JPH077184A

JPH077184A - 半導体発光素子、並びに当該発光素子を用いた投光器、光学検知装置及び光学的情報処理装置

Info

Publication number: JPH077184A
Application number: JP16854693A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Watanabe; 秀明渡辺; Koichi Imanaka; 行一今仲
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-06-14
Filing date: 1993-06-14
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】光の出射方向を制御する機能を有し、しかも
高い発光出力を有する半導体発光素子を提供する。【構成】内部に活性層２を有する発光素子チップ１の
光出射側の表面にプレート６を装荷する。プレート６に
は、円錐形状や角錐形状などの錐状開口部７を設け、錐
状開口部７の開口径の小さい側で発光素子チップ１に向
けてプレート６を接合する。錐状開口部７の内周面全域
には、例えば金属膜を蒸着させて反射層８を形成する。

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に関す
る。特に、光の出射方向を制御した半導体発光素子に関
する。また、本発明はその発光素子を用いた投光器、光
学検知装置、光学的情報処理装置に関する。

【０００２】

【背景技術とその問題点】図１７は光の出射方向を制御
した従来の半導体発光素子Ｑを示す断面図である（特開
平４−１０４７９号公報）。この半導体発光素子Ｑは、
基板８１の下面側中央部に活性層８２を設け、基板８１
の上面側に活性層８２と対向させて光出射窓８３を設け
たものであって、光出射窓８３の周囲部分（基板８１の
外周面）は基板８１の内面側へ凸曲するように湾曲させ
られている。そして、光出射窓８３の周囲に形成された
凸状斜面８４の内側には不純物拡散によって反射層８５
が形成されている。なお、８６は上面電極、８７は下面
電極である。

【０００３】しかして図１７に示すように、活性層８２
から発した光αは反射層８５によって光出射窓８３の方
向へ反射されて光出射窓８３から素子外部へ出射され
る。したがって、このような構造の発光素子Ｑによれ
ば、凸状斜面８４に形成された反射層８５によって光α
の出射方向を制御し、レンズや光ファイバ等の外付け部
品との光結合効率を向上させられる。

【０００４】このような従来の半導体発光素子Ｑにおい
ては、光出射窓８３の近くで反射層８５により反射され
た光αは、光出射窓８３から外部へ出射される。しかし
ながら、反射層８５が光出射方向で径が小さくなるよう
に絞られているので、光出射窓８３から離れた領域で反
射層８５により反射された光αは、光出射窓８３と異な
る方向へ反射されてしまい、当初に意図した程光結合効
率を向上させることができなかった。また、基板１の外
周面にエッチングによって逆ラッパ状をした凸状斜面８
４を形成しなければならないので、そのためのプロセス
が複雑となり、製造コストが上昇するという欠点があっ
た。

【０００５】ところで、この種の半導体発光素子の用途
としては、距離センサや光電センサ等の光学検知装置が
あり、また、その光源部分である投光器などがある。従
来この種の光源部分には半導体レーザ素子（ＬＤ）や発
光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられている。このうち、
半導体レーザ素子は、高出力で指向性のあるビームを生
成できるので、光電センサ等の光学検知装置等に適した
素子である。しかし、半導体レーザ素子はノイズや温度
変動に弱く、そのため駆動回路が高価になることや人体
（特に、目など）に危険なため応用範囲が限られるとい
った問題があった。

【０００６】一方、発光ダイオードは温度変動やノイズ
等の外乱には強いが、光の指向性がなくランバート型の
広がりを有するため、レンズや光ファイバ等の外付け部
品との光結合効率が低い。このため、距離センサ等の光
学検知装置に用いた場合には、検出距離が短いといった
問題があった。また、発光ダイオードは一般的に半導体
レーザ素子に比べて発光出力が低いので、より一層検出
距離が短くなるといった問題があった。この結果、特に
発光ダイオードにおいて、光の出射方向を制御して指向
性を高め、高い発光出力を得ることが望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の背景技
術に鑑みてなされたものであって、その目的とするとこ
ろは、光の出射方向を制御する機能を有し、しかも高い
発光出力を有する半導体発光素子を提供することにあ
る。さらに、本発明の目的とするところは、そのような
半導体発光素子を用いることにより、長い検出距離能力
を有する光学検知装置や高性能で簡単な構造の投光器等
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、面方向に光を出射する活性層を有する発光素子チッ
プと、当該発光素子チップの光出射側の表面に装荷され
たプレートとを備え、前記発光素子チップと対向する側
で開口径が小さくなるよう前記プレートに略テーパー状
をした開口部を貫通させ、当該開口部の内周面に反射層
を形成したことを特徴としている。

【０００９】上記半導体発光素子にあっては、前記発光
素子チップに形成された光出射窓に対向して前記開口部
が設けられ、前記光出射窓の面積が前記開口部の開口径
が小さな側の開口面積よりも小さくなっていてもよい。

【００１０】また、前記発光素子チップに形成された光
出射窓に対応して前記発光素子チップ内部に電流狭窄構
造が形成されていてもよい。

【００１１】さらに、前記プレートの底面積が前記発光
素子チップの面積よりも大きくなっていてもよい。

【００１２】さらに、前記プレートの前記開口部を形成
された領域以外の領域に複数の溝加工を施してもよい。

【００１３】さらに、前記プレートが少なくとも表面に
導電性を有していてもよい。

【００１４】さらに、前記プレートがシリコンにより形
成されていてもよい。

【００１５】さらに、前記開口部の形状を略円形テーパ
ー状とし、その開口部の内部もしくは上部に球レンズを
装着してもよい。

【００１６】さらに、前記プレートの開口部の内部もし
くは上部にレンズ固定用の凹部を形成し、半球状レンズ
やフレネルレンズ等のレンズを当該凹部に装着してもよ
い。

【００１７】さらに、前記プレートの開口部を透明樹脂
材で封止し、この透明樹脂材にレンズ作用を持たせても
よい。

【００１８】また、本発明の投光器は、上記半導体発光
素子をリードフレームに装着し、この半導体発光素子を
透明樹脂材で所定形状に封止成形し、この透明樹脂材の
表面に平板状レンズを一体成形したことを特徴としてい
る。

【００１９】また、本発明の光学検知装置は、上記半導
体発光素子を備えたことを特徴としている。

【００２０】また、本発明の光学的情報処理装置は、上
記半導体発光素子を備えたことを特徴としている。

【００２１】

【作用】本発明の半導体発光素子にあっては、発光素子
チップに装荷されたプレートに略テーパー状をした開口
部を貫通させ、当該開口部の内周面に反射層を形成して
いるので、発光素子チップから出射された出射ビームは
プレートの反射層によって光軸と平行に近くなる方向へ
反射され、反射層で反射された後外部へ出射されるビー
ムを狭小化することができ、レンズや光ファイバ等の外
付け部品との光結合効率が高くなる。

【００２２】特に、もともとの光出射領域が微小化され
た、いわゆる点光源型の発光素子チップと当該プレート
とを組み合わせれば、外部へ取り出せる光出力を変える
ことなくビームの出射方向のみを変えることができるの
で、指向性の高いすぐれた光源を得ることができる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による半導体発
光素子Ａの構造を示す断面模式図である。図１におい
て、１は発光素子チップであって、内部には面方向に光
を発する全面出射型の活性層２が形成されている。発光
素子チップ１の内部構造は特に限定されるものではない
ので、図では活性層２と上下面電極３，４のみを示して
いる。発光素子チップ１の上面には比較的大きな光出射
窓５（すなわち、上面電極３の開口部分）が形成されて
おり、発光素子チップ１の上面の光出射窓５にはプレー
ト６が装荷されている。プレート６には、円錐形状や角
錐形状など一方で開口径が小さく他方で開口径が大きな
略テーパ状ないし略錐状をした錐状開口部７が設けられ
ており、プレート６は錐状開口部７の開口径の小さい側
で発光素子チップ１の上面と接合されている。この錐状
開口部７の内周面全域には、例えば金属膜を蒸着させる
ことによって反射層８が形成されている。なお、プレー
ト６の材質としては、熱伝導率の高い材質を用いれば、
プレート６がヒートシンクとして働くので、温度特性が
良好となる。

【００２４】図２は上記半導体発光素子Ａの活性層２か
ら発した光線の挙動を例示する図である。活性層２から
発する光のうち、錐状開口部７の真下の点Ｐ０から垂直
上方に向けて出射された光α０はそのまま錐状開口部７
を通って光軸Ｘとほぼ平行に外部へ出射される。また、
例えば活性層２の点Ｐ１又はＰ２から発した光は上下左
右３６０°の全方位へ進行する。このうち、図２中の光
線α１又はα２のように活性層２から上方へ出射された
光は、反射層８によって光軸Ｘと略平行な方向に向けて
反射される。この結果、錐状開口部７から出射される光
は出射方向が限定され、広がりの小さなビームとして外
部へ出射される。したがって、このプレート６の錐状開
口部７に対向させてレンズや光ファイバ等の外付け部品
が配置されている場合には、錐状開口部７から出射され
たビームとレンズや光ファイバ等との光結合効率が向上
する。

【００２５】図３は本発明の第２の実施例による半導体
発光素子Ｂの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、発光素子チップ１の上面に上面電極３を一
部開口して光出射窓５を形成する際、錐状開口部７の開
口径の最小値よりも小さな開口径の光出射窓５を開口し
ている。そして、錐状開口部７の下面開口部分の中に発
光素子チップ１の光出射窓５が含まれるようにプレート
６を配置している。この実施例にあっても、第１の実施
例と同様な作用により光の方向を揃えてビームの広がり
を狭小化することができる。しかも、発光素子チップ１
の光出射窓５の面積がプレート６の錐状開口部７の底部
断面積よりも小さくなっているので、光出射窓５から出
射される光がすべて錐状開口部７へ導かれることにな
り、もともとの光出力を減少させることなく出射ビーム
を強化することができ、光結合効率向上の効果が大き
い。

【００２６】図４は本発明の第３の実施例による半導体
発光素子Ｃの構造を示す断面模式図である。この発光素
子チップ１は電流狭窄構造を有するものであって、上面
電極３の下には電流阻止領域９が形成されている。電流
阻止領域９は、例えばプロトンなどを注入し、注入部分
を高抵抗化することによって形成される。このような電
流狭窄構造の発光素子チップ１にあっては、上下面電極
３，４間に電圧を印加すると、電流が光出射窓５の下の
電流通路領域１０にのみ流れるので、活性層２は光出射
窓５に対向する微小領域でのみ発光する。

【００２７】この半導体発光素子Ｃのように、電流狭窄
構造を有する発光素子チップ１の場合には電流狭窄構造
によって本来狭い出射ビームが得られる。しかし、この
電流狭窄構造の発光素子チップ１の上に円錐状や角錐状
等の錐状をした反射層８を備えたプレート６を装荷する
と、広がったビームが反射層８で反射されて出射方向を
光軸Ｘとほぼ平行な方向へ曲げられるので、一層光ビー
ムを狭小化して光出力を大きくでき、レンズや光ファイ
バ等の外付け部品との光結合効率が一層向上する。ま
た、一層効率よく光を外部に取り出すことができるの
で、高出力でかつ狭小な光ビームを得ることができる。

【００２８】なお、上記各実施例ではプレート６には錐
状開口部７を１個だけ設けているが、複数個の錐状開口
部７をアレイ状に設けてもよい（以下の実施例でも同様
である）。錐状開口部７をアレイ状に設けることによ
り、発光素子チップの構造を変更することなく、新たに
光出射部分がアレイ化された半導体発光素子を製作する
ことができる。このとき、発光素子を点光源型の発光素
子アレイとし、各素子の出射部分に対応した錐状開口部
を有するプレートと組み合わせることにより、出射ビー
ムが狭小化された発光素子アレイを得ることができる。

【００２９】図５は本発明の第４の実施例による半導体
発光素子Ｄの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、プレート６の底面積を発光素子チップ１の
面積よりも大きくし、プレート６の外周部６ａを発光素
子チップ１の外周面よりも外へ張り出させている。この
結果、活性層２で発した光のうちで発光素子チップ１の
側面へ出射される光（いわゆる漏れ光）をプレート６の
外周部６ａによって遮断し、ビーム出射方向へ出射され
ないようにできる。この結果、この半導体発光素子Ｄを
光電スイッチ等の光学検知装置の投光器に用いた場合に
は、ノイズ光の低減に効果がある。また、このプレート
６を金属等の導電性材質によって作製したり、セラミッ
ク等の非導電性物質の表面に金属などの導電物質をコー
ティングしたものなどで作製したりして、プレート６と
上面電極３とを導通させておくと、発光素子チップ１へ
の電流注入をプレート６の上から行なえるので、実装性
が良好となる。

【００３０】図６は本発明の第５の実施例による半導体
発光素子Ｅの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、錐状開口部７を設けた領域以外の領域にお
いてプレート６の上面に溝加工を施して複数の溝部１１
を設けた構造となっている。このような構造によると、
プレート６の放熱面積が大きくなるので、プレート６を
通して発光素子チップ１の放熱を効果的に行なえるよう
になる。このプレート６の材質は熱伝導率が高く、しか
も熱膨張率が発光素子チップ１とほぼ等しいものが好ま
しいが、溝加工の容易性や発光素子チップ１とのプロセ
スの互換性等を考慮すると、シリコンが望ましい。

【００３１】図７は本発明の第６の実施例による半導体
発光素子Ｆの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、プレート６の円錐状をした錐状開口部７に
球レンズ１２を装着し、球レンズ１２によって出射光を
平行光化させるようにしたものである。なお、この実施
例においては、用途に応じて球レンズ１２の装着位置を
変えることにより、出射光を拡散光化させたり、集光光
化させたり、コリメート化させたりするができる。

【００３２】図８は本発明の第７の実施例による半導体
発光素子Ｇの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、プレート６の錐状開口部７の周囲に凹部１
３を形成し、当該凹部１３に周囲をはめ込むようにして
錐状開口部７の上面に半球レンズ１４を装着させたもの
である。図示しないが、半球レンズ１４に代えて平板状
のフレネルレンズを用いてもよい。この実施例において
も、半球レンズ１４（もしくは平板状フレネルレンズ）
により出射光をコリメート化、拡散光化あるいは集光光
化させることができる。なお、本実施例においては、プ
レート６の上面の凹部１３を半球レンズ１４あるいはフ
レネルレンズに対して適当な余裕度をもたせて加工すれ
ば、凹部１３内で半球レンズ１４やフレネルレンズを動
かすことができるので、これらのレンズを光軸合せした
状態で接着剤等によりプレート６に固定でき、出射光線
をより精密に制御することが可能となる。

【００３３】図９は本発明の第８の実施例による半導体
発光素子Ｈの構造を示す断面模式図である。この実施例
にあっては、発光素子チップ１から出射される光に対し
て透明な樹脂材１５をプレート６の錐状開口部７内に充
填している。一般的に透明樹脂材１５では、その屈折率
ｎが空気（屈折率＝１）より大きいので、錐状開口部７
内に透明樹脂材１５を充填させることにより発光素子チ
ップ１の光出射窓５での反射臨界角が大きくなる。した
がって、外部へ取り出すことのできる光量が増加するの
で、より高出力の半導体発光素子Ｈを得ることができ
る。なお、この透明樹脂材１５の光出射側の形状１５ａ
をレンズ効果を持つような形状にすれば、図７及び図８
の半導体発光素子Ｆ，Ｇと同様、出射光をコリメート
化、集光光化あるいは拡散光化させることができる。

【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１０（ａ）（ｂ）（ｃ）
に示す投光器Ｊについて説明する。この投光器Ｊは、本
発明の半導体発光素子２１を一方のリードフレーム２２
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２３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２４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２４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２５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２５と同
じ高さ、あるいはフレネル型平板状レンズ２５よりもや
や高いアゴ部２６を突設してあり、アゴ部２６によって
フレネル型平板状レンズ２５を保護している。

【００３５】この投光器Ｊの場合、半導体発光素子２１
は、光の出射方向が狭小化され、しかも高い発光効率を
有しているから、フレネル型平板状レンズ２５への光結
合効率が向上し、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。

【００３６】また、従来より用いられている投光器Ｒと
しては、図１８に示すような構造のものがある。これ
は、ステム９１から突出したヒートシンク９２に半導体
レーザ素子９３及びフレネル型平板状レンズ９４を取り
付け、これらを金属キャップ９５で覆ったキャンシール
型のものであるが、このような従来の投光器Ｒと比較し
て本発明の投光器Ｊ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２５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１１は本発明による半導体発光素子３１
を用いた光学式距離センサＫの構成を示す説明図であ
る。この距離センサＫは、本発明による半導体発光素子
３１及びコリメートレンズ３２からなる投光部と、受光
レンズ３３及び位置検出素子３４からなる受光部とから
構成されている。

【００３９】また、図１１は当該距離センサＫによって
対象物３５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３１から出射された光はコリ
メートレンズ３２で平行光化された後、対象物３５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３４上に結像させる。これらの結像位置は、位置検出
素子３４の信号線３６，３７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
ｄが算出される。

【００４０】本発明による半導体発光素子３１は、高出
力で、かつ発光出射方向が制限された微小発光窓を有す
るものであるので、このような距離センサＫに本発明に
よる半導体発光素子３１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。

【００４１】図１２は上記距離センサＫによる段差ｄの
測定結果を示している。これは距離センサＫから１０ｃ
ｍだけ離れた位置に高さが２ｍｍと５ｍｍの凸部及び２
ｍｍ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ｄに応じた特性曲線３８が得られ
ている。なお、特性曲線３８において、イは２ｍｍの凸
部、ロは５ｍｍの凸部、ハは５ｍｍの凹部、ニは２ｍｍ
の凹部に対応する箇所である。

【００４２】図１３は本発明による半導体発光素子４１
と光ファイバ４２とを結合させた結合ユニットＬを示す
概略断面図である。この結合ユニットＬでは、半導体発
光素子４１の錐状開口部７と光ファイバ４２の端面とを
一定の距離を置いて対向させている。このような結合ユ
ニットＬでは、光結合効率は半導体発光素子４１の光出
射方向と発光径に強く依存し、発光出射方向が狭ければ
狭いほど、また発光径が小さければ小さいほど光結合効
率が高くなることが知られている。本発明の半導体発光
素子４１は、微小発光径の素子で、しかも出射光を狭小
化したものであるから、結合ユニットＬにおいて高い光
結合効率を得ることが可能となる。特に、本発明による
半導体発光素子４１は、発光径の微小化に伴う素子の発
熱を抑えることが可能であるから、光ファイバ通信シス
テムにおいては低損失でＳＮ比の高いシステムを構築す
ることが可能になる。

【００４３】図１４は本発明による半導体発光素子５１
を用いた光ファイバ型センサＭを示す概略図である。こ
の光ファイバ型センサＭは、半導体発光素子５１、投光
用光ファイバ５２、受光用光ファイバ５３、受光素子５
４及び処理回路５５より構成されている。半導体発光素
子５１から出射された光は投光用光ファイバ５２内を低
損失で送られ、光ファイバ５２の端面から対象物５６に
向けて出射される。対象物５６で反射された光は受光用
光ファイバ５３内に入射し、受光素子５４で信号受信さ
れる。こうして受光素子５４で検知される受光信号の出
力は、投受光用光ファイバ５２，５３の端面と対象物５
６との距離Ｓによって変化するので、受光出力から対象
物５６までの距離Ｓを知ることができる。しかも、受光
出力は入射光出力に対応して増加するので、本発明の半
導体発光素子５１を用いれば、対象物５６までの距離を
長くとっても十分な受光信号が得られる。

【００４４】図１５（ａ）に示すものは本発明による半
導体発光素子６５を用いた透過型光学式ロータリーエン
コーダＮを示す斜視図である。このロータリーエンコー
ダＮは、回転軸６１に取り付けられた回転板６２、回転
板６２の外周部に対向した固定板６３、回転板６２及び
固定板６３を挟んで対向させられた投光レンズ６４と本
発明による半導体発光素子６５及び受光素子６６から構
成されている。回転板６２の外周部には全周にわたって
１ｍｍの間隔のスリット６７が穿孔されており、固定板
６３にも１ｍｍの間隔でトラックＡスリット６８及びト
ラックＢスリット６９が穿孔されている。

【００４５】しかして、半導体発光素子６５から出射さ
れた光は、投光レンズ６４でコリメートされた後、固定
板６３のスリット６８，６９で分割され、回転板６２の
スリット６７を通り、受光素子６６で検知される。固定
板６３のトラックＡスリット６８とトラックＢスリット
６９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１５（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。

【００４６】このロータリーエンコーダにおいて、例え
ば、従来の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に広がり、しかも光出力が低くな
る。したがって、６００ＤＰＩ（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。

【００４７】これに対し、本発明による半導体発光素子
６５を用いたロータリーエンコーダＮでは、出射ビーム
が狭小化されており、しかもプレート６の錐状開口部７
の開口径を微小化することで半導体発光素子６５の発光
径を１０μｍ以下にできる。このため、同じレンズを用
いてコリメート化しても、回転板６２上のビーム径を固
定板のスリット幅＋約０.５μｍに抑えることができ、
高分解能化が可能になり、６００ＤＰＩ（４０μｍピッ
チ）以上のスケールを読み取ることも可能になる。

【００４８】また、アレイ状の錐状開口部７を持つプレ
ート６を備え、発光部分をアレイ状に配列した本発明の
半導体発光素子６５を用い、各錐状開口部７にコリメー
ト用のレンズを装着すれば、光源部分の小型化を図るこ
とができる。従って、高分解能で、しかも小さなロータ
リーエンコーダＮを実現することができる。

【００４９】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。

【００５０】図１６（ａ）は光学的情報処理装置の例で
あって、本発明による半導体発光素子７１を用いたバー
コードリーダＰを示す斜視図である。このバーコードリ
ーダＰは、半導体発光素子７１、投光側集光レンズ７
２、回転多面鏡７３、回転多面鏡７３を一定方向に一定
速度で回転させるスキャナモータ７４、等速走査レンズ
７５、受光側集光レンズ７６、受光素子７７から構成さ
れている。

【００５１】しかして、半導体発光素子７１から出射さ
れた光は投光側集光レンズ７２を通り、回転多面鏡７３
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７５で等速化された後、バーコード７８上で集光
され、バーコード７８上を走査される。さらに、バーコ
ード７８からの反射光は、受光側集光レンズ７６により
受光素子７７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Ｐにおいては、
等速走査レンズ７５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１６（ｂ）に示す
ようにバーコード７８に応じた信号ＢＳが得られる。

【００５２】このようなバーコードリーダにおいては、
半導体発光素子としては一般に半導体レーザ素子が用い
られているが、半導体レーザ素子の人体への危険性よ
り、発光ダイオードを用いたバーコードリーダが望まれ
ている。しかしながら、発光ダイオードは前述の通り発
光出射方向が広く、投光側集光レンズ７２への光結合効
率が低く、しかも一般的に４００μｍ程度の発光領域を
有するため、その集光性の悪さよりバーコード上でのビ
ーム径は６.７ｍｍ以上に大きくなり、バーコード（一
般的に、最小線幅は０.２ｍｍ）は到底読み取ることが
できない。

【００５３】これに対し、本発明による半導体発光素子
７１では、プレート６にあけた錐状開口部７の開口径を
微小化することにより、微小発光径素子とすることがで
きる。このため、同一条件で集光しても、バーコード７
８上でのビーム径をバーコード７８の最小線幅以下
（０.２ｍｍ弱）まで絞ることができ、バーコード７８
を読み取ることができる。このように本発明の半導体発
光素子を用いれば、温度特性にすぐれ、しかもサージに
も強い発光ダイオードを実現することが可能になる。

【００５４】

【発明の効果】本発明の半導体発光素子によれば、発光
素子チップから出射された出射ビームを反射層によって
光軸と平行に近くなる方向へ反射させることができるの
で、反射層で反射された後外部へ出射されるビームを狭
小化することができ、レンズや光ファイバ等の外付け部
品との光結合効率が高くなる。

【００５５】特に、小さな光出射窓を有する発光素子チ
ップや電流狭窄構造の発光素子チップのような、いわゆ
る点光源型の発光素子チップと当該プレートとを組み合
わせれば、外部へ取り出せる光出力を変えることなくビ
ームの出射方向のみを変えることができるので、指向性
の高いすぐれた光源を得ることができる。

【００５６】また、プレートの底面積が発光素子チップ
の面積よりも大きいと、発光素子チップの側面から出射
されるいわゆる漏れ光を遮断することができ、上部出射
光のノイズ低減に効果がある。

【００５７】さらに、プレートに複数の溝加工を施して
いると、プレートの放熱面積が大きくなるので、プレー
トを通して発光素子チップの放熱を効果的に行なえるよ
うになる。

【００５８】特に、シリコンからなるプレートを用いる
と、プレートの熱伝導率が良好でプレートがヒートシン
クとして働き、また熱膨張率が発光素子チップとほぼ等
しく、温度特性にすぐれた半導体発光素子を製作するこ
とができる。さらに、シリコンのプレートを用いると、
発光素子チップとのプロセスの互換性も得られる。

【００５９】さらに、少なくとも表面に導電性を有する
プレートを用いると、発光素子チップへの電流注入をプ
レートの上部より行なえるので、半導体発光素子の実装
が容易になり、製造コストが低減する。

【００６０】さらに、プレートの開口部に球レンズや半
球状レンズ、フレネルレンズ等の各種レンズを装着する
ことにより、集光光、平行光もしくは拡散光等の用途に
応じた出射ビームを得ることができる。

【００６１】また、本発明の半導体発光素子を光電スイ
ッチやフォトインタラプタ、光測距計等の光学検知装置
の投光器に用いると、出射ビームが細く、かつ発光出力
も大きい光ビームが得られるので、複雑な光学系を用い
ずに検出精度に優れ、しかも安全な光学検知装置を得る
ことができる。同様に、本発明の半導体発光素子をファ
イバ通信用光源に用いると、光ファイバへの光結合効率
が向上するので、伝送距離の長い光通信装置を得ること
ができる。さらに、本発明の半導体発光素子を光学的情
報処理装置に用いると、温度特性に優れた光学的情報処
理装置を作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図２】同上の実施例における光の挙動を示す光線図で
ある。

【図３】本発明の第２の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図４】本発明の第３の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図５】本発明の第４の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図６】本発明の第５の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図７】本発明の第６の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図８】本発明の第７の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図９】本発明の第８の実施例による半導体発光素子の
構造を示す断面模式図である。

【図１０】（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１１】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１２】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１３】本発明の半導体発光素子と光ファイバとの結
合ユニットをしめす断面図である。

【図１４】本発明による半導体発光素子を用いた光ファ
イバ型センサの構成を示す概略図である。

【図１５】（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１６】（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１７】従来の半導体発光素子の構造を示す断面図で
ある。

【図１８】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発光素子チップ２活性層５光出射窓６プレート７錐状開口部８反射層１１溝部１２球レンズ１４半球レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】面方向に光を出射する活性層を有する発
光素子チップと、当該発光素子チップの光出射側の表面
に装荷されたプレートとを備え、前記発光素子チップと対向する側で開口径が小さくなる
よう前記プレートに略テーパー状をした開口部を貫通さ
せ、当該開口部の内周面に反射層を形成したことを特徴
とする半導体発光素子。
【請求項２】前記発光素子チップに形成した光出射窓
に対向して前記開口部が設けられ、前記光出射窓の面積
が前記開口部の開口径が小さな側の開口面積よりも小さ
い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】前記発光素子チップに形成した光出射窓
に対応して前記発光素子チップ内部に電流狭窄構造が形
成されてい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】前記プレートの底面積が前記発光素子チ
ップの面積よりも大きい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】前記プレートの前記開口部を形成された
領域以外の領域に複数の溝加工を施したことを特徴とす
る請求項１，２，３又は４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記プレートが少なくとも表面に導電性
を有することを特徴とする請求項１，２，３，４又は５
に記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記プレートがシリコンにより形成され
ていることを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は
６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記開口部の形状を略円形テーパー状と
し、その開口部の内部もしくは上部に球レンズを装着し
たことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は
７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】前記プレートの開口部の内部もしくは上
部にレンズ固定用の凹部を形成し、半球状レンズやフレ
ネルレンズ等のレンズを当該凹部に装着したことを特徴
とする請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載の半
導体発光素子。
【請求項１０】前記プレートの開口部を透明樹脂材で
封止し、この透明樹脂材にレンズ作用を持たせたことを
特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７に記載
の半導体発光素子。
【請求項１１】請求項１，２，３，４，５，６又は７
に記載の半導体発光素子をリードフレームに装着し、こ
の半導体発光素子を透明樹脂材で所定形状に封止成形
し、この透明樹脂材の表面に平板状レンズを一体成形し
たことを特徴とする投光器。
【請求項１２】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９又は１０に記載の半導体発光素子を備えたことを
特徴とする光学検知装置。
【請求項１３】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９又は１０に記載の半導体発光素子を備えたことを
特徴とする光学的情報処理装置。