JPH0645649A

JPH0645649A - 半導体発光素子、ならびに当該発光素子を用いた光学検知装置、光学的情報処理装置及び発光装置。

Info

Publication number: JPH0645649A
Application number: JP21824092A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Imamoto; 浩史今本
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】微小な発光径を有し、しかも高い発光効率を
有する半導体発光素子を提供する。【構成】上面に窪み２を形成された半導体基板１の上
に多層反射膜層３を設ける。多層反射膜層３は窪み２に
沿って形成され、凹状部分４を有する。この上にｎ型下
クラッド層５、活性層６、ｐ型上クラッド層７、ｐ型拡
散ストップ層８、ｎ型電流ブロック層９及びｐ型キャッ
プ層１０を成長させる。ついで、キャップ層１０から上
クラッド層までｐ型不純物を拡散させ、窪み２に対応す
る位置に電流狭窄領域１１を形成する。キャップ層の上
に設けたｐ側電極１２には電流狭窄領域１１に対応して
光出射窓１３を開口する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子、ならび
に当該発光素子を用いた光学検知装置、光学的情報処理
装置及び発光装置に関する。具体的にいうと、本発明
は、光通信または光情報処理等の分野で重要である高出
力、微小発光面積の面発光型半導体発光素子と、その半
導体発光素子を用いた光学検知装置等に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電流狭窄構造の発光ダイオードの
構造を図１２に示す。これは特開昭６０−９８６８９号
公報に開示されたものであって、ＡｌＧａＡｓ半導体基
板１５１の上に多層反射膜層１５２、ＧａＡｓ活性層１
５３、ＡｌＧａＡｓクラッド層１５４を積層している。
多層反射膜層１５２は、２種の半導体薄膜１５２ａ，１
５２ｂを１２層以上交互に結晶成長させて構成してい
る。クラッド層１５４の上面にはＳｉＯ₂等の絶縁層１
５５を介してＡｌ電極１５６を形成してあり、この電極
１５６に光出射窓１５７を開口すると共に光出射窓１５
７の周囲で電極１５６をクラッド層１５４に接触させて
いる。また、半導体基板１５１の下面にはＡｕ電極１５
８が形成されている。

【０００３】しかして、光出射窓１５７の周囲の領域に
おいて電極１５６から活性層１５３へ電流を注入する
と、活性層１５３の電流注入領域で発光し、活性層１５
３から上方へ出射された光は光出射窓１５７から外部へ
取り出され、活性層１５３から下方へ出射された光は多
層反射膜層１５２で反射された後、光出射窓１５７から
外部へ取り出される。

【０００４】しかしながら、この発光ダイオードのよう
に、光取り出し面で電流狭窄を行なった場合、特に微小
発光径化した場合には、活性層から出射された出力光が
電極の影になり、効率良く光を外部へ取り出すことがで
きなかった。

【０００５】また、この発光ダイオードのように、多重
反射膜層と光取り出し面が平行であると、光取り出し面
と多重反射膜層によるファブリペロー共振器が形成さ
れ、これにより発光スペクトルにリップルを生じるとい
う問題があった。

【０００６】

【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、微小発光面積で、しかも、外部量子効率が高い
半導体発光素子を提供することにある。また、発光スペ
クトルや光出力−電流特性に表われるリップルを小さく
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、凹状の窪みが形成された基板の上方に、当該凹状の
窪みの形状に沿って、屈折率の異なる２種の薄膜を複数
層交互に積層してなる多層反射膜層を形成し、前記多層
反射膜層の上方に活性層を形成するとともに、前記凹状
の窪みの上方に電流狭窄領域を形成し、前記活性層の上
方から光を出射させるようにしたことを特徴としてい
る。

【０００８】上記半導体発光素子においては、多層反射
膜層を構成する各薄膜は、複数種の膜厚からなっていて
もよい。

【０００９】特に、２種の薄膜の屈折率及び膜厚をそれ
ぞれｎ₁，ｄ₁、ｎ₂，ｄ₂、活性層の発光波長の中心波長
をλcとするとき、各薄膜がそれぞれｄ₁≧〔λc／（４ｎ₁）〕ｄ₂≧〔λc／（４ｎ₂）〕を満たすようにすることが好ましい。

【００１０】また、前記活性層の上方に凸状部分を形成
し、該凸状部分の側面を斜面に形成すると共に該斜面に
光反射面を形成し、該凸状部分の頂部に光出射窓を形成
してもよい。

【００１１】上記光反射面が、屈折率の異なる２種の薄
膜を複数層交互に積層した多層反射膜によって形成され
ており、多層反射膜を構成する各薄膜が、複数種の膜厚
からなっていてもよい。

【００１２】さらに、光反射面を構成する多層反射膜の
２種の薄膜の屈折率をそれぞれｎ₃，ｎ₄とし、膜厚をそ
れぞれｄ₃，ｄ₄とし、前記活性層の発光波長の中心波長
をλcとするとき、各薄膜がそれぞれｄ₃≧〔λc／（４ｎ₃）〕ｄ₄≧〔λc／（４ｎ₄）〕とすることが好ましい。

【００１３】また、光反射面は多層反射膜に限らず、電
極によって形成してもよい。

【００１４】また、上記半導体発光素子は、光学検知装
置や光学的情報処理装置、発光装置等に応用することが
できる。

【００１５】

【作用】本発明の半導体発光素子にあっては、凹状の窪
みが形成された基板の上方に、当該凹状の窪みの形状に
沿って、屈折率の異なる２種の薄膜を複数層交互に積層
してなる多層反射膜層を形成し、前記多層反射膜層の上
方に活性層を形成するとともに、前記凹状の窪みの上方
に電流狭窄領域を形成しているから、電流は電流狭窄領
域を通じて活性層に注入され、活性層は電流狭窄領域と
対向する限られた領域でのみ発光し、微小発光面積の半
導体発光素子を得ることができる。しかも、活性層の限
られた領域から基板側へ出射された光は、多層反射膜層
の凹面鏡状をした部分で反射されるので、多層反射膜層
で反射された光は光取り出し面側の光出射窓の付近で集
光され、光出射窓から高出力で出射される。従って、本
発明によれば、微小発光面積で、しかも、外部量子効率
が高い半導体発光素子を得ることができる。

【００１６】また、窪みと対応させて光出射窓の部分に
凸状部分を形成し、凸状部分の斜面に多層反射膜等によ
って光反射面を形成しておけば、光出射窓以外の方向へ
向けて出射もしくは反射された光も上記光反射面及び多
層反射膜層で１回ないし複数回反射された後、光出射窓
から外部へ出射され、光の取り出し効率を一層高めるこ
とができる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の一実施例による半導体発光素
子Ａの構造を示す断面図である。図１において、１は
（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板であって、ＧａＡ
ｓ基板１の上面には、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂でエッチングするこ
とによって２０μｍ角の角錐台形の凹状をした窪み２が
形成されている。この窪み２を形成された基板１の上面
には多層反射膜層３が形成されている。多層反射膜層３
は、活性層６の屈折率よりも小さな屈折率を有する半導
体薄膜のヘテロ接合からなっており、具体的にいうと、
屈折率ｎ₁のＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０.１）層３ａと屈
折率ｎ₂（≠ｎ₁）のＡｌＡｓ層３ｂを３０ペア交互に成
長させることによって多層反射膜層３が形成されてい
る。この多層反射膜層３は分布ブラッグ反射鏡（ＤＢ
Ｒ）となっており、しかも、基板１の窪み２に沿って形
成されていて凹状部分４を有している。

【００１８】さらに、多層反射膜層３の上には窪み２を
埋めるようにしてｎ型Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０.４
５）下クラッド層５が１μｍの厚さに形成されており、
その上に厚さ１μｍのＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０.０
３）活性層６、厚さ０.５μｍのｐ型Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ
（ｘ＝０.４５）上クラッド層７、厚さ０.２μｍのｐ型
Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０.２）拡散ストップ層８、厚
さ０.５μｍのｎ型Ａｌ_XＧａ₁ _-XＡｓ（ｘ＝０.４５）の
電流ブロック層９、厚さ０.２μｍのｐ型ＧａＡｓキャ
ップ層１０が順次エピタキシャル成長させられている。

【００１９】窪み２の中央部と対向する位置において
は、キャップ層１０から上クラッド層７に達する深さま
でＺｎのようなｐ型不純物を拡散させてｐ型の電流狭窄
領域１１を形成してあり、ｎ型の電流ブロック層９は電
流狭窄領域１１ではｐ型に反転している。なお、電流狭
窄領域１１を形成するには、例えば、キャップ層１０上
面の電流狭窄領域１１を形成しようとする領域にｐ型不
純物を含んだ拡散剤（例えば、ＯＣＤ）を塗布し、高温
に保持して拡散剤中のｐ型不純物を上クラッド層７に達
するまで拡散させる。このとき、拡散ストップ層８で
は、不純物元素の拡散速度が小さくなるので、不純物元
素の拡散深さの制御が容易になる。

【００２０】さらに、キャップ層１０の上面にはｐ側電
極１２が設けられており、ｐ側電極１２には電流狭窄領
域１１の上面と対応させて光出射窓１３が開口されてい
る。一方、基板１の下面にはｎ側電極１４が設けられて
いる。

【００２１】上記多層反射膜層３は、屈折率の異なる２
種の半導体薄膜３ａ，３ｂを複数層交互に積層したもの
であって、両薄膜３ａ，３ｂの屈折率をｎ₁，ｎ₂とし、
膜厚をｄ₁，ｄ₂とし、活性層６における発光波長の中心
波長をλcとするとき、１／４波長膜となるように、す
なわち、ｄ₁＝〔λc／（４ｎ₁）〕 … ｄ₂＝〔λc／（４ｎ₂）〕 … の関係を満たすようにしてもよいが、凹状部分４の傾斜
面４ａにおいては薄膜３ａ，３ｂの実質的な膜厚は上記
膜厚（鉛直方向の膜厚）ｄ₁、ｄ₂よりも薄くなるので、
中心波長λc付近の波長の光に対しては多層反射膜層３
による反射率が低下する。そのため、この実施例におい
ては、薄膜３ａ，３ｂの膜厚ｄ₁、ｄ₂を上記式及び
式で決まるものよりも厚めに設定し、言い換えると、予
め中心波長λcよりも長めの波長に対して反射率が最大
となるように設計し、膜厚ｄ₁、ｄ₂を、ｄ₁＞〔λc／（４ｎ₁）〕 … ｄ₂＞〔λc／（４ｎ₂）〕 … としている。従って、活性層６から出射された光は、多
層反射膜層３の凹状部分４においても十分な反射率を得
ることができる。

【００２２】しかして、ｐ側電極１２及びｎ側電極１４
間に電圧を印加した場合、電流ブロック層９と拡散スト
ップ層８との間は逆バイアスとなって電流が流れないた
め、電流は電流狭窄領域１１を通って活性層６に注入さ
れ、活性層６は電流狭窄領域１１の下面に対向する位置
で発光する。そして、活性層６から出射された光は電流
狭窄領域１１を通って光出射窓１３から外部へ出射され
る。したがって、この半導体発光素子Ａは電流狭窄構造
となっている。また、活性層６から下方へ出射された光
は、多層反射膜層３によって上方へ反射され、しかも、
活性層６の発光領域は多層反射膜層３の凹状部分４に対
向しているので、活性層６から下方へ出射された光は多
層反射膜層３の凹状部分４で反射されることにより光出
射窓１３の近くで集光されながら外部へ出射される。従
って、多層反射膜層３の反射作用と反射時の集光作用に
より半導体発光素子Ａの外部量子効率が高くなり、微小
発光径を有し、かつ、高出力の半導体発光素子Ａを得る
ことができる。

【００２３】図示しないが、多層反射膜層３の別な構成
としては、両薄膜３ａ，３ｂをそれぞれ、中心波長λc
より短い波長に対する１／４波長膜からλcより長い波
長に対する１／４波長膜までの複数種類の１／４波長膜
としてもよい。つまり、両薄膜３ａ，３ｂの膜厚ｄ₁、
ｄ₂を、式及び式で決まる値よりも小さな膜厚から
大きな膜厚までの異なる数種の膜厚とし、それぞれ複数
の膜厚を有する薄膜を積層して多層反射膜層３を形成す
れば、多層反射膜層３の凹状部分４の傾斜面４ａにおい
て十分な反射率を有する多層反射膜層３を得ることがで
きる。

【００２４】図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すものは、活
性層６における発光波長の中心波長λcを８８０ｎｍと
し、種々の構成の多層反射膜層３について反射スペクト
ルの計算結果を表わしたものである。まず、図２（ａ）
に用いた多層反射膜層３においては、反射率の中心波長
を活性層６の発光波長の中心波長λcよりも長波長側へ
シフトさせている。すなわち、この多層反射膜層３は、
屈折率がｎ₁、膜厚ｄ₁がλc／（４ｎ₁）よりも大きなＡ
ｌ_XＧａ_1-XＡｓ（ｘ＝０.１）層と、屈折率がｎ₂、膜厚
ｄ₂がλc／（４ｎ₂）よりも大きなＡｌＡｓ層を交互に
３０ペア成長させたものである。このような多層反射膜
層３においては、８５０ｎｍにおいても９５％以上の反
射率が得られ、また、９２０ｎｍの波長においても９０
％以上の反射率が得られる。従って、多層反射膜層３の
凹状部分４（傾斜面４ａ）における薄膜の成長膜厚が例
えば８％程度薄くなっても、活性層６から出射される光
に対して十分な反射率を得ることができる。この結果、
光出射窓１３からの光取り出し効率が向上する。

【００２５】図２（ｂ）は、活性層６の中心波長λc＝
８８０ｎｍを含む波長域７５０ｎｍ〜９５０ｎｍにある
複数ないし多数の異なる波長に対する複数種類の１／４
波長膜を用いて構成した多層反射膜層３の反射スペクト
ルの計算結果を示している。つまり、両薄膜３ａ，３ｂ
の膜厚ｄ₁、ｄ₂を、式及び式で決まる値よりも小さ
な膜厚から大きな膜厚までの異なる数種の膜厚とし、そ
れぞれ複数の膜厚を有する薄膜３ａ，３ｂを積層して多
層反射膜層３を形成した場合であって、このような構成
によれば、より広い波長範囲で高反射率を得られること
が分かる。これを利用した場合も、多層反射膜層３の凹
状部分４（傾斜面４ａ）における薄膜の成長膜厚が例え
ば８％程度薄くなっても、活性層６から出射される光に
対して十分な反射率を得ることができる。

【００２６】図２（ｃ）に用いた多層反射膜層３におい
ても、反射率の中心波長を活性層６の発光波長の中心波
長λcよりも長波長側へシフトさせている。この多層反
射膜層３においては、多層反射膜層３の反射スペクトル
の中心波長を９００ｎｍとし、両薄膜の膜厚を波長８０
０ｎｍに対する１／４波長膜から波長１０００ｎｍに対
する１／４波長膜までの異なる数種の膜厚としている。
このような構成によると、発光波長８５０ｎｍ〜９７０
ｎｍまでのより広い波長範囲にわたって高反射率が得ら
れるため、多層反射膜層３の凹状部分４（傾斜面４ａ）
における薄膜３ａ，３ｂの膜厚が例えば２０％程度減少
しても十分な反射率を得ることができる。また、多層反
射膜層３を変化させる幅をより広くとれば、それだけ高
反射域が広くなるので、凹状部分４の傾斜面４ａの減少
膜厚を考慮して自由に設計することができる。

【００２７】図３に示すものは本発明の別な実施例によ
る半導体発光素子Ｂを示す断面図である。この実施例に
あっては、上面に窪み２を形成されたｎ型の基板１の上
に、ｎ型の多層反射膜層３、ｎ型の下クラッド層５、活
性層６、ｐ型の上クラッド層７、ｐ型の拡散ストップ層
８、ｎ型の電流ブロック層９及びｐ型のキャップ層１０
を成長させた後、キャップ層１０、電流ブロック層９、
拡散ストップ層８及び上クラッド層７をエッチングする
ことによってキャップ層１０、電流ブロック層９、拡散
ストップ層８及び上クラッド層７からなる角錐台形など
の凸状部分１５を形成している。さらに、素子の最上面
に半導体もしくは誘電体からなる多層反射膜１８を積層
して凸状部分１５の斜面１６に光反射面１７を形成し、
エッチングによって凸状部分１５の上面の多層反射膜１
８を除去して光出射窓１３を開口する。ついで、凸状部
分１５の内部においてキャップ層１０から上クラッド層
５に達する深さまでＺｎ等のｐ型不純物を例えば拡散、
イオン注入等の方法によって注入し、電流ブロック層９
を貫通するようにｐ型の電流狭窄領域１１を形成してい
る。この後、多層反射膜１８の上から電極１２を形成
し、光出射窓１３の内周部で電極１２をキャップ層１０
に接触させている。

【００２８】しかして、この実施例にあっては、活性層
６の電流狭窄領域１１と対向する箇所から上方へ発した
光は光出射窓１３から外部へ取り出され、下方へ発した
光は多層反射膜層３の凹状部分４で反射され、光出射窓
１３の近傍で集光されるようにして効率的に外部へ取り
出される。さらに、光出射窓１３から外れて凸状部分１
５の斜面１６へ向かった光も、斜面１６の光反射面１７
によって反射された後、あるいは、光反射面１７と多層
反射膜層３によって多重反射された後、光出射窓１３か
ら外部へ取り出される。従って、この実施例のような構
造によれば、半導体発光素子Ｂの外部量子効率を一層高
めることができる。

【００２９】上記多層反射膜１８は、半導体もしくは誘
電体からなる２種の薄膜を複数層交互に積層したもので
あって、例えば、ｐ型のＡｌＡｓ薄膜とＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝０.１）薄膜とを２０ペア積層したものであ
る。両薄膜の屈折率をそれぞれｎ₃，ｎ₄、膜厚をそれぞ
れｄ₃，ｄ₄とし、活性層６における発光波長の中心波長
をλcとするとき、１／４波長膜となるように、すなわ
ち、ｄ₃＝〔λc／（４ｎ₃）〕 … ｄ₄＝〔λc／（４ｎ₄）〕 … の関係を満たすようにしてもよいが、凸状部分１５の斜
面１６における薄膜の実質的な膜厚は膜厚（鉛直方向の
膜厚）ｄ₃、ｄ₄よりも薄くなるので、多層反射膜１８の
効果が弱くなる。従って、薄膜の膜厚ｄ₃、ｄ₄を上記
式及び式で決まるものよりも厚めに設定することによ
り、言い換えると、予め中心波長λcよりも長めの波長
に対して反射率が最大となるように、膜厚ｄ₃、ｄ₄を、ｄ₃＞〔λc／（４ｎ₃）〕 … ｄ₄＞〔λc／（４ｎ₄）〕 … とすることにより、多層反射膜１８は斜面１６において
も十分な反射率を得ることができる。

【００３０】あるいは、両薄膜をそれぞれ、中心波長λ
cより短い波長からλcより長い波長までの波長域にある
複数もしくは多数の異なる波長に対する複数種類の１／
４波長膜を用いて多層反射膜１８を形成してもよい。つ
まり、両薄膜の膜厚ｄ₃、ｄ₄を、式及び式で決まる
値よりも小さな膜厚から大きな膜厚までの異なる数種の
膜厚とし、それぞれ複数の膜厚を有する薄膜を積層して
多層反射膜１８を形成すれば、斜面１６において十分な
反射率を有する多層反射膜１８を得ることができる。

【００３１】また、多層反射膜１８を用いず、凸状部分
１５の斜面１６に直接に電極１２を形成し、電極１２に
よって斜面１６に光反射面１７を形成してもよい。

【００３２】図４に示すものは本発明のさらに別な実施
例による半導体発光素子Ｃを示す断面図である。この実
施例にあっては、まず、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ₂によって（１０
０）面方位のｐ型ＧａＡｓ基板１上に２０μｍ角の四角
錐状をした窪み２を形成する。ついで、窪み２を形成さ
れた基板１の上にＢｅドープＡｌＡｓ薄膜３ｃとＡｌ_x
Ｇａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.２）薄膜３ｄを発光波長の１／
（４ｎ）の膜厚となるように交互に３０ペア積層し、多
層反射膜層３を形成する。この上には、分子線エピタキ
シャル（ＭＢＥ）法によってＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ（ｘ＝０.４５）層１９が１μｍの膜厚に形成され
る。ここで、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層１９の窪み
２と対応する位置には凹状部分２０が形成されており、
凹状部分２０の傾斜面２１における面方位は（１１１）
Ａ面となっている。ついで、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ層１９の上にはＢｅドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝
０.４５）クラッド層２２およびＧａＡｓ活性層２３が
順次分子線エピタキシャル成長させられ、さらにその上
に、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０.４５）層２
４がエピタキシャル成長させられる。ついで、Ｓｉドー
プＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２４の上には、面方位に依存しな
いｎ型の不純物であるＳｎをドープしたＧａＡｓコンタ
クト層２５を成長させる。このようにして窪み２を形成
された基板１の上面に、１回のエピタキシャル成長工程
により、多層反射膜層３、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層１９、Ｂ
ｅドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層２２、ＧａＡｓ活
性層２３、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２４およびＳ
ｎドープＧａＡｓコンタクト層２５を成長させた後、コ
ンタクト層２５の上面にｎ側電極２６を形成すると共に
窪み２の位置に対応させて光出射窓１３を開口し、基板
１の下面にｐ側電極２７を設けている。

【００３３】ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層１９，２４
は、傾斜面の（１１１）Ａ面ではｐ型となっており、そ
れ以外の領域ではｎ型となっているので、活性層２３よ
りも下側の領域においては、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ層１９の傾斜面２１以外の領域とクラッド層２２との
間は逆バイアスとなり、基板１からの注入電流は（１１
１）Ａ面である傾斜面２１に狭窄される。一方、活性層
２３よりも上側の領域においては、ＳｉドープＡｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ層２４においては、凹状部分２８の傾斜面２
９においてはｐ型となっているので、凹状部分２８の中
央の平坦部３０に電流が狭窄される。従って、ｐ側電極
２７から基板１へ注入された電流は、ＳｉドープＡｌ_x
Ｇａ_1-xＡｓ層１９の傾斜面２１を通って活性層２３へ
注入され、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２４の中央の
平坦部３０を通ってｎ側電極２６へ流れ、活性層２３で
は、ＳｉドープＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層２４の中央の平坦部
３０と対向する位置において微小発光径の発光を行な
う。この結果、この実施例の半導体発光素子Ｃにあって
は、不純物拡散やイオン注入等を行なうことなく、１回
だけの結晶成長工程により、電流狭窄構造を有する素子
を製作することができる。

【００３４】つぎに、上記半導体発光素子を用いた応用
例について説明する。まず、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に
示す投光器（発光装置）Ｄについて説明する。この投光
器Ｄは、本発明の半導体発光素子７１を一方のリードフ
レーム７２の上にダイボンディングすると共に他方のリ
ードフレーム７３にワイヤボンディングした状態で透明
エポキシ樹脂等の封止樹脂７４で所定形状に低圧注型し
て封止し、全体として角ブロック状の外形に構成されて
いる。封止樹脂７４の表面には多数の環状レンズ単位を
同心状に配列したフレネル型平板状レンズ７５が一体形
成されると共に、表面の両側にはフレネル型平板状レン
ズ７５と同じ高さ、あるいはフレネル型平板状レンズ７
５よりもやや高いアゴ部７６を突設してあり、アゴ部７
６によってフレネル型平板状レンズ７５を保護してい
る。

【００３５】この投光器Ｄの場合、半導体発光素子７１
は、高い発光効率で、しかも微小な発光領域を有するも
のであるから、フレネル型平板状レンズ７５により光の
指向特性が狭小化し、出力が強く、かつ細いビームが長
距離においても得られる。例えば、フレネル型平板状レ
ンズ７５を焦点距離ｆ＝４.５ｍｍ、レンズ直径３.５ｍ
ｍとし、半導体発光素子７１の光取り出し窓を直径２０
μｍにしたとき、１ｍの距離におけるビーム径は直径４
ｍｍ程度である。しかるに、従来より用いられている通
常の発光ダイオード（すなわち、その光の出射面積が３
５０μｍ角程度のもの）では、直径７０ｍｍ程度まで広
がってしまうので、本発明による半導体発光素子７１を
用いて投光器Ｄを作製することにより大きなメリットが
得られる。

【００３６】また、従来より用いられている投光器とし
ては、図１３に示すような構造のものがあるが、ステム
１６２から突出したヒートシンク１６３に半導体レーザ
素子１６４及びフレネル型平板状レンズ１６５を取り付
け、これらを金属キャップ１６６で覆ったキャンシール
型のものなどがあるが、このような従来の投光器１６１
と比較して本発明の投光器Ｄは構造が大幅に簡略化され
ており、コスト及び嵩体積の低減を図ることができる。

【００３７】なお、ここでは投光ビームとして指向性の
狭い平行光線を出射するものについて説明したが、フレ
ネル型平板状レンズ７５のパラメータを変えることによ
り、集光ビームや偏向ビームなどの投光器にも適用でき
ることは自明である。

【００３８】図６に示すものは、スクリーンなどの上の
映像等の位置を指示するためのハンディタイプのポイン
タ（投光器）Ｅである。このポインタＥは、本発明によ
る発光ダイオード（ＬＥＤ）８１、コリメート用の投光
レンズ８２、動作回路８３及びバッテリー８４からなっ
ており、半導体発光素子８１から出射された光は投光レ
ンズ８２でコリメートされた後、スクリーン上に投射さ
れ、光スポットにより指示箇所を示す。

【００３９】現在使用されているポインタは、半導体レ
ーザ素子を用いたものがほとんどであるが、レーザ光を
用いているため、出射レーザ光が周囲の人の目に入ると
有害である。この危険性のため、レーザ規制等の問題が
起こっている。したがって、このような問題を解決する
ため、発光ダイオードを用いたＬＥＤポインタなどが考
えられている。しかし、従来の全面発光型ＬＥＤ（発光
径４００μｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ
径４ｍｍの投光レンズでコリメートしたＬＥＤポインタ
の場合、５ｍ先のスクリーン上でのビーム径は２００ｍ
ｍと大きく広がってしまい、ほとんど見えなくなってし
まう。

【００４０】これに対し、本発明によるＬＥＤ８１を用
いたポインタＥの場合には、発光径１０μｍのＬＥＤ８
１と、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの同様な
投光レンズ８２を用いた場合、５ｍ先のスクリーン上で
もビーム径は５ｍｍと小さく、見易いものとなる。した
がって、本発明のＬＥＤ８１で光出力や指向性を向上さ
せることにより、安全で見易いポインタＥを製作するこ
とができる。

【００４１】図７（ａ）に示すものは本発明による半導
体発光素子９５を用いた透過型光学式ロータリーエンコ
ーダＦを示す斜視図である。このロータリーエンコーダ
Ｆは、回転軸９１に取り付けられた回転板９２、回転板
９２の外周部に対向した固定板９３、回転板９２及び固
定板９３を挟んで対向させられた投光レンズ９４と本発
明による半導体発光素子９５及び受光素子９６から構成
されている。回転板９２の外周部には全周にわたって１
ｍｍの間隔のスリット９７が穿孔されており、固定板９
３にも１ｍｍの間隔でトラックＡスリット９８及びトラ
ックＢスリット９９が穿孔されている。

【００４２】しかして、半導体発光素子９５から出射さ
れた光は、投光レンズ９４でコリメートされた後、固定
板９３のスリット９８，９９で分割され、回転板９２の
スリット９７を通り、受光素子９６で検知される。固定
板９３のトラックＡスリット９８とトラックＢスリット
９９は電気位相角を９０゜ずらしてあり、Ａ相信号・Ｂ
相信号が共にオン（受光状態）になるときをスケールの
１単位（１スリット）と数えることによりスケールを読
むものである。また、図７（ｂ）に示すようにＡ相から
オンになるか、あるいはＢ相からオンになるかで回転方
向を判別できるようになっている。

【００４３】このロータリーエンコーダにおいて、例え
ば、従来の全面発光型半導体発光素子（発光径４００μ
ｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの
投光レンズでコリメートしたとすると、そのコリメート
性の悪さによって回転板上のビーム径は、固定板のスリ
ット幅＋約４０μｍに広がってしまう。したがって、６
００ＤＰＩ（４０μｍピッチ）以上のスケールではスリ
ット幅以上にビームが広がることとなり、スケールを読
み取ることができず、高分解能化が不可能である。

【００４４】これに対し、本発明による半導体発光素子
９５を用いたロータリーエンコーダＦでは、半導体発光
素子９５の発光径を１０μｍ程度に微小発光径化できる
ので、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ、レンズ径４ｍｍの同様な
投光レンズ９４を用いてコリメートしたとしても、回転
板９２上のビーム径は、固定板９３のスリット幅＋約
０.５μｍにビームの広がりを抑えることができる。し
たがって、高分解能化が可能であり、６００ＤＰＩ（４
０μｍピッチ）以上のスケールを読み取ることも可能に
なる。よって、本発明による半導体発光素子９５をロー
タリーエンコーダＦに用いることにょり、特別な光学系
を用いることなく、ロータリーエンコーダＦの分解能を
向上させることができる。

【００４５】なお、上記実施例では、ロータリーエンコ
ーダを説明したが、リニアエンコーダヘッドにおいて本
発明による半導体発光素子を用いることによっても同様
な効果を得ることができる。

【００４６】図８は本発明による半導体発光素子１０１
を用いた光学式距離センサＧの構成を示す説明図であ
る。この距離センサＧは、本発明による半導体発光素子
１０１及びコリメートレンズ１０２からなる投光部と、
受光レンズ１０３及び位置検出素子１０４からなる受光
部とから構成されている。

【００４７】また、図８は当該距離センサＧによって対
象物１０５が有する凹凸の段差ｄを計測する場合を表わ
している。半導体発光素子１０１から出射された光はコ
リメートレンズ１０２で平行光化された後、対象物１０
５上に照射されてビームスポットＳＰ₁，ＳＰ₂を生成
し、それぞれビームスポットＳＰ₁，ＳＰ₂の反射像を位
置検出素子１０４上に結像させる。これらの結像位置
は、位置検出素子１０４の信号線１０６，１０７で得た
信号比をもって検出でき、その位置ずれ量より三角測量
の原理を用いて段差ｑが算出される。

【００４８】本発明による半導体発光素子１０１は、高
出力で、かつ発光領域が制限されていて微小発光窓を有
するものであるので、このような距離センサＧに本発明
による半導体発光素子１０１を用いれば、長距離検出が
可能で、しかもビームスポット径が小さく、分解能を向
上させることができる。

【００４９】図９は上記距離センサＧによる段差ｑの測
定結果を示している。これは距離センサＧから１０ｃｍ
だけ離れた位置に高さが２ｍｍと５ｍｍの凸部及び２ｍ
ｍと５ｍｍの凹部を有する対象物を位置させた場合の測
定結果であり、段差ｑに応じた特性曲線１０８が得られ
ている。なお、特性曲線１０８において、イは２ｍｍの
凸部、ロは５ｍｍの凸部、ハは２ｍｍの凹部、ニは５ｍ
ｍの凹部に対応する箇所である。

【００５０】図１０は本発明による半導体レーザ素子１
１１を用いたレーザビームプリンタＨを示す斜視図であ
る。これは、半導体レーザ素子１１１、投光側コリメー
トレンズ１１２、回転多面鏡（ポリゴンミラー）１１
３、回転多面鏡１１３を一定方向に一定速度で回転させ
るスキャナモータ１１４、スキャナコントローラ１１
５、集光レンズ１１６、感光体ドラム１１７、水平同期
用受光センサ１１８などから構成されている。

【００５１】しかして、半導体レーザ素子１１１から出
射された光は投光側コリメートレンズ１１２を通ってコ
リメート光となり、回転多面鏡１１３で反射されると共
に水平方向にスキャンされ、集光レンズ１１６で感光体
ドラム１１７上に集光され、感光体ドラム１１７上に潜
像を生じさせる。

【００５２】このようなレーザビームプリンタにおい
て、例えば全面発光型の従来のＬＥＤ（発光径４００μ
ｍ）を用い、焦点距離ｆ＝１５ｍｍの集光レンズで１５
０ｍｍ先の感光体ドラム上に集光したとすると、その集
光性の悪さのため、感光体ドラム上でのビーム径は４.
８ｍｍと大きくなり、４００ＤＰ１の印字密度仕様を満
足できなかった。

【００５３】これに対し、本発明による半導体レーザ素
子１１１を用いたレーザビームプリンタＨにあっては、
その発光径を５μｍ程度に微小化できるので、同一条件
で集光させた場合でもビーム径を６０μｍ以下に絞るこ
とができ、４００ＤＰＩの仕様を十分に満足することが
できる。

【００５４】図１１（ａ）は本発明による半導体発光素
子１２１を用いたバーコードリーダＪを示す斜視図であ
る。このバーコードリーダＪは、半導体発光素子１２
１、投光側集光レンズ１２２、回転多面鏡１２３、回転
多面鏡１２３を一定方向に一定速度で回転させるスキャ
ナモータ１２４、等速走査レンズ１２５、受光側集光レ
ンズ１２６、受光素子１２７から構成されている。

【００５５】しかして、半導体発光素子１２１から出射
された光は投光側集光レンズ１２２を通り、回転多面鏡
１２３で反射されると共に水平方向にスキャンされ、等
速走査レンズ１２５で等速化された後、バーコード１２
８上で集光され、バーコード１２８上を走査される。さ
らに、バーコード１２８からの反射光は、受光側集光レ
ンズ１２６により受光素子１２７上に集光されて検知さ
れ、バーコード信号ＢＳが得られる。このバーコードリ
ーダＪにおいては、等速走査レンズ１２５により光ビー
ムの走査速度が等速化されているので、横軸に時間をと
り、縦軸に検知信号（バーコード信号ＢＳ）をとると、
図１１（ｂ）に示すようにバーコードに応じた信号ＢＳ
が得られる。

【００５６】このようなバーコードリーダにおいて、例
えば全面発光型の従来のＬＥＤ（発光径４００μｍ）を
用い、焦点距離ｆ＝１５ｍｍの集光レンズで２５０ｍｍ
先のバーコード上に集光したとすると、その集光性の悪
さのため、バーコード上でのビーム径は約６.７ｍｍと
大きくなり、ハーコード（一般的に、最小線幅は０.２
ｍｍ）は到底読み取ることができない。

【００５７】これに対し、本発明による半導体発光素子
１２１を用いたバーコードリーダＪにあっては、その発
光径を１０μｍ程度に微小発光径化できるので、同一条
件で集光させた場合でもバーコード１２８上のビーム径
をバーコード１２８の最小線幅以下（０.２ｍｍ弱）ま
で絞ることができ、バーコード１２８を読み取ることが
できる。

【００５８】また、本発明の半導体発光素子は、図示し
ないが、半導体発光素子と光ファイバーとからなる光フ
ァイバーモジュールにも適用することができる。

【００５９】なお、本発明の半導体発光素子は、面発光
型の半導体ダイオードに限らず、面発光型の半導体レー
ザ素子にも適用できることはもちろんである。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、電流狭窄領域から活性
層に電流を注入して活性層の狭い領域で発光させ、活性
層から光取り出し面と反対側（基板側）へ出射された光
を凹状をした多層反射膜層で反射させ、多層反射膜層で
反射した光を光出射窓の付近で集光され、光出射窓から
高出力で出射させることができる。従って、本発明によ
れば、微小発光面積で、しかも、外部量子効率が高い半
導体発光素子を得ることができる。

【００６１】また、窪みと対応させて光出射窓の部分に
凸状部分を形成し、凸状部分の斜面に多層反射膜等によ
って光反射面を形成しておけば、光出射窓以外の方向へ
向けて出射もしくは反射された光も上記光反射面及び多
層反射膜層で１回ないし複数回反射された後、光出射窓
から外部へ出射され、光の取り出し効率を一層高めるこ
とができる。

【００６２】さらに、凹状部分の傾斜面に形成された多
層反射膜層や凸状部分の斜面に形成された多層反射膜で
は、膜厚が不足することがあるので、多層反射膜層や多
層反射膜を構成する薄膜の膜厚を発光波長の中心波長よ
りも長い波長に基づいて設計すると良い。あるいは、発
光波長の中心波長を含む広い範囲の波長に対して設計さ
れた複数種類の膜厚の薄膜を積層して反射率スペクトル
のレンジ幅の広い多層反射膜層や多層反射膜を用いれ
ば、凹状部分の傾斜面や凸状部分の斜面においても十分
な反射率を得ることができる。

【００６３】また、多層反射膜層が凹状部分を有してお
り、光取り出し面が場合によっては凸状部分を有してい
るので、多重反射膜層と光取り出し面とが平行になって
ファブリペロー共振器が構成されることがなく、発光ス
ペクトルにリップルを生じるのを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体発光素子を示す
断面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）（ｃ）は種々の多層反射膜層の反
射スペクトルの計算結果を示す図である。

【図３】本発明の別な実施例による半導体発光素子を示
す断面図である。

【図４】本発明のさらに別な実施例による半導体発光素
子を示す断面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明による半導体発光
素子を用いた投光器を示す斜視図、水平断面図及び側断
面図である。

【図６】本発明による半導体発光素子を用いたポインタ
を示す断面図である。

【図７】（ａ）は本発明による半導体発光素子を用いた
ロータリーエンコーダを示す斜視図、（ｂ）は当該エン
コーダのＡ相信号とＢ相信号を示す波形図である。

【図８】本発明による半導体発光素子を用いた距離セン
サの構成を示す概略図である。

【図９】同上の距離センサによる測定結果の一例を示す
図である。

【図１０】本発明による半導体発光素子を用いたレーザ
ビームプリンタを示す斜視図である。

【図１１】（ａ）は本発明による半導体発光素子を用い
たバーコードリーダを示す斜視図、（ｂ）はバーコード
リーダによる検知信号を示す図である。

【図１２】従来の半導体発光素子を示す断面図である。

【図１３】従来の投光器を示す一部破断した斜視図であ
る。

【符号の説明】

１基板２窪み３多層反射膜層３ａ，３ｂ薄膜６活性層１１電流狭窄領域１２ｐ側電極１３光出射窓１５凸状部分１６斜面１７光反射面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹状の窪みが形成された基板の上方に、
当該凹状の窪みの形状に沿って、屈折率の異なる２種の
薄膜を複数層交互に積層してなる多層反射膜層を形成
し、前記多層反射膜層の上方に活性層を形成するとともに、
前記凹状の窪みの上方に電流狭窄領域を形成し、前記活性層の上方から光を出射させるようにした半導体
発光素子。
【請求項２】前記多層反射膜層を構成する各薄膜が、
複数種の膜厚からなることを特徴とする請求項１に記載
の半導体発光素子。
【請求項３】前記２種の薄膜の屈折率をそれぞれ
ｎ₁，ｎ₂、膜厚をそれぞれｄ₁，ｄ₂とし、前記活性層の
発光波長の中心波長をλcとするとき、各薄膜がそれぞ
れｄ₁≧〔λc／（４ｎ₁）〕ｄ₂≧〔λc／（４ｎ₂）〕であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体
発光素子。
【請求項４】前記活性層の上方に凸状部分を形成し、
該凸状部分の側面を斜面に形成すると共に該斜面に光反
射面を形成し、該凸状部分の頂部に光出射窓を形成した
ことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体発
光素子。
【請求項５】前記光反射面が、屈折率の異なる２種の
薄膜を複数層交互に積層した多層反射膜によって形成さ
れており、前記多層反射膜を構成する各薄膜が、複数種の膜厚から
なっていることを特徴とする請求項４に記載の半導体発
光素子。
【請求項６】前記光反射面を構成する多層反射膜の２
種の薄膜の屈折率をそれぞれｎ₃，ｎ₄、膜厚をそれぞれ
ｄ₃，ｄ₄とし、前記活性層の発光波長の中心波長をλc
とするとき、各薄膜がそれぞれｄ₃≧〔λc／（４ｎ₃）〕ｄ₄≧〔λc／（４ｎ₄）〕であることを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体
発光素子。
【請求項７】前記光反射面が電極によって形成されて
いることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素
子。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６又は７に
記載の半導体発光素子を備えた光学検知装置。
【請求項９】請求項１，２，３，４，５，６又は７に
記載の半導体発光素子を備えた光学的情報処理装置。
【請求項１０】請求項１，２，３，４，５，６又は７
に記載の半導体発光素子を備えた発光装置。