加え
て、前記光学カバー表面における前記各出射窓部分にレ
ンズを配設するように構成するとさらに好ましい（請求
項２）。係る構成を採ると、レンズにより集光されるの
で、指向性がさらに高まるため好ましい。また、本発明
は、次のような要件を適宜に組み合わせて実施するとさ
らに好ましい。

【００１０】（ａ）前記光学カバーにおける前記各導光
路は、カバー裏面側の大きな開口からカバー表面の前記
出射窓の小さな開口につながるテーパー状の穴空間と
し、その穴の内周面に反射膜を形成する。

【００１１】（ｂ）前記光学カバーにおける前記導光路
としての穴空間に透明樹脂を充填し、その透明樹脂の屈
折率は、空気の屈折率よりも大きく、前記発光セル表面
の屈折率よりも小さいものとする。

【００１２】また、本発明に係る半導体発光ウエハの製
造方法で、発光セルアレイをほぼ全面的に配列形成した
半導体発光ウエハを製造し、別工程で、前記半導体発光
ウエハにおける前記発光セルアレイの配列に合わせたパ
ターンの導光路アレイを有するとともに、その導光路の
先端に出射窓を有する光学カバーを製造する。そして、
前記発光アレイと前記導光路とを位置合わせしつつ前記
光学カバーを前記半導体発光ウエハの発光面側に接合す
るようにした（請求項３）。係る方法により請求項１に
記載の半導体発光素子アレイを効率的に製造することが
できる。

【００１３】そして、前記出射窓の配列に合わせたパタ
ーンのレンズを有する１枚のレンズ板を用意し、前記出
射窓と、前記レンズの軸を一致させるように位置決めし
つつ前記レンズ板を、前記光学カバーの前記半導体発光
ウエハとの非接合面に接合する工程をさらに有するよう
にするとなおよい（請求項４）。係る方法により請求項
２に記載のレンズ付きの半導体発光素子アレイを効率的
に製造することができる。

【００１４】また、レンズ付き半導体発光素子アレイを
製造する別の製造プロセスとしては、前記光学カバーの
表面に樹脂を塗布するとともにパターニングして前記出
射窓に対応する部分に前記樹脂を残し、その残った樹脂
を熱処理してレンズを形成する工程をさらに有するよう
にしてもよい（請求項５）。

【００１５】この請求項４，５では、レンズを形成する
工程は、半導体発光ウエハと光学カバーの接合後に行っ
てもよいし、接合前に行ってもよい。また、請求項５に
記載の発明の一態様として、実施の形態でも説明したよ
うに導光路内にも樹脂を充填するようにした場合には、
半導体発光ウエハと光学カバーとを接合した後に樹脂を
塗布・充填するようにしたほうが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】図２，図３は、本発明の基本的な
実施の形態（第１の実施の形態）を示している。この半
導体発光素子アレイは、図２に示すように、平板型の半
導体発光ウエハＳ１と、平板型の光学カバーＳ２とで構
成される。半導体発光ウエハＳ１は厚さに対して十分に
大面積の半導体ウエハに発光セルアレイをほぼ全面的に
配列形成したものであり、その片面のほぼ全面が発光面
となる。

【００１７】半導体発光ウエハＳ１の素子構造につい
て、その製造プロセスとともに説明する。図３に示すよ
うに、半導体基板２１上に、下部クラッド層２２と活性
層２３及び上部クラッド層２４を、分子線エピタキシ法
または有機金属気相成長法などにより、順次エピタキシ
ャル成長させて形成する。そして、光出射面（発光面）
２４ａの一部に電極２５を形成し、半導体基板２１の裏
面全面に電極２６を形成する。これで発光ダイオードと
しての半導体発光ウエハＳ１ができる。

【００１８】一方、光学カバーＳ２は、半導体発光ウエ
ハＳ１における前記発光セルアレイの配列に合わせたパ
ターンの導光路アレイを形成したものであり、光学カバ
ーＳ２の表面側には導光路アレイの終端である出射窓２
８のアレイが配列されている。詳述すると、光学カバー
Ｓ２における前記各導光路は、カバー裏面側の大きな開
口２７からカバー表面の前記出射窓２８の小さな開口に
つながるテーパー状の穴空間であって、その穴の内周面
に反射膜２９を形成している。

【００１９】典型的な例としては、光学カバーＳ２はプ
ラスチックの成型品とする。またシリコンを素材として
異方性エッチングにより導光路となるテーパー状の穴を
形成し、光学カバーＳ２を製作することもできる。そし
て、反射膜２９は、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ等を膜材料として
用い、メッキや蒸着などにより形成することができる。

【００２０】こうして形成された半導体発光ウエハＳ１
と光学カバーＳ２とを適当な手段により接合する。この
接合方法の一例としては、接着剤による貼り合わせでも
よいし、共晶接合でもよい。

【００２１】また、光学カバーＳ２の径を半導体発光ウ
エハＳ１の径よりも若干小さくしているため、半導体発
光ウエハＳ１の接合面側外周囲が露出するので、発光面
２４ａ側に設けた電極２５の端部も外部に露出する。従
って、この露出した部分に外部配線（ワイヤ）を接続
し、電源供給を可能としている。さらに本形態では、下
部クラッド層２２には多層反射膜３０を形成している
が、この多層反射膜３０は必ずしも設けなくてもよい。

【００２２】上記のような構成にすると、半導体発光ウ
エハＳ１の両面に形成した電極２５と電極２６の間に電
源を印加すると、活性層２３に電流が流れ、活性層２３
が発光する。そして、活性層２３から生じた光の一部は
直接に窓２８から出射する。また、導光路の穴空間の内
面に反射膜２９が形成されているので、その反射膜２９
で反射され前記の直接出射光以外の光も効率よく出射窓
２８に導かれる。出射光の光ビーム径を小さくするため
に窓２８の大きさを小さくしても、反射膜２９を付けた
導光路によって多くの光を窓２８に導くことができるの
で、小型で高出力の半導体発光素子アレイを実現でき
る。

【００２３】また、発光面２４ａと出射窓２８の距離を
最適化することにより（具体的には発光面２４ａの径と
等しい距離にする）、出射窓２８から外部に出射する光
ビームの指向性を高めることができるので、出射光を集
光することが容易で、局部照明に適する。

【００２４】図４，図５は、本発明に係る半導体発光素
子アレイの第２の実施の形態を示している。本実施の形
態では、上記した第１，第２の実施の形態を基本とし、
その表面にレンズ板Ｓ３を加えたものである。

【００２５】すなわち、レンズ板Ｓ３は例えばプラスチ
ック成型品から形成され、光学カバーＳ２の表面におけ
る出射窓２８のアレイに合致するパターンで微小レンズ
３１のアレイを形成したものである。そして、光学カバ
ーＳ２の表面にレンズ板Ｓ３を位置決めして貼り合わせ
る。すなわち、光学カバーＳ２の表面の各出射窓２８
と、レンズ板Ｓ３の各微小レンズ３１の中心軸を一致さ
せるように位置決め固定される。これにより、出射光が
レンズ３１により集光されるので、出射光の指向性をさ
らに高めることができる。

【００２６】なお、その他の構成並びに作用効果は、上
記した第１の実施の形態と同様であるので、その詳細な
説明を省略する。なおまた、上記した実施の形態では、
１枚のレンズ板Ｓ３で構成されるレンズアレイにより、
各出射窓２８の外側に微小レンズ３１を形成した例を示
したが、本発明はこれに限ることはなく、レンズを単体
で作成し、各出射窓２８にそれぞれ単体で備え付けるよ
うにしてもよい。

【００２７】図６，図７は本発明の第３の実施の形態を
示している。より具体的には、図７（ｂ）が半導体発光
素子アレイの実施の形態を示し、図６及び図７は、製造
方法の実施の形態を示している。

【００２８】図７（ｂ）に示すように、前記光学カバー
Ｓ２における前記導光路としての穴空間に透明樹脂３２
を充填する。その透明樹脂３２の屈折率は、空気の屈折
率よりも大きく、前記発光セル表面の屈折率よりも小さ
いものとする。このように、穴空間内の屈折率を大きく
することにより、光の取り出し効率が向上する。もちろ
ん、樹脂３２は光透過性の高い物質であるのが望まし
く、例えばフッ素化ポリイミド（ＯＰＩ）が適してい
る。

【００２９】また、本実施の形態でも出射窓２８の外側
に微小レンズ３２ａを設けている。そして、この微小レ
ンズ３２ａも、上記した穴空間に充填した透明樹脂３２
と同一材料で形成している。

【００３０】係る構造の半導体発光素子アレイを製造す
るには、例えば図６，図７に示す製作プロセスに従って
実行できる。まず図６（ａ）のように半導体発光ウエハ
Ｓ１の発光面側に光学カバーＳ２を接合する。半導体発
光ウエハＳ１及び光学カバーＳ２の各構造は、上記した
各実施の形態と同様である。

【００３１】次に同図（ｂ）のように出射窓２８から導
光路の穴内に透明樹脂３２を充填するとともに、カバー
Ｓ２の表面にも樹脂層３２を形成する。次いで、図７
（ａ）に示すように、カバーＳ２の表面樹脂層を部分除
去してパターニングし、出射窓２８の部分にだけ樹脂層
３２を残す。これはフォトリソグラフィやドライエッチ
などにより行える。

【００３２】最後に、同図（ｂ）に示すように、光学カ
バーＳ２の表面に残した樹脂層に熱処理を加えることで
変形させ、レンズ３２ａのアレイを形成する。これによ
り、第３の実施の形態の半導体発光素子アレイが製造で
きる。

【００３３】なお、このようにレンズ３２ａを設けるの
ではなく、導光路の内部に透明樹脂３２を設けたタイプ
のものでも、本発明の範囲内に入り、係る構造にした場
合には上記した光の取り出し効率の向上という効果が発
揮する。また、逆にレンズ３２ａを設けるに際し、導光
路の穴内に樹脂を充填せず、光学カバーＳ２の表面に樹
脂を塗布後パターニングし、熱処理をするようにしても
よい。すると、導光路内は、第１，第２の実施の形態と
同様に空間となる。

【００３４】図８は、本発明に係る第４の実施の形態を
示している。この実施の形態でも、光学カバーＳ２は前
述したようにシリコンにより形成している。そして、半
導体発光ウエハＳ１と共晶接合している。

【００３５】係る基本構成は、上記した第１の実施の形
態等と同様である。そして本形態では、光学カバーＳ２
の上面の所定箇所に電極３４を形成しており、これがカ
バーＳ２自体を介して半導体発光ウエハＳ１の電極２５
と電気的に接続した構造としている。すなわち、光学カ
バーＳ２は導電性を有しているので、光学カバーＳ２と
半導体発光ウエハＳ１を共晶接合することにより電極２
５と電極３４を同電位になる。そこで、光学カバーＳ２
の上面の電極３４を外部配線用の端子として利用する。
つまり、電極３４にワイヤを接続する。このようにする
と、電極３４に対してワイヤボンディングなどして接続
用配線（ワイヤ）を接続する工程が容易に行える。

【００３６】上記した各実施の形態で説明したように、
本発明品はローコストで小型化ができ、しかも指向性の
高い高出力の光を出射することができる。従って、例え
ば多くの光学式表示装置に応用することができる。具体
的には、車両のナンバープレート認識用の画像認識装置
に適用できる。つまり、係る画像認識装置の場合、対象
物から離れた位置に設置する必要がある。そのため、照
射用の光源は高出力にする必要がある。そこで従来は、
所望の光出力を得るために半導体発光素子をエレメント
化したものを数千個利用していたため、コスト高とな
り、また大型化されるという問題があった。しかし、本
発明品を光源に用いることにより、小型・高出力となる
ので部材の削減が可能となり大幅なコストダウン，ダウ
ンサイズを図ることができる。もちろん、本発明の適用
例が上記したものに限定されることはなく、各種の利用
態様が可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の半
導体発光素子アレイ及びその製造方法は、平板型の半導
体発光ウエハと平板型の光学カバーとからなり、半導体
発光ウエハは半導体ウエハに発光セルアレイをほぼ全面
的に配列形成したものであり、その片面のほぼ全面が発
光面となり、前記各発光セルから生じる光が光学カバー
に形成されている各導光路を経て各出射窓から外部に出
射する構成としたので、無駄なスペースを極限まで削ぎ
落とした構造となり、その小さな構造体から高出力の光
を高効率に取り出すことができ、小型化と高出力化を同
時に達成できる。特に請求項２のように構成した場合に
は、レンズにより集光することができるので指向性が向
上する。そして、係るレンズ付きの半導体発光素子アレ
イは、請求項４，５に示す方法により簡単に製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＬＥＤ集合ランプの２種類の基本構造を
示す図である。

【図２】本発明による半導体発光素子アレイの第１の実
施の形態の構成図である。

【図３】本発明による半導体発光素子アレイの第１の実
施の形態の構成図である。

【図４】本発明による半導体発光素子アレイの第２の実
施の形態の構成図である。

【図５】本発明による半導体発光素子アレイの第２の実
施の形態の構成図である。

【図６】本発明による半導体発光素子アレイの第３の実
施の形態の構成図である。

【図７】本発明による半導体発光素子アレイの第３の実
施の形態の構成図である。

【図８】本発明による半導体発光素子アレイの第４の実
施の形態の構成図である。

【符号の説明】

Ｓ１ 半導体発光ウエハ Ｓ２ 光学カバー Ｓ３ レンズ板 ２４ａ 発光面 ２７ 導光路の開口 ２８ 出射窓 ２９ 反射膜 ３１ レンズ ３２ 透明樹脂 ３２ａ レンズ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体発光ウエハと平板型の光学カバー
   とを備えた半導体発光素子アレイであって、 前記半導体発光ウエハは、発光セルアレイをほぼ全面的
   に配列形成したものであり、その片面のほぼ全面が発光
   面となり、 前記光学カバーは、前記半導体発光ウエハの発光面側に
   貼り合わされているとともに、前記光学カバーには、前
   記半導体発光ウエハにおける前記発光セルアレイの配列
   に合わせたパターンの導光路アレイを設け、その光学カ
   バーの表面側に前記導光路アレイの終端である出射窓ア
   レイが配列され、各発光セルから生じる光が前記各導光
   路を経て前記各出射窓から外部に出射するように構成し
   た半導体発光素子アレイ。
2. 【請求項２】 前記光学カバー表面における前記各出射
   窓部分に、レンズを配設したことを特徴とする請求項１
   に記載の半導体発光素子アレイ。
3. 【請求項３】 発光セルアレイをほぼ全面的に配列形成
   した半導体発光ウエハを製造し、 別工程で、前記半導体発光ウエハにおける前記発光セル
   アレイの配列に合わせたパターンの導光路アレイを有す
   るとともに、その各導光路の先端に出射窓を有する光学
   カバーを製造し、 前記発光アレイと前記導光路とを位置合わせしつつ前記
   光学カバーを前記半導体発光ウエハの発光面側に接合す
   ることを特徴とする半導体発光素子アレイの製造方法。
4. 【請求項４】 前記出射窓の配列に合わせたパターンの
   レンズを有する１枚のレンズ板を用意し、 前記出射窓と、前記レンズの軸を一致させるように位置
   決めしつつ前記レンズ板を、前記光学カバーの前記半導
   体発光ウエハとの非接合面に接合する工程をさらに有す
   ることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子ア
   レイの製造方法。
5. 【請求項５】 前記光学カバーの表面に樹脂を塗布する
   とともにパターニングして前記出射窓に対応する部分に
   前記樹脂を残し、 その残った樹脂を熱処理してレンズを形成する工程をさ
   らに有することを特徴とする請求項３に記載の半導体発
   光素子アレイの製造方法。