JPH06151972A

JPH06151972A - レンズ・オン・チップ型発光装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06151972A
Application number: JP32487092A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Aoyama; 茂青山; Arata Nakamura; 新中村
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-11-09
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1994-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】微小レンズを装荷した点光源型発光ダイオー
ド等の半導体発光素子において、その主平面を光出射窓
から光軸方向に遠ざけることにより光学系の結合効率を
向上させる。【構成】光出射窓３を有する発光ダイオード素子チッ
プ２の光出射窓３の上にバッファ層１４を設け、フォト
リソグラフィ技術により該バッファ層の上の光出射窓３
に対応する位置にレンズ母材２４を形成した後、レンズ
母材２４をベークすることによって半球状に溶融させ、
そのままレンズ母材２４を硬化させバッファ層１４の上
に半球状の微小レンズ１３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレンズ・オン・チップ型
発光装置及びその製造方法に関する。具体的にいうと、
本発明は微小領域発光型の半導体発光素子（特に、発光
ダイオード）チップの光出射窓上に微小レンズを形成さ
れたレンズ・オン・チップ型発光装置とその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】図１３及び図１４に従来の
点光源型発光ダイオード（ＬＥＤ）素子の構造を示す。
図１３の点光源型発光ダイオード素子１０１は、０.６
μｍ帯波長の可視光発光ダイオード素子であって、ｎ−
ＧａＡｓ基板１０２の上にｎ−ＧａＡｓ_1-XＰ_X層１０
３、ｎ−ＧａＡｓ_0.6Ｐ_0.4層１０４及びＳｉＯ₂膜１０
５を積層し、ＳｉＯ₂膜１０５の開口１０６からｎ−Ｇ
ａＡｓ_0.6Ｐ_0.4層１０４内に向けてｐ拡散領域１０７を
形成し、ＳｉＯ₂膜１０５の上にｐ側電極１０８を設
け、ｎ−ＧａＡｓ基板１０２の下にｎ側電極１０９を設
けたものである。しかして、ｐ側電極１０８及びｎ側電
極１０９間に電圧を印加すると、ｐ拡散領域１０７を通
ってｐ側電極１０８からｐ拡散領域１０７の底の発光領
域１１０にホールが注入され、発光領域１１０で発光し
た光はＳｉＯ₂膜１０５及びｐ側電極１０８の光出射窓
１１１を通って外部へ出射される。

【０００３】また、図１４の点光源型発光ダイオード素
子１２１は、Ｂｕｒｒｕｓ型の発光ダイオード素子であ
って、ｎ−ＧａＡｓ基板１２２の下面に順次ｎ−Ａｌ
_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１２３、ｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ活
性層１２４、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１２５、ｎ−Ａ
ｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ層１２６及びＳｉＯ₂膜１２７を積
層し、ＳｉＯ₂膜１２７の開口１２８からｐ−Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ａｓ層１２５までｐ拡散領域１２９を形成し、Ｓ
ｉＯ₂膜１２７の下に全面にわたってｐ側電極１３０を
設け、ｐ拡散領域１２９と対向する位置にてｎ−ＧａＡ
ｓ基板１２２にエッチング穴１３１を開口し、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１２２の上面にｎ側電極１３２を設けている。
しかして、ｐ側電極１３０とｎ側電極１３２の間に電圧
を印加すると、ｐ拡散領域１２９を通ってｐ側電極１３
０から活性層１２４へホールが注入され、活性層１２４
の当該領域で発光した光はｎ−ＧａＡｓ基板１２２のエ
ッチング穴１３１から外部へ出射される。

【０００４】このような点光源型発光ダイオード素子１
０１，１２１は、結像面での微小な集光スポットを容易
に得られ、また空間での平行光束を比較的容易に得られ
るといった特徴を持っているため、ポインタ（光指示
器）、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光
入出力装置の光源、あるいは、フォトマイクロセンサ、
光学式エンコーダや距離センサ等の光電検出装置の光源
として用いられている。点光源型発光ダイオード素子
は、これらの光学装置に現実に用いられている一方、こ
れらの光学装置の読取り精度、検出距離の長距離化等の
性能向上の要求に伴い、これらの要求に沿うように一層
の光利用効率の向上が望まれている。

【０００５】しかしながら、点光源型発光ダイオード素
子においては、出射光の光強度分布がランバート形をし
ているため、例えば結合素子としてレンズを用いている
場合、結合レンズの開口寸法と発光位置とで定義される
見込み角のみで決まる光パワーしか原理的に利用するこ
とができない。同様に、光ファイバと結合させる場合で
は、光ファイバの開口数ＮＡで利用可能な光パワーが制
限される。

【０００６】図１５は上記のような点光源型発光ダイオ
ード素子１４１と結合レンズ１４２の結合効率に関する
原理を示す説明図であって、光学系としてフォトマイク
ロセンサの投光部を想定してあり、結合レンズ１４２と
点光源型発光ダイオード素子１４１とは出射光がコリメ
ート光となるような配置となっている。このような配置
では、結合レンズ１４２は、その焦点位置が点光源型発
光ダイオード素子１４１の光出射窓（発光面）１４３に
一致するように配置されているため、点光源型発光ダイ
オード素子１４１の発光位置から結合レンズ１４２へ出
射される光束１４４の見込み角θは、結合レンズ１４２
の開口数ＮＡ〔＝sinθ＝√（Ｒ²＋ｆ²）／ｆ；Ｒは結
合レンズの開口寸法の１／２（入射瞳の半径）、ｆは結
合レンズの焦点距離〕に対応する角度〔＝sin^-1（Ｎ
Ａ）〕となる。このときの結合効率η（＝取込みパワー
／出射パワー）は、後述のように、 η＝ＮＡ²＝sin²θ … となる。なお、１４５は光学系の光軸である。

【０００７】図１６は上記式の説明図であって、Ａは
ランバート形の光強度分布を有する発光点、ｘ，ｙ，ｚ
軸は当該発光点Ａを原点とする直交座標系であって、発
光点Ａからの光出射方向（光軸方向）にｚ軸を定めてい
る。また、原点を通る球面１４６がランバート形の光強
度分布を示し、原点から球面１４６上の点に引いた線分
（例えば、ＡＣ）の長さがその点（例えば、点Ｃ）の光
強度分布を表わしているから、図１６に示すようにｚ軸
からφだけ傾いた点における光強度をＩ（φ）とし、光
軸（ｚ軸）上における光強度（最大光強度＝ＡＢ）をＩ
maxとすると、これらの間には、Ｉ（φ）＝Ｉmax・cosφ … の関係がある。また、球面１４６上におけるｚ軸からφ
だけ傾いた方向にある幅dφの帯状輪帯を通る光パワー
ΔＰは、 ΔＰ＝２π・Ｉmax・sinφ・cosφ・dφ ＝πＩmax・sin２φ・dφ … であるから、見込み角θ〔＝sin^-1（ＮＡ）〕内に放射
される光パワーＰは、次の式のようになる。

【０００８】

【数１】

【０００９】ここで、全放射光パワーは、２πＩmaxで
あるから、式を全放射光パワーで規格化すると、見込
み角θ内に放射される光パワー比、すなわち結合効率η
は、 η＝sin²θ … となり、前記式が得られる。

【００１０】図１７に示すものは、式で表わされる結
合レンズの開口数ＮＡに対する結合効率ηの計算結果を
グラフに表わしたものである。一般に用いられる結合レ
ンズの開口数ＮＡの最大値は約０.５であるから、結合
効率ηは最大でも２５％程度しか望めず、高い結合効率
が得られない。

【００１１】しかし、光学系の結合効率を向上させるた
めには、発光ダイオード素子からの出射パワーを低下さ
せることなく、発光ダイオード素子の出射光強度分布の
広がりを狭くさせればよい。このような方法を実現する
手段としては、発光ダイオード素子の上に微小レンズを
装荷させる構造が考えられる。

【００１２】図１８は微小レンズ１５２を装荷された従
来の点光源型発光ダイオード１５１の構造を示す断面図
であって、発光ダイオード素子１０１の光出射窓１１１
の上に半球状をした微小レンズ１５２が装荷されてい
る。しかしながら、このような構造の発光ダイオード１
５１においては、微小レンズ１５２を装荷されてはいる
ものの、図１９に示すように微小レンズ１５２の主平面
（幾何光学で考えた場合の光線の屈折面）近傍に光出射
窓１１１が配置されているため、光出射窓１１１から出
る光線１５３は主平面を通過することなく出射される。
この結果、装荷した微小レンズ１５２は図１９に示して
いるように屈折機能を持たず、出射光強度分布は微小レ
ンズ１５２を装荷しない場合とほぼ同様である。従っ
て、このような構造の点光源型発光ダイオード１５１で
は、微小レンズ１５２を装荷されていても結合レンズと
の結合効率の向上は期待することができない。

【００１３】図２０は微小レンズ１５７を装荷された別
な従来の点光源型発光ダイオード１５６の構造を示す断
面図である。この点光源型発光ダイオード１５６にあっ
ては、発光ダイオード素子１２１の基板１２２に開口さ
れたエッチング穴１３１内に球状の微小レンズ（ガラス
球レンズ）１５７を納め、エポキシ樹脂１５８によって
微小レンズ１５７を基板１２２に固定している。このよ
うな構造の点光源型発光ダイオード１５６においては、
微小レンズ１５７の主平面が光出射部（発光部）から十
分に離れた距離に配置されることになるので、出射光強
度分布を比較的有効に狭めることができる。しかしなが
ら、このような発光ダイオード１５６においては、(ア)
微小レンズの高精度位置決め、高精度接着などが要求さ
れるため、これらの工程の繁雑化によりサイクルタイム
が低下すること、(イ)従来の点光源型発光ダイオード素
子を作製するための装置以外に新規設備投資が必要にな
ること、(ウ)微小レンズの材質として合成石英ガラスが
主に用いられており、有効なレンズ機能を持たせるため
には微小球面に対して高精度研磨加工が必要となり、微
小レンズの構成材料費が非常に高価になること、等の理
由により従来の微小レンズを装荷されていない発光ダイ
オード素子と比較して数倍のコスト高になるという問題
があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、微小レンズを装荷した点光源型発光ダイオード
等の半導体発光素子において、発光ダイオード作製プロ
セスを用いて微小レンズを半導体発光素子チップの光出
射窓の上に形成し、かつ、その主平面を光出射窓から光
軸方向に遠ざけることにより、半導体発光装置を含む光
学系の結合効率を向上させることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のレンズ・オン・
チップ型発光装置は、光出射窓を有する微小領域発光型
の半導体発光素子チップの少なくとも光出射窓上にバッ
ファ層を形成し、該バッファ層の上方の前記光出射窓に
対応する位置に微小レンズを形成したことを特徴として
いる。

【００１６】また、上記レンズ・オン・チップ型発光装
置においては、前記バッファ層上に付与されたレンズ母
材を溶融及び硬化させて表面を凸面状にすることによっ
て微小レンズを形成したものであってもよい。

【００１７】本発明のレンズ・オン・チップ型発光装置
の製造方法は、光出射窓を有する微小領域発光型の半導
体発光素子チップの少なくとも光出射窓上にバッファ層
を形成し、該バッファ層上の前記光出射窓に対応する位
置にレンズ母材を配置し、該レンズ母材を溶融させるこ
とによりレンズ母材表面を凸面とし、前記レンズ母材表
面が凸面の状態でレンズ母材を硬化させて前記光出射窓
に対応する位置に微小レンズを形成することを特徴とし
ている。

【００１８】また、本発明の別なレンズ・オン・チップ
型発光装置の製造方法は、光出射窓を有する微小領域発
光型の半導体発光素子チップが多数形成されている半導
体発光素子基板の少なくとも各光出射窓上にバッファ層
を形成し、該バッファ層上の前記各光出射窓に対応する
位置にレンズ母材を配置し、該レンズ母材を溶融させる
ことによりレンズ母材表面を凸面とし、前記レンズ母材
表面が凸面の状態でレンズ母材を硬化させて前記各光出
射窓に対応する位置に微小レンズを形成することを特徴
としている。

【００１９】また、本発明のさらに別なレンズ・オン・
チップ型発光装置の製造方法は、上記のようにして製造
されたレンズ・オン・チップ型発光装置を用いて微小レ
ンズのスタンパを作製し、該スタンパ内に溶融樹脂を注
入し、該溶融樹脂が注入されたスタンパと、光出射窓を
有する微小領域発光型の半導体発光素子チップが多数形
成されている半導体発光素子基板とを位置合せし、前記
溶融樹脂を硬化させた後、スタンパを除去することによ
って半導体発光素子基板の上に多数の微小レンズを作製
することを特徴としている。

【００２０】

【作用】本発明のレンズ・オン・チップ型発光装置にあ
っては、光出射窓上に形成されたバッファ層の上に微小
レンズを設けているから、球レンズ以外の例えば半球状
の微小レンズを用いた場合でも、バッファ層の厚みによ
って微小レンズの主平面と発光点とを十分に離すことが
でき、出射される光の光強度分布を微小レンズによって
有効に狭めることができる。従って、結合レンズや光フ
ァイバ等と結合させる場合には、高い結合効率を得るこ
とができる。

【００２１】また、球レンズを使用しなくても高い結合
効率を得ることができるので、微小レンズの高精度位置
決め、高精度接着などを要求され無くなり、微小レンズ
の作製プロセスを簡略化することができる。さらに、球
レンズのように高精度な研磨加工が必要ないので、微小
レンズの構成材料費を安価にすることができる。

【００２２】また、本発明のレンズ・オン・チップ型発
光装置の製造方法は、光出射窓上にバッファ層を形成
し、該バッファ層上の前記光出射窓に対応する位置にレ
ンズ母材を配置し、該レンズ母材を溶融させることによ
りレンズ母材表面を凸面とし、前記レンズ母材表面が凸
面の状態でレンズ母材を硬化させて前記光出射窓に対応
する位置に微小レンズを形成しているので、発光素子チ
ップの製造プロセスを利用して微小レンズを作製するこ
とができ、比較的容易に微小レンズを作製することがで
きる。また、発光素子チップの製造プロセスをそのまま
利用して微小レンズを形成することができるため、新た
な設備投資も必要なく、設備コストを安価にできる。ま
た、微小レンズの材質として例えば半導体作製用のレジ
スト剤を用いることができるため、材料コストも安価に
なる。

【００２３】また、上記のようにして製造されたレンズ
・オン・チップ型発光装置を原盤として微小レンズのス
タンパを作製し、該スタンパ内に溶融樹脂を注入・硬化
させた後スタンパを除去して半導体発光素子基板の上に
多数の微小レンズを作製すれば、極めて簡単に微小レン
ズを複製することができ、微小レンズを備えた発光装置
の量産性を向上させることができる。

【００２４】

【実施例】本発明の一実施例によるレンズ・オン・チッ
プ型の発光ダイオード１の断面図を図１に示す。２は点
光源型（微小領域発光型）の発光ダイオード素子チップ
であって、上面に光出射窓３が開口されており、光出射
窓３の下方に発光領域４が形成されている。例えば、こ
の発光ダイオード素子チップ２は、ｎ−ＧａＡｓ基板５
の上にｎ−ＧａＡｓ_1-XＰ_X層６、ｎ−ＧａＡｓ_0.6Ｐ_0.4
層７及びＳｉＯ₂膜８を積層し、ＳｉＯ₂膜８の開口９か
らｎ−ＧａＡｓ_0.6Ｐ_0.4層７内に向けてｐ拡散領域１０
を形成して電流狭搾構造とし、ＳｉＯ₂膜８の上にｐ側
電極１１を設け、ｎ−ＧａＡｓ基板５の下にｎ側電極１
２を設けてたものであって、ｐ側電極１１及びｎ側電極
１２間に電圧を印加すると、ｐ拡散領域１０を通ってｐ
側電極１１からｐ拡散領域１０の底の発光領域４にホー
ルが注入され、発光領域４で発光した光はＳｉＯ₂膜８
の開口９及びｐ側電極１１の光出射窓３を通って外部へ
出射される。さらに、発光ダイオード素子チップ２の光
出射窓３を含む領域の上面には微小レンズ１３とほぼ等
しい屈折率を有する透明なバッファ層１４が形成されて
おり、バッファ層１４の上に微小レンズ１３が設けられ
ている。ここで、微小レンズ１３の開口径Ｄは微小レン
ズ１３の表面の曲率半径ｒの２倍としてあり、微小レン
ズ１３は半球形状をしている。

【００２５】上記発光ダイオード１においては、発光ダ
イオード素子チップ２に装荷された微小レンズ１３の主
平面は、バッファ層１４の存在によって光出射窓３から
十分離れた位置に配置されているので、光出射窓３から
出射した光は主平面を通過することで微小レンズ１３の
屈折作用を受けることになる。このとき発光ダイオード
素子チップ２に装荷する微小レンズ１３とバッファ層１
４の構成を適当に設計することにより、微小レンズ１３
を装荷しない場合と比較して、出射光強度分布を狭くで
き、その結果、以下に述べるように結合レンズとの結合
効率ηを向上させることができる。

【００２６】図２は上記発光ダイオード１と結合レンズ
１５との結合効率を説明するための図であって、光軸１
６に沿って光出射窓３、バッファ層１４、微小レンズ１
３及び結合レンズ１５が配置されており、次の(カ)〜(コ)
の条件が仮定されている。 (カ)結像レンズからの出射光１７がコリメート光となる
よう、発光ダイオード１と結合レンズ１５が配置されて
いること、(キ)微小レンズ１３の最外周縁を通過した出
射光１７は結合レンズ１５の最外周縁を通過すること、
(ク)光出射窓３は点とみなせること、(ケ)微小レンズ１３
の開口径ｄは微小レンズ１３の表面の曲率半径の２倍で
あって、微小レンズ１３が半球状をしていること、(コ)
バッファ層１４と微小レンズ１３の屈折率が等しいこ
と。

【００２７】図２においては、光出射窓３から出射して
微小レンズ１３の最外周縁を通る出射光１７が光軸１６
となす角度をα、微小レンズ１３の最外周縁を通過して
結合レンズ１５の最外周縁へ向かう出射光１７が光軸１
６となす角度をβとし、バッファ層１４及び微小レンズ
１３の屈折率がいずれもｎであるとすると、微小レンズ
１３の球面においてスネルの法則を適用することによりｎ・sin（π／２−α）＝sin（π／２−β）つまり、ｎ・cos（α）＝cos（β） … が成立つ。ここで、光出射窓３から出射される光パワー
のうち、結合レンズ１５に取込まれる光パワーの比、つ
まり結合効率ηは、図２から明らかなように、 η＝sin²（α） … となる。また、仮定条件より結合レンズ１５の開口数Ｎ
Ａはsin（β）と等しいことから、微小レンズ１３を具
備しない場合の結合効率η₀は、 η₀＝sin²（β） … となる。従って、結合効率比ｍは、〜式より、ｍ＝η／η₀＝sin²（α）／sin²（β）＝sin²（α）／〔１−ｎ²・cos²（α）〕 … となる。例えば、結合レンズ１５の開口数ＮＡを０.５
とすれば、 sin（β）＝ＮＡ＝０.５よりβ＝３０゜であるから、屈折率ｎ＝１.５とする
と、α＝５４.７３゜となり、式より結合効率比ｍ＝
２.７が得られる。すなわち、結合効率が２.７倍とな
る。

【００２８】また、図３に示すものは、光出射窓３の開
口径が有限であるとし、バッファ層１４の厚みｗを変え
た場合の微小レンズ１３の開口径ｄと結合効率比ｍとの
関係（計算結果）を示す図である。ここでも、上記条件
(キ)(ケ)(コ)を仮定すると共に光出射窓３の開口径を２０
μｍとし、微小レンズ１３の屈折率をｎ＝１.５とし、
結合レンズ１５の開口数ＮＡ＝０.５、開口径Ｄ＝５ｍ
ｍとしている。また、図３の曲線Ｃ１はバッファ層１４
の厚みが５μｍの場合、曲線Ｃ２はバッファ層１４の厚
みが１０μｍの場合、曲線Ｃ３はバッファ層１４の厚み
が１５μｍの場合における微小レンズ１３の開口径ｄと
結合効率比ｍとの関係を示している。この計算結果によ
れば、バッファ層１４の厚みが１５μｍの場合に最も顕
著な効果を表わしている。

【００２９】図４に示すものは本発明の別な実施例によ
るレンズ・オン・チップ型の発光ダイオード・アレイ２
１を示す断面図である。図１に示したものは単体の発光
ダイオード素子チップ２の上に微小レンズ１３を設けた
ものであるのに対し、この発光ダイオード・アレイ２１
においては、光出射窓３を有する点光源型発光ダイオー
ド素子チップ２を多数形成された発光ダイオード素子基
板２２の各光出射窓３の上にバッファ層１４を介して微
小レンズ１３を設けている。

【００３０】図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は上
記発光ダイオード・アレイ２１の製造方法の一実施例を
示す断面図であって、発光ダイオード素子基板２２（あ
るいは、発光ダイオードウエハ）の上に微小レンズ１３
を作製する工程を示している。この微小レンズ作製プロ
セスを図５に沿って説明すると、まず、光出射窓３を有
する微小領域発光型の発光ダイオード素子チップ２が多
数形成されている発光ダイオード素子基板２２の上面全
体に透明なフォトレジスト材料等によりバッファ層１４
を形成し〔図５（ａ）〕、当該バッファ層１４をフォト
リソグラフィ技術を用いてパターニングし、各光出射窓
３上にバッファ層１４を配置する〔図５（ｂ）〕。な
お、このフォトリソグラフィー技術は、発光ダイオード
の製造プロセスに用いられているものをそのまま用いる
ことができる。ついで、バッファ層１４の上から発光ダ
イオード素子基板２２の全面に微小レンズ用材料２３
（例えば、透明な半導体作製用レジスト剤など）をコー
ティングし〔図５（ｃ）〕、微小レンズ用材料２３をフ
ォトリソグラフィ技術を用いてパターニングし、バッフ
ァ層１４の上の光出射窓３に対応する位置に微小レンズ
用材料２３からなるレンズ母材２４を配置する〔図５
（ｄ）〕。ついで、バッファ層１４の上のレンズ母材２
４をベークしてレンズ母材２４を溶融させると、溶融し
たレンズ母材２４の表面が凸面となり、レンズ母材２４
表面が凸面の状態を保ったままでレンズ母材２４を硬化
させ、各光出射窓３に対応する位置に半球状の微小レン
ズ１３を形成する〔図５（ｅ）〕。このとき、バッファ
層１４の材質とレンズ母材２４の材質とは異なってお
り、バッファ層１４の材質の融点がレンズ母材２４の材
質の融点よりも高くなるように材質を選択されているの
で、バッファ層１４は溶融することなく、レンズ母材２
４だけが溶融する。図６はこのようにして作製された微
小レンズ１３を示す一部破断した斜視図（走査型電子顕
微鏡〔ＳＥＭ〕写真に基づいて描いたもの）である。

【００３１】このようにして微小レンズ１３を作製すれ
ば、従来の発光ダイオードの製造プロセスを利用して微
小レンズ１３を作製することができるので、比較的容易
に微小レンズ１３を作製することができる。また、従来
の発光ダイオードの製造プロセスをそのまま流用して微
小レンズ１３を形成することができるため、新たな設備
投資も必要なく、設備コストを安価にできる。また、微
小レンズ１３の材質として例えば半導体作製用のレジス
ト剤を用いることができるため、材料コストも安価にな
る。

【００３２】なお、上記実施例においては、多数の発光
ダイオード素子チップ２からなる発光ダイオード素子基
板２２の上に多数の微小レンズ１３を設ける場合につい
て説明したが、上記方法と同様にして単体の発光ダイオ
ード素子チップ２の上に微小レンズ１３を形成すれば、
図１のような発光ダイオード１を作製することができ
る。あるいは、図５に示したようにして多数の発光ダイ
オード・アレイ２１を作製した後、これを各発光ダイオ
ード素子チップ２毎にカットすれば、図１のような発光
ダイオード１を一度に多数個取りすることができる。

【００３３】また、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は微
小レンズ１３の別な作製方法を示す断面図である。この
実施例は、図５（ａ）〜（ｅ）のようにして微小レンズ
１３を作製された発光ダイオード・アレイ２１を原盤と
して微小レンズ１３を作製する方法である。すなわち、
図７（ａ）に示すものは原盤３１、すなわち例えば図５
（ａ）〜（ｅ）のようにして微小レンズ１３を作製され
た発光ダイオード・アレイ２１である。この原盤３１の
上にスタンパ材料を堆積させ、スタンパ材料が硬化して
スタンパ３２が形成された〔図７（ｂ）〕後、原盤３１
を除去し、微小レンズ１３及びバッファ層１４の反転形
状を備えた凹部３３を有するスタンパ３２を得る。つい
で、スタンパ３２に発光ダイオード素子基板２２を重ね
て互いに位置決めし、スタンパ３２の凹部３３内に微小
レンズ用樹脂材料３４を注入し〔図７（ｃ）〕、微小レ
ンズ用樹脂材料３４を硬化させた後、スタンパ３２を除
去する。これにより、図７（ｄ）に示すように、発光ダ
イオード素子基板２２の上にスタンパ用樹脂材料３４に
よってバッファ層１４及び微小レンズ１３を複製する。

【００３４】この方法によれば、微小レンズ１３とバッ
ファ層１４を一度に製作することができるので、微小レ
ンズ１３等の作製を容易にすることができる。なお、こ
の方法によって微小レンズ１３のみを複製するようにし
ても差し支えない。

【００３５】図８に本発明による発光ダイオードと光フ
ァイバの結合ユニット４１の構造を示す。この結合ユニ
ット４１においては、リード４２を有するステム４３の
上に発光ダイオード４４が実装されており、円筒状部材
４５にガラス板４６をはめたキャップ４７をステム４３
に被せて発光ダイオード４４を封入している。さらに、
キャップ４７に嵌合させた連結用部材４８に光ファイバ
４９の端部を挿通させることにより光ファイバ４９の端
面を発光ダイオード４４に近接させて対向させている。
ここで、バッファ層１４の厚みに対応する光学距離を
Ｌ、微小レンズ１３の開口径をｄ、光ファイバの開口数
をＮＡとするとき、〔ｄ／（２Ｌ）〕≧ＮＡとなるように構成している。

【００３６】しかし、このような結合ユニット４１にあ
っては、発光ダイオード４４と光ファイバ４９の間に、
発光ダイオード４４に電流を供給するためのボンディン
グワイヤ５０を逃げてガラス板４６を配置しなければな
らないので、発光ダイオード４４の表面と光ファイバ４
９の端面との間には最低０.２ｍｍ程度の空間５１と、
厚さ０.５ｍｍ程度のガラス板４６が必要になる。その
結果、図９に示すように、開口数ＮＡは大きいがコア径
の小さな光ファイバ４９にとっては、光ファイバ４９の
開口数ＮＡに対応した角度（sin^-1（ＮＡ））よりも小
さな入射角度の光線しか光ファイバ４９に結合させるこ
とができなくなる。従来例の発光ダイオード素子を用い
た場合には、発光ダイオード素子から発した光の指向性
がランバート形であるので、光ファイバの結合効率はお
よそsin²θという値になる。例えば、発光径３０μｍの
発光ダイオード素子と、コア径０.１２５ｍｍ、開口数
ＮＡ＝０.５の光ファイバを用いた場合には、開口数Ｎ
Ａに対応する見込み角θ＝６.９゜となり、結合効率η
は１.４％となる。一方、上記結合ユニット４１を用い
れば、発光ダイオード４４から発する光の指向性が鋭い
ので、大きな光パワーをコア径の小さな光ファイバ４９
に結合させることができる。例えば、同じく発光径３０
μｍの発光ダイオード４４に直径７０μｍの微小レンズ
１３を形成した場合には、結合効率は５％を越え、大幅
に結合効率ηが向上する。

【００３７】次に、本発明による発光ダイオードと光フ
ァイバの結合ユニット６１の構造を図１０に示す。これ
は、ステム４３に被せたキャップ４７の窓６２に非球面
両凸レンズ６３を取り付け、発光ダイオード４４と光フ
ァイバ４９の端面との間に非球面両凸レンズ６３を挿入
したものである。この結合ユニット６１にあっては、光
ファイバ４９のコア径／微小レンズ径と等しい拡大倍率
を持った非球面両凸レンズ６３を用いたレンズ系とする
ことにより、最大の結合効率ηを得ることができる。例
えば、発光径３０μｍの発光ダイオード４４と、直径７
０μｍの微小レンズ１３、コア径０.１２５ｍｍ、開口
数ＮＡ＝０.５の光ファイバ４９を用いた場合、結合効
率ηは５０％を越える。

【００３８】図１１は上記のような結合ユニット７２を
用いた光ファイバ式光電検出装置７１の構造を示す。光
電検出装置本体７３内には、例えば図８や図１０に示し
たような発光ダイオード４４を内蔵した結合ユニット７
２と、受光素子７４が納められており、結合ユニット７
２から導かれた光ファイバ４９の端面と受光素子７４に
接続された光ファイバ７５の端面とが互いに対向させら
れている。しかして、制御回路７６によって発光ダイオ
ード４４を発光させると、発光ダイオード４４から出射
された光は光ファイバ４９を通って当該光ファイバ４９
の端面から出射し、他方の光ファイバ７５の端面に入射
し、当該光ファイバ７５内を伝搬した光は受光素子７４
に入射する。このとき、両光ファイバ４９，７５間が遮
られると受光素子７４が受光しなくなるので、遮蔽物の
存在が検出される。このような光ファイバ式光電検出装
置７１において上記のような結合ユニット７２を用いれ
ば、光ファイバ４９から光強度の大きな光ビームを出射
させることができるので、検出感度が向上する。

【００３９】図１２は本発明による発光ダイオードとレ
ンズの結合ユニット８１を示す断面図である。この結合
ユニット８１にあっては、キャップ４７に嵌合された連
結用部材４８の端部に平凸レンズのようなレンズ８２を
固定している。ここで、バッファ層１４の厚みに対応す
る光学距離をＬ、微小レンズ１３の開口径をｄ、レンズ
の開口数をＮＡとするとき、〔ｄ／（２Ｌ）〕≧ＮＡとなるように構成している。このような構造の結合ユニ
ット８１において、発光ダイオードとして従来の発光ダ
イオード素子を用いた場合には、発光ダイオード素子か
ら発した光の指向性がランバート形であるため、レンズ
に結合する光の比率はsin²θ＝（ＮＡ）²となり、たと
えば当該角度がθ＝３０゜のとき結合効率ηは２５％と
なる。一方、このような結合ユニット８１において、本
発明による発光ダイオード４４を用いた場合には、発光
径３０μｍの発光ダイオード素子チップと、直径７０μ
ｍの微小レンズ１３を用いた場合には、結合効率ηは４
０％を越え、大幅な結合効率の向上が見られる。

【００４０】上記のように、本発明によるレンズ・オン
・チップ型発光ダイオードを光ファイバとの結合やレン
ズとの結合に使用すると、結合効率を高めることがで
き、されに、それらを使用した光電検出装置の検出性能
も大幅に改善することができる。なお、上記各実施例に
おいては、発光素子チップとして発光ダイオード素子チ
ップ２を用いた場合について説明したが、半導体レーザ
素子チップを用いてもよいのはもちろんである。

【００４１】

【発明の効果】本発明のレンズ・オン・チップ型発光装
置にあっては、光出射窓上のバッファ層の上に微小レン
ズを設けているから、球レンズ以外の例えば半球状の微
小レンズを用いた場合でも、バッファ層の厚みによって
微小レンズの主平面と発光点とを十分に離すことがで
き、出射される光の光強度分布を微小レンズによって有
効に狭めることができる。従って、結合レンズや光ファ
イバ等と結合させる場合には、高い結合効率を得ること
ができる。

【００４２】また、球レンズを使用しなくても高い結合
効率を得ることができるので、微小レンズの高精度位置
決め、高精度接着などを要求され無くなり、微小レンズ
の作製プロセスを簡略化することができる。さらに、球
レンズのように高精度な研磨加工が必要ないので、微小
レンズの構成材料費を安価にすることができる。

【００４３】また、本発明のレンズ・オン・チップ型発
光装置の製造方法は、光出射窓上にバッファ層を形成
し、該バッファ層上の前記光出射窓に対応する位置にレ
ンズ母材を配置し、該レンズ母材を溶融させることによ
りレンズ母材表面を凸面とし、前記レンズ母材表面が凸
面の状態でレンズ母材を硬化させて前記光出射窓に対応
する位置に微小レンズを形成しているので、発光素子チ
ップの製造プロセスを利用して微小レンズを作製するこ
とができ、比較的容易に微小レンズを作製することがで
きる。また、発光素子チップの製造プロセスをそのまま
利用して微小レンズを形成することができるため、新た
な設備投資も必要なく、設備コストを安価にできる。ま
た、微小レンズの材質として例えば半導体作製用のレジ
スト剤を用いることができるため、材料コストも安価に
なる。

【００４４】また、上記のようにして製造されたレンズ
・オン・チップ型発光装置を原盤として微小レンズのス
タンパを作製し、該スタンパ内に溶融樹脂を注入・硬化
させた後スタンパを除去して半導体発光素子基板の上に
多数の微小レンズを作製すれば、極めて簡単に微小レン
ズを複製することができ、微小レンズを備えた発光装置
の量産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるレンズ・オン・チップ
型発光ダイオードを示す断面図である。

【図２】同上の光学的作用を説明するための説明図であ
る。

【図３】同上の実施例における微小レンズの開口径と結
合効率比との関係を示す図である。

【図４】本発明の別な実施例によるレンズ・オン・チッ
プ型発光ダイオード・アレイを示す断面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は同上の微小
レンズの作製方法を示す断面図である。

【図６】同上の方法によって作製された微小レンズ群を
示す斜視図である。

【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は微小レンズの別な
作製方法を示す断面図である。

【図８】本発明による発光ダイオードと光ファイバとの
結合ユニットを示す断面図である。

【図９】同上の作用説明図である。

【図１０】本発明による発光ダイオードと光ファイバと
の結合ユニットの別な実施例を示す断面図である。

【図１１】光ファイバ式光電検出装置の構造を示す概略
図である。

【図１２】本発明による発光ダイオードとレンズとの結
合ユニットを示す断面図である。

【図１３】従来の点光源型発光ダイオード素子の構造を
示す断面図である。

【図１４】従来の別な点光源型発光ダイオード素子の構
造を示す断面図である。

【図１５】結合効率を説明するための点光源型発光ダイ
オード素子と結合レンズの配置説明図である。

【図１６】点光源型発光ダイオード素子と結合レンズの
結合効率を求めるための図である。

【図１７】結合レンズの開口数と結合効率との関係を示
す図である。

【図１８】微小レンズを備えた従来の点光源型発光ダイ
オードを示す断面図である。

【図１９】同上の作用説明図である。

【図２０】微小レンズを備えた別な従来の点光源型発光
ダイオードを示す断面図である。

【符号の説明】

２発光ダイオード素子チップ３光出射窓１３微小レンズ１４バッファ層１５結合レンズ２４レンズ母材３２スタンパ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光出射窓を有する微小領域発光型の半導
体発光素子チップの少なくとも光出射窓上にバッファ層
を形成し、該バッファ層の上方の前記光出射窓に対応す
る位置に微小レンズを形成したことを特徴とするレンズ
・オン・チップ型発光装置。
【請求項２】前記微小レンズは、前記バッファ層上に
付与されたレンズ母材を溶融及び硬化させることによっ
て表面を凸面状に形成されたものであることを特徴とす
る請求項１に記載のレンズ・オン・チップ型発光装置。
【請求項３】光出射窓を有する微小領域発光型の半導
体発光素子チップの少なくとも光出射窓上にバッファ層
を形成し、該バッファ層上の前記光出射窓に対応する位置にレンズ
母材を配置し、該レンズ母材を溶融させることによりレンズ母材表面を
凸面とし、前記レンズ母材表面が凸面の状態でレンズ母
材を硬化させて前記光出射窓に対応する位置に微小レン
ズを形成することを特徴とするレンズ・オン・チップ型
発光装置の製造方法。
【請求項４】光出射窓を有する微小領域発光型の半導
体発光素子チップが多数形成されている半導体発光素子
基板の少なくとも各光出射窓上にバッファ層を形成し、該バッファ層上の前記各光出射窓に対応する位置にレン
ズ母材を配置し、該レンズ母材を溶融させることによりレンズ母材表面を
凸面とし、前記レンズ母材表面が凸面の状態でレンズ母
材を硬化させて前記各光出射窓に対応する位置に微小レ
ンズを形成することを特徴とするレンズ・オン・チップ
型発光装置の製造方法。
【請求項５】請求項４に記載のレンズ・オン・チップ型
発光装置を用いて微小レンズのスタンパを作製し、該ス
タンパ内に溶融樹脂を注入し、該溶融樹脂が注入された
スタンパと、光出射窓を有する微小領域発光型の半導体
発光素子チップが多数形成されている半導体発光素子基
板とを位置合せし、前記溶融樹脂を硬化させた後、スタ
ンパを除去することによって半導体発光素子基板の上に
多数の微小レンズを作製することを特徴とするレンズ・
オン・チップ型発光装置の製造方法。