JP4246375B2 - 半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
距離や角度を光学的に検知する距離センサや角度センサなどの光学センサにおいては、その光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子を備える半導体発光装置が用いられている（例えば、特開平６−４５６５０号公報参照）。このような光学センサに用いられる半導体発光装置では、それぞれのセンサの用途や、距離や角度などを検知する際の必要な分解能などに応じて、出力光の出力光量や光出力分布などについて一定の光出力条件を満たすことが必要となる。
【０００３】
例えば角度を光学的に検知する角度センサである透過型光学式エンコーダ（ロータリエンコーダ）では、光源である半導体発光装置から供給される出力光に対して、必要な出力光量が確保されていることに加えて、（１）光ビーム径内で光出力方向が略平行なコリメート光であること、及び（２）光ビーム径内で略一様な光出力分布が得られること、などが好適な光出力条件として要求される。
【０００４】
また、発光素子単体で上記（１）の条件を実現することが困難であるため、通常は発光素子にレンズを組み合わせる。ただし、発光素子の発光領域には幅があり、素子中央部だけでなく素子周縁部からの光も出力されるが、素子中央部からの光を平行化するように設計されたレンズでは、素子周縁部からの光については充分な平行度が得られない。したがって、レンズを通過させた光の平行度を高めるためには、半導体発光素子単体としては光ビーム径を小さくすることが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
透過型光学式エンコーダなどで好適とされる上記した光出力条件については、例えば、レンズを通過させてコリメート光としたときに、その光ビーム径内での光出力分布が一様にならないなど、それぞれの光出力条件を同時かつ充分に満たすように半導体発光装置を構成することが難しい。
【０００６】
透過型光学式エンコーダでの光源として従来用いられている半導体発光装置の例としては、カップ型の反射面を有するパッケージ内に半導体発光素子であるＬＥＤチップを設置したものがある。このような半導体発光装置では、ＬＥＤチップの側面から出射される光が、カップ型反射面で反射されて外部へと出力されることによって、大きい出力光量が得られる。しかしながら、上記のようにＬＥＤチップの外部にある反射面を集光に用いた場合、出力される光の平行度が悪くなるという問題がある。
【０００７】
また、ＬＥＤチップでの光の出射面自体をドーム状の形状としてレンズとして機能させ、光ビーム径が小さい光を出射し、レンズを通過させてコリメート光を出力させるものがある。しかしながら、このようなＬＥＤチップは、半導体チップをドーム状にエッチング加工しなくてはならないために製造工程が複雑となり、その製造効率が低い。このため、充分な数量の半導体発光素子を供給することが難しく、また、半導体発光素子が高コストとなるなどの問題を生じる。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、レンズを通過させたときに、光ビーム径内で充分に一様な光出力分布を有する出力光が得られるとともに、その製造効率が向上される半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、（１）第１導電型を有する第１半導体層、及び第２導電型を有する第２半導体層が積層され、第１半導体層及び第２半導体層の接合面によってｐｎ接合が形成されている半導体基体と、（２）半導体基体の第１半導体層側の面で、半導体基体内からの光が出射される第１主面上に形成された第１電極と、（３）半導体基体の第２半導体層側の面で、第１主面とは反対側の第２主面上に形成された第２電極と、を備え、（４）半導体基体は、第１主面の外縁部に第１主面から側面にわたる傾斜面が形成されたメサ型形状を有するとともに、第１半導体層の層厚に対する傾斜面のメサ深さの比が、２以上４以下であることを特徴とする。
【００１０】
あるいは、本発明による半導体発光素子は、（１）第１導電型を有する第１半導体層、及び第２導電型を有する第２半導体層が積層され、第１半導体層及び第２半導体層の接合面によってｐｎ接合が形成されている半導体基体と、（２）半導体基体の第１半導体層側の面で、半導体基体内からの光が出射される第１主面上に形成された第１電極と、（３）半導体基体の第２半導体層側の面で、第１主面とは反対側の第２主面上に形成された第２電極と、を備え、（４）半導体基体は、第１主面の外縁部に第１主面から側面にわたる傾斜面が形成されたメサ型形状を有するとともに、第１半導体層の層厚ｄ１が１２μｍ、第１主面からの傾斜面の第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２が２５μｍ以上４５μｍ以下、かつ、接合面からの傾斜面の第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２−ｄ１が１３μｍ以上３３μｍ以下であり、傾斜面は略円弧状の垂直断面形状を有することを特徴とする。
【００１１】
上記した半導体発光素子においては、第１半導体層及び第２半導体層によるｐｎ接合を含む半導体基体を、メサエッチングによって形成された傾斜面を有するメサ型形状としている。これにより、レンズを通過させたときに、良好なコリメート光を出力光として得ることができる。
【００１２】
特に、ｐｎ接合の深さである第１半導体層の層厚に対して、傾斜面のメサ深さを上記の数値範囲内とすることによって、第１主面と合わせて傾斜面をも光の出射面として機能させるとともに、光の出射面である第１主面に対向する第２主面等で拡散反射された光を第１主面及び傾斜面から出射させて、充分な出力光量を確保することができる。また、光ビーム径内で充分に一様な光出力分布を有する出力光を得ることが可能となる。
【００１３】
このような構成からなる半導体発光素子の製造においては、通常の半導体発光素子に対してメサエッチングを行えば良いので、ＬＥＤチップでの出射面自体をドーム状の形状とした構成などと異なって製造工程が複雑化することがない。したがって、光出力条件の好適化が実現されると同時に、その製造効率が向上されて、半導体発光素子を低コスト化することができる。
【００１４】
また、半導体基体における第１半導体層の層厚に対する傾斜面のメサ深さの比が、さらに７／３以上１０／３以下であることを特徴とする。あるいは、半導体基体における第１主面からの傾斜面のメサ深さが２８μｍ以上４０μｍ以下、または、接合面からの傾斜面のメサ深さが１６μｍ以上２８μｍ以下であることを特徴とする。これにより、充分な出力光量の確保と、光出力分布における一様性の向上とを特に良好に両立させることができる。
【００１５】
ここで、第１主面及び傾斜面が、半導体基体内からの光の出射効率が略平坦な面に比べて高くなるように粗面処理されていることが好ましい。
【００１６】
さらに、第２主面が、半導体基体内からの光の反射効率が略平坦な面に比べて高くなるように粗面処理されていることが好ましい。
【００１７】
このように、第１主面及び傾斜面と、第２主面とに、それぞれ所定の条件で粗面処理（粗化）を行っておくことによって、半導体基体内で発光された光の利用効率を向上させることができる。なお、第１主面及び傾斜面に対する粗面処理、及び第２主面に対する粗面処理においては、上記した光の出射効率の向上、及び反射効率の向上がそれぞれ実現されるように、それぞれでの粗面処理の条件を設定することが好ましい。
【００１８】
また、本発明による半導体発光装置は、（ａ）上記した半導体発光素子と、（ｂ）半導体発光素子がその内部に位置決めして設置されるパッケージと、（ｃ）半導体発光素子の第１主面に面し、半導体発光素子と光軸が一致するようにパッケージに一体に固定されたレンズ部材と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
このようなレンズ部材及びパッケージを用いることによって、半導体発光素子とレンズとを確実に位置合わせし、それらの組み合わせによって、良好な光出力条件での出力光が得られる半導体発光装置を実現することができる。また、半導体発光素子の側面等から出射される光に対してパッケージ側に反射面を設けず、半導体発光素子から出射されてレンズ部材に入射された光を出力光としているので、上記したメサ型の半導体発光素子の構成と合わせて、充分な出力光量を確保しつつ、レンズを通過させたときに、平行度の高い出力光を得ることができる。
【００２０】
また、レンズ部材は、半導体発光素子から出射された光が入射される第１の面の曲率が、第１の面とは反対側で光が出射される第２の面の曲率よりも小さいレンズ形状によって形成されていることが好ましい。
【００２１】
このとき、半導体発光素子から出射された光は、レンズ部材の第１の面で補助的に光路変換されることによって集光され、さらに、第２の面で最終的にコリメート光に光路変換されて出力される。これにより、半導体発光素子からの光の利用効率が向上されるとともに、確実にコリメート光に変換することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による半導体発光素子を用いた半導体発光装置の一実施形態の構成を示す側面断面図である。この図１においては、半導体発光装置からの出力光の光軸（半導体発光素子及び半導体発光装置の中心軸）を含む垂直断面によって、その断面構造を示している。
【００２４】
まず、本半導体発光装置の全体構成について説明する。本実施形態における半導体発光装置は、半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）１と、発光ダイオード１が内部に格納されるパッケージ５と、発光ダイオード１から出射された光が通過して、出力光として外部へと出力されるレンズ部材６とを備えて構成されている。
【００２５】
発光ダイオード１は、導電型がｐ型（第１導電型）であるｐ型半導体層（第１半導体層）１１と、導電型がｎ型（第２導電型）であるｎ型半導体層（第２半導体層）１２とが積層されてなり、その水平断面形状が略矩形形状の半導体基体１０を有する。ここで、半導体基体１０の上下の両主面のうち、ｐ型半導体層１１側の面（図１中の上面）を第１主面１３、ｎ型半導体層１２側の面で第１主面１３とは反対側の面（図１中の底面）を第２主面１４とする。
【００２６】
半導体基体１０の第１主面１３上には、ｐ型半導体層１１に接合された金属電極である第１電極（アノード電極）２１が形成されている。また、第２主面１４上には、ｎ型半導体層１２に接合された金属電極である第２電極（カソード電極）２２が形成されている。これにより、本半導体発光素子は、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２の接合面により形成されたｐｎ接合を有する発光ダイオード１を構成している。
【００２７】
ここで、本発光ダイオード１における半導体基体１０では、そのｐｎ接合が第１主面１３の近傍となるように、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２が積層されている。そして、ｐ型半導体層１１が面する上面側の第１主面１３が、半導体基体１０内で発光された光が出射される出射面とされている。なお、ｐ型半導体層１１、及びｎ型半導体層１２については、それぞれ複数のｐ型半導体層、ｎ型半導体層が積層された構成であっても良い。
【００２８】
半導体基体１０、第１電極２１、及び第２電極２２からなる上述した発光ダイオード１は、その水平断面形状が略円筒形状のパッケージ５の内部に格納されて設置される。本実施形態におけるパッケージ５は、その底面を構成する台部５１と、側面を構成する円筒状の側部５２とを有して構成されている。
【００２９】
側部５２の上方には、発光ダイオード１からの光を透過する材質からなる光透過窓であるレンズ部材６が、側部５２上端の円形の開口部を覆うように設けられている。このレンズ部材６は、半導体基体１０内で発光されて発光ダイオード１から出射される光を通過させて、所定の光出力条件を有する出力光として外部へと出力させるためのレンズとして機能する。また、レンズ部材６は、パッケージ５の上面を構成するとともに側部５２に対して一体に固定されており、この側部５２及びレンズ部材６が、台部５１に対するパッケージ５の蓋部となっている。
【００３０】
台部５１は、その上面が略平坦に形成されており、発光ダイオード１を載置して保持する載置台となっている。発光ダイオード１は、その半導体基体１０の第２主面１４及び第２電極２２を台部５１側として、台部５１に対して位置決めして設置される。また、第２主面１４の第２電極２２が形成された部分を除く面部分と、台部５１の上面との隙間は、Ａｇペーストなどによって埋められる。なお、台部５１の下面側には、必要に応じて、発光ダイオード１に対して必要な電圧を供給し、あるいは信号を読み出すためのピン（図示していない）などが設けられる。
【００３１】
以上の構成により、発光ダイオード１が固定された台部５１に対して、側部５２及びレンズ部材６からなる蓋部を上方から装着することによって、レンズ部材６を含むパッケージ５の内部に発光ダイオード１が位置決めして設置された、図１の半導体発光装置が得られる。
【００３２】
このとき、パッケージ５の内部に格納された発光ダイオード１においては、光の出射面である半導体基体１０の第１主面１３が、パッケージ５上面のレンズ部材６と対向する位置となる。また、レンズ部材６は、そのレンズの光軸が発光ダイオード１の光軸と一致するように、パッケージ５（側部５２）に対して位置決めされている。ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２からなるｐｎ接合によって発光ダイオード１の半導体基体１０内で発光されて、第１主面１３から出射された光は、レンズ部材６を通過することによって光ビーム径内で光出力方向が略平行なコリメート光とされて、出力光として外部へと出力される。
【００３３】
次に、半導体発光素子である発光ダイオード１の構成について、図１及び図２を参照してさらに具体的に説明する。図２は、図１に示した半導体発光装置に用いられている発光ダイオード１の平面図を示すものであり、図２（ａ）は半導体基体１０の第１主面１３側からみた上面図を、また、図２（ｂ）は第２主面１４側からみた底面図を示している。
【００３４】
発光ダイオード１は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、半導体基体１０の水平断面形状が略正方形のチップ形状に形成されている。このチップ形状に対して、第１主面１３上にｐ型半導体層１１と接合して設けられている第１電極２１は、図２（ａ）に示すように、第１主面１３の略中心の位置に、所定半径の円形状に形成されている。また、第２主面１４上にｎ型半導体層１２と接合して設けられている第２電極２２は、図２（ｂ）に示すように、第２主面１４の全体に、ハニカム形状に形成されている。
【００３５】
半導体基体１０の第１主面１３の外縁部には、所定の幅ｗ１で、第１主面１３から側面にわたる傾斜面１５が形成されている。この傾斜面１５は、メサエッチングによって形成されたものであり、図１に示すように、略円弧状の垂直断面形状を有している。これにより、この発光ダイオード１は、メサ型の発光ダイオードとなっている。
【００３６】
このメサエッチングによる傾斜面１５は、半導体基体１０でのｐｎ接合の深さに対して、所定の条件を満たすように形成されている。すなわち、図１に示すように、ｐ型半導体層１１の層厚である第１主面１３からのｐｎ接合の深さをｄ１、第１主面１３からの傾斜面１５のメサ深さをｄ２とすると、メサ深さｄ２がｐｎ接合の深さｄ１よりも大きく（ｄ２＞ｄ１）設定されている。このとき、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２の接合面は傾斜面１５において露出する。この傾斜面１５は、第１主面１３と同様に光の出射面としても機能する。
【００３７】
さらに、本発光ダイオード１においては、後述するように、その光出力条件を好適化するため、ｐｎ接合の深さ（ｐ型半導体層１１の層厚）ｄ１に対するメサ深さ（傾斜面１５の深さ）ｄ２の比が、条件
２≦ｄ２／ｄ１≦４
を満たすように、傾斜面１５が形成されている。
【００３８】
あるいは、メサ深さｄ２が、第１主面１３からのメサ深さについての条件
２５μｍ≦ｄ２≦４５μｍ
またはｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２の接合面（ｐｎ接合）からのメサ深さについての条件
１３μｍ≦ｄ２−ｄ１≦３３μｍ
を満たすように、傾斜面１５が形成されている。
【００３９】
また、本実施形態においては、光の出射面となる第１主面１３及び傾斜面１５を、粗面処理（粗化）が行われた凹凸面（粗面）としている。この第１主面１３及び傾斜面１５に対する粗面処理は、半導体基体１０内で発光された光の出射効率が略平坦な面に比べて高くなるようにするためのものである。
【００４０】
また、第２主面１４に対しても、同様に粗面処理（粗化）が行われている。この第２主面１４に対する粗面処理は、半導体基体１０内で発光された光の反射効率が略平坦な面に比べて高くなるようにするためのものである。
【００４１】
このように、第１主面１３及び傾斜面１５と、第２主面１４とに、それぞれ所定の条件で粗面処理を行っておくことによって、半導体基体１０内で発光された光の利用効率を向上させることができる。なお、第１主面１３及び傾斜面１５に対する粗面処理、及び第２主面１４に対する粗面処理においては、上記した光の出射効率の向上、及び反射効率の向上がそれぞれ実現されるように、それぞれでの粗面処理の条件、例えば用いる粗化処理液の種類、を設定することが好ましい（特許第２９０７１７０号公報参照）。
【００４２】
本実施形態による発光ダイオード１の効果について説明する。上記した発光ダイオード１においては、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２によるｐｎ接合を含む半導体基体１０を、メサエッチングによって形成された傾斜面１５を有するメサ型形状としている。これにより、発光ダイオード１自体からの出力光の光ビーム径を小さくすることができる。
【００４３】
ここで、発光ダイオード１を備える半導体発光装置において、レンズを通過させたときの出力光として良好なコリメート光を得るためには、発光ダイオード１が点光源に近いことが好ましい。発光ダイオードを点光源とするには、例えば、そのチップ内に電流狭窄機構を設ける構成がある。しかしながら、このような構成ではその製造工程が複雑となり、製造効率が低下するとともに高コストとなる。また、充分な出力光量を得ることができず、長期の使用に対する信頼性が低いなど、多くの問題がある。
【００４４】
また、発光ダイオードのチップサイズ自体を小さくして、点光源に近づけることも可能である。しかしながら、この場合にも、上記と同様に出力光量の低下が問題となる。また、本願発明者による検討の結果によれば、通常のチップ形状では、チップの側面から出射される光の影響によって、光ビーム径内での光出力分布が一様にならない。
【００４５】
さらに、チップでの出射面をドーム状の形状とする構成も可能であるが、このようにチップをドーム状にエッチング加工するのでは、その製造工程が複雑化してしまう。
【００４６】
これに対して、半導体基体１０の光の出射面である第１主面１３の外縁部に、所定の条件を満たすようにメサエッチングによる傾斜面１５を形成する上記の構成によれば、第１主面１３及び傾斜面１５を光の出射面として機能させるとともに、第２主面１４等で拡散反射された光を第１主面１３及び傾斜面１５から出射させて、充分な出力光量を確保することができる。同時に、レンズを通過させたときの出力光として、良好なコリメート光を得ることができる。
【００４７】
さらに、傾斜面１５によるメサ型形状に対する条件として、ｐｎ接合の深さｄ１に対するメサ深さｄ２の比ｄ２／ｄ１を２以上４以下とするか、あるいは、第１主面１３からのメサ深さｄ２を２５μｍ以上４５μｍ以下、またはｐｎ接合からのメサ深さｄ２−ｄ１を１３μｍ以上３３μｍ以下とすることによって、レンズを通過させたときの出力光が平行度の高いコリメート光であって、かつ、光ビーム径内で充分に一様な光出力分布を有する出力光を得ることが可能となる。
【００４８】
また、このメサ形状に対する条件については、さらにｄ２／ｄ１を７／３以上１０／３以下とすることが好ましい。あるいは、ｄ２を２８μｍ以上４０μｍ以下、またはｄ２−ｄ１を１６μｍ以上２８μｍ以下とすることが好ましい。これにより、充分な出力光量の確保と、光出力分布における一様性の向上とを特に良好に両立させることができる。
【００４９】
このような構成からなる発光ダイオード１の製造においては、通常の発光ダイオードに対してメサエッチングを行えば良いので、ＬＥＤチップでの出射面自体をドーム状の形状とした構成などと異なって製造工程が複雑化することがない。したがって、光出力条件の好適化が実現されると同時に、その製造効率が向上されて、発光ダイオードを低コスト化することができる。
【００５０】
本発光ダイオード１による上述した効果について、図１及び図２に示した構成を有する発光ダイオード１においてメサ深さｄ２を変えて行った具体的な実施例を用いて説明する。以下の各実施例では、半導体基体１０のチップサイズを２８０μｍ×２８０μｍの正方形状、その全体での厚さを１７５μｍ、ｐｎ接合の深さとなるｐ型半導体層１１の層厚ｄ１を１２μｍとした。
【００５１】
また、第１主面１３上の第１電極２１、及び第２主面１４上の第２電極２２については、いずれもＡｕ電極とした。また、第１電極２１の直径をφ１２０μｍとした。さらに、半導体基体１０の第１主面１３の外縁部に形成される傾斜面１５については、その幅ｗ１を約２５μｍとした。このとき、傾斜面１５を除く第１主面１３のサイズは、約２３０μｍ×２３０μｍである。
【００５２】
以上の構成条件に対して、傾斜面１５のメサ深さｄ２及びその比ｄ２／ｄ１を、（Ａ）ｄ２＝０μｍ、ｄ２／ｄ１＝０、（Ｂ）ｄ２＝２０μｍ、ｄ２／ｄ１＝５／３、（Ｃ）ｄ２＝３０μｍ、ｄ２／ｄ１＝５／２、（Ｄ）ｄ２＝５０μｍ、ｄ２／ｄ１＝２５／６と変えて、それぞれ発光ダイオード１を作成した。
【００５３】
このようにメサ深さｄ２を変えて作成された発光ダイオード１によって得られた光出力分布を、それぞれ図３のグラフＡ〜Ｄに示す。これらのグラフＡ〜Ｄでは、発光ダイオード１から出射された光を半導体発光装置のレンズ部材６を介して、コリメート光として出力光量を測定するのではなく、発光ダイオード１単体の状態での光出射角度（横軸）に対する出射光量（縦軸）を測定して示している。
【００５４】
具体的には、発光ダイオード１から３００ｍｍの位置に光量測定用のフォトダイオードを設置するとともに、このフォトダイオードに対する発光ダイオード１の角度を変えつつ各光出射角度での出射光量の測定を行って、光出射分布を作成した。この光出射角度の分布（光出射分布）は、レンズ部材６に入射する光に相当し、レンズ部材６を通過させてコリメート光としたときの光出力位置の分布（光出力分布）に反映されるものである。なお、発光ダイオード１の光軸上にフォトダイオードが設置されているときの角度が、光出射角度０°として定義されている。
【００５５】
図３に示すグラフによれば、ｄ２＝０μｍとして半導体基体１０に対してメサエッチングを行わなかったグラフＡ（破線）では、０°近傍で光の出射光量が減少し、光出射角度で±３０°を超える両端部でその出射光量が角状に突出する光出射分布となっている。すなわち、光ビーム径内において光出射分布の一様性が得られていない。また、ｄ２＝２０μｍのメサ型形状としたグラフＢ（一点鎖線）においても、特に−３０°以下の光出射角度で、出射光量の突出が充分には改善されていない。
【００５６】
これに対して、ｄ２＝３０μｍのメサ型形状としたグラフＣ（実線）では、０°近傍での光の出射光量の減少が抑制されて充分な出射光量が得られていると同時に、±３０°を超える両端部での出射光量の突出が低減されて、光ビーム径内で充分に一様な光出射分布（光出力分布）が得られている。また、全体の出射光量についても、メサ型としていない通常の発光ダイオード（グラフＡ）とほぼ同等の光量が得られている。
【００５７】
また、ｄ２＝５０μｍのメサ型形状としたグラフＤ（点線）では、光ビーム径内での光出射分布の一様性は向上されているものの、その全体の出射光量が小さくなってしまっている。また、グラフＥ（二点鎖線）は、ｄ２＝３０μｍとしたグラフＣとほぼ同様の構成条件で、他の条件を若干変えて行った実施例であるが、グラフＣと同様に、充分に一様な光出射分布が得られている。
【００５８】
この結果に対し、さらに、傾斜面１５のメサ深さｄ２及びその比ｄ２／ｄ１を、（Ｆ）ｄ２＝２８μｍ、ｄ２／ｄ１＝７／３、（Ｇ）ｄ２＝３２μｍ、ｄ２／ｄ１＝８／３、（Ｈ）ｄ２＝４０μｍ、ｄ２／ｄ１＝１０／３と変えて、それぞれ発光ダイオード１を作成した。
【００５９】
このようにメサ深さｄ２を変えて作成された発光ダイオード１によって得られた光出力分布を、それぞれ図４のグラフＦ〜Ｈに示す。なお、この図４には、比較のため、図３に示したグラフＡ及びＣを合わせて示してある。これらのグラフＦ〜Ｈでは、いずれも、ｄ２＝３０μｍのグラフＣと同様に、０°近傍での光の出射光量の減少が抑制されて充分な出射光量が得られていると同時に、±３０°を超える両端部での出射光量の突出が低減されて、光ビーム径内で充分に一様な光出射分布が得られている。
【００６０】
以上の結果によれば、メサ深さｄ２がｐｎ接合の深さｄ１に対して小さいと、メサ型形状による光出力分布での一様性の改善効果が十分に得られない。一方、メサ深さｄ２が大きすぎると、その場合の傾斜面１５の形状やｐｎ接合の領域が小さくなることなどにより、出力光量が低下する。
【００６１】
これらを考慮すると、第１主面１３からのメサ深さｄ２を２５μｍ以上４５μｍ以下（ｐｎ接合からのメサ深さｄ２−ｄ１を１３μｍ以上３３μｍ以下）、あるいは、ｄ１＝１２μｍのｐｎ接合の深さに対する比でいえば、比ｄ２／ｄ１を２以上４以下とすることによって、レンズを通過させたときの出力光が平行度の高いコリメート光であって、かつ、光ビーム径内で充分に一様な光出力分布を有する出力光が得られることがわかる。
【００６２】
また、さらに、第１主面１３からのメサ深さｄ２を２８μｍ以上４０μｍ以下（ｐｎ接合からのメサ深さｄ２−ｄ１を１６μｍ以上２８μｍ以下、比ｄ２／ｄ１を７／３以上１０／３以下）とすることが好ましく、特に、メサ深さｄ２を３０μｍ（メサ深さｄ２−ｄ１を１８μｍ、比ｄ２／ｄ１を５／２）とすることが好ましい。
【００６３】
傾斜面１５のメサ深さｄ２が大きくなると、上述したように光出力分布の一様性が向上される一方で、その出力光量が減少する。これに対して、ｐｎ接合の深さｄ１に対するメサ深さｄ２を上記の条件を満たす数値範囲内とすることにより、充分な出射光量の確保と、光出力分布における一様性の向上とを特に良好に両立させることができる。このメサ深さｄ２の値は、各半導体発光素子において、要求されている出力光量及び光出力分布などを考慮して設定することが好ましい。
【００６４】
図３及び図４に示した発光ダイオード１の光出射角度の分布に対応する半導体発光装置での光出力位置の分布の例を、図５及び図６に示す。発光ダイオード１を図１に示したパッケージ５内に設置すると、発光ダイオード１から出射された光はレンズ部材６を通過することによってコリメート光となって、出力光として外部に出力される。図５及び図６に示すグラフでは、レンズ部材６から５ｍｍの位置に光量測定用の１次元イメージセンサを設置して、光出力分布の測定を行っている。なお、上記した実施例の構成においては、光出射角度で約±３０°の範囲の光が、レンズ部材６を介して出力光として出力される。
【００６５】
メサ型形状としない通常の発光ダイオード１を用いた場合での図５のグラフでは、図３に示した光出射分布のグラフＡと同様に、その光出力分布の両端部で出力光量が突出していることがわかる。これに対して、メサ型形状とした発光ダイオード１を用いた場合での図６のグラフでは、光ビーム径内でほぼ一様な光出力分布が得られている。
【００６６】
なお、発光ダイオード１を含む半導体発光装置の全体構成については、図１に示したように、レンズ部材６が固定されたパッケージ５を用いることによって、発光ダイオード１とレンズとを確実に位置合わせし、それらの組み合わせによって、良好な光出力条件での出力光が得られる半導体発光装置が実現される。
【００６７】
また、発光ダイオード１の側面等から出射される光に対してカップ状などの反射面を設けず、台部５１の上面を略平坦な面としている。これにより、メサ型の発光ダイオード１の構成と合わせて、充分な出力光量を確保しつつ、レンズを通過させたときに、平行度の高い出力光を得ることができる。
【００６８】
また、パッケージ５に一体に固定されているレンズ部材６は、発光ダイオード１に面して発光ダイオード１から出射された光が入射される面であるレンズ内面（第１の面）６１と、レンズ内面６１とは反対側で光が出射される面であるレンズ外面（第２の面）６２とが、それぞれ所定のレンズ形状（面形状）となるように形成されている。このレンズ面６１、６２それぞれの面形状については、レンズ内面６１の曲率が、レンズ外面６２の曲率よりも小さいレンズ形状とすることが好ましい。
【００６９】
発光ダイオード１から出射された光を集光及びコリメートする機能を、レンズ部材６の両面６１、６２にほぼ同等に持たせて、発光ダイオード１からの光をコリメート光に変換することも可能である。ただし、パッケージ５の内側で発光ダイオード１に面しているレンズ内面６１の曲率を大きくしてしまうと、半導体発光装置の構成上問題となる場合がある。
【００７０】
これに対して、上記のようにレンズ外面６２の曲率が大きいレンズ部材６のレンズ形状としておけば、発光ダイオード１から出射された光は、曲率の小さいレンズ内面６１で補助的に光路変換されることによって集光され、さらに、曲率の大きいレンズ外面６２で最終的にコリメート光に光路変換されて出力される。これにより、発光ダイオード１からの光の利用効率が向上されるとともに、確実にコリメート光に変換することが可能となる。
【００７１】
なお、レンズ内面６１及びレンズ外面６２の具体的なレンズ形状については、必要に応じて、球面レンズまたは非球面レンズとすることができる。例えば、レンズ内面６１を曲率の小さい球面レンズとして光を集光させ、レンズ外面を曲率の大きい非球面レンズとして光をコリメートする構成などが可能である。また、レンズ内面６１については、曲率を０として平面状に形成しても良い。
【００７２】
上述した実施形態の発光ダイオードの製造方法について、その一例を概略的に説明しておく。図７及び図８は、図１に示した発光ダイオード１の製造方法の一例を模式的に示す工程図である。ここで、図７（ａ）〜（ｃ）は、半導体基体１０、第１電極２１、及び第２電極２２を備える発光ダイオード１の基本構造を作成する各工程を示している。また、図８（ａ）〜（ｃ）は、メサエッチングによって傾斜面１５を形成して、メサ型の発光ダイオード１を作成する各工程を示している。
【００７３】
また、図７及び図８においては、それぞれの工程を１個の発光ダイオードについて図示しているが、実際の工程では、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）〜（ｃ）に示す各工程によって、半導体ウエハに対して複数の素子を一度に形成した後、各素子を分離することによって発光ダイオード１が得られる。
【００７４】
まず、ｐ型半導体層１１及びｎ型半導体層１２が積層された半導体基体（半導体ウエハ）１０を用意する。半導体ウエハとしては、例えばＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板が用いられる。そして、この半導体基体１０の上下両方の主面１３、１４の全体に対して、所定の金属（例えばＡｕ）からなる電極材料層３１、３２を形成する（図７（ａ））。
【００７５】
次に、ｎ型半導体層１２側の第２主面１４に対して、第２電極２２の形成等の加工を行う（図７（ｂ））。第２主面１４上に形成された電極材料層３２をパターニング処理し、カソード電極となる第２電極２２を形成する。そして、第２電極２２が形成されている部位を除く第２主面１４に対して、所定の粗化処理液を用いて、光の反射効率を高めるための粗面処理を行う。
【００７６】
同様に、ｐ型半導体層１１側の第１主面１３に対して、第１電極２１の形成等の加工を行う（図７（ｃ））。第１主面１３上に形成された電極材料層３１をパターニング処理し、アノード電極となる第１電極２１を形成する。そして、第１電極２１が形成されている部位を除く第１主面１３に対して、所定の粗化処理液を用いて、光の出射効率を高めるための粗面処理を行う。以上で、発光ダイオード１の基本構造を作成する各工程を終了する。
【００７７】
続いて、発光ダイオード１に対してメサエッチングを行って、傾斜面１５を形成する。まず、光の出射面となる第１主面１３上に、円形状の第２電極２１を覆うとともに、傾斜面１５を形成する第１主面１３の外縁部（図２（ａ）参照）を残すようにレジスト４０を塗布する（図８（ａ））。
【００７８】
レジスト４０によるレジストパターンが形成されたら、所定のエッチング液を用いてメサエッチングを行い、上述した条件を満たすようにｐｎ接合の深さｄ１に対してあらかじめ設定されたメサ深さｄ２となるように、傾斜面１５を形成する（図８（ｂ））。そして、形成された傾斜面１５に対して、所定の粗化処理液を用いて、第１主面１３と同様に、光の出射効率を高めるための粗面処理を行う（図８（ｃ））。以上で、メサ型の発光ダイオード１を作成する各工程を終了する。そして、作成された素子をそれぞれ分離することによって、図１に示した発光ダイオード１が得られる。
【００７９】
本発明による半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置は、上述した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、第１主面、傾斜面、及び第２主面に対する粗面処理については、第１主面及び傾斜面に対して粗面処理を行うなど、上記の各面のうちで一部の面のみを粗面とする構成としても良い。また、半導体発光素子のサイズなどの具体的な構成条件については上記した実施例に限らず、要求される光出力条件に応じて、それぞれ好適な構成条件に設定すれば良い。
【００８０】
【発明の効果】
本発明による半導体発光素子及びそれを用いた半導体発光装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、第１半導体層及び第２半導体層によるｐｎ接合を含む半導体基体を、ｐｎ接合の深さに対するメサ深さの比が２以上４以下となる条件、あるいは、第１主面からのメサ深さが２５μｍ以上４５μｍ以下、またはｐｎ接合からのメサ深さが１３μｍ以上３３μｍ以下となる条件を満たすように形成された傾斜面を有するメサ型形状とした半導体発光素子によれば、半導体発光素子自体からの出射光の光ビーム径が小さく、レンズを通過されたときに、平行度の高いコリメート光であって、光ビーム径内で充分に一様な光出力分布を有する出力光が得られるとともに、その製造効率が向上される半導体発光素子、及び半導体発光装置が実現される。
【００８１】
このような半導体発光装置は、例えば角度センサである透過型光学式エンコーダなどの光学センサに対して適用することが可能である。特に、好適な光出力条件での出力光が得られると同時に、その製造効率が向上されることによって、充分な数量の半導体発光装置を低コストで供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光ダイオードを用いた半導体発光装置の一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した半導体発光装置に用いられている発光ダイオードの（ａ）上面図、及び（ｂ）底面図である。
【図３】メサ深さを変えて作成された発光ダイオードによって得られた光出力分布を比較するグラフである。
【図４】メサ深さを変えて作成された発光ダイオードによって得られた光出力分布を比較するグラフである。
【図５】通常の発光ダイオードを用いた半導体発光装置での光出力分布の一例を示すグラフである。
【図６】図１に示した半導体発光装置での光出力分布の一例を示すグラフである。
【図７】図１に示した発光ダイオードの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。
【図８】図１に示した発光ダイオードの製造方法の一例を模式的に示す工程図である。
【符号の説明】
１…発光ダイオード、１０…半導体基体、１１…ｐ型半導体層（第１半導体層）、１２…ｎ型半導体層（第２半導体層）、１３…第１主面、１４…第２主面、１５…傾斜面、２１…第１電極（アノード電極）、２２…第２電極（カソード電極）、
５…パッケージ、５１…台部、５２…側部、６…レンズ部材、６１…レンズ内面（第１の面）、６２…レンズ外面（第２の面）。

Claims (6)

1. 第１導電型を有する第１半導体層、及び第２導電型を有する第２半導体層が積層され、前記第１半導体層及び前記第２半導体層の接合面によってｐｎ接合が形成されている半導体基体と、
   前記半導体基体の前記第１半導体層側の面で、前記半導体基体内からの光が出射される第１主面上に形成された第１電極と、
   前記半導体基体の前記第２半導体層側の面で、前記第１主面とは反対側の第２主面上に形成された第２電極と、を備え、
   前記半導体基体は、前記第１主面の外縁部に前記第１主面から側面にわたる傾斜面が形成されたメサ型形状を有するとともに、前記第１半導体層の層厚ｄ１が１２μｍ、前記第１主面からの前記傾斜面の前記第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２が２５μｍ以上４５μｍ以下、かつ、前記接合面からの前記傾斜面の前記第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２−ｄ１が１３μｍ以上３３μｍ以下であり、前記傾斜面は略円弧状の垂直断面形状を有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記半導体基体における前記第１主面からの前記傾斜面の前記第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２が２８μｍ以上４０μｍ以下、かつ、前記接合面からの前記傾斜面の前記第１主面とは反対側の端部までのメサ深さｄ２−ｄ１が１６μｍ以上２８μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１主面及び前記傾斜面が、前記半導体基体内からの光の出射効率が略平坦な面に比べて高くなるように粗面処理されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 前記第２主面が、前記半導体基体内からの光が前記第２主面によって反射される反射効率が略平坦な面に比べて高くなるように粗面処理されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子がその内部に位置決めして設置されるパッケージと、
   前記半導体発光素子の前記第１主面に面し、前記半導体発光素子と光軸が一致するように前記パッケージに一体に固定されたレンズ部材と、
   を備えることを特徴とする半導体発光装置。
6. 前記レンズ部材は、前記半導体発光素子から出射された光が入射される第１の面の曲率が、前記第１の面とは反対側で光が出射される第２の面の曲率よりも小さいレンズ形状によって形成されていることを特徴とする請求項５記載の半導体発光装置。

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