JPS6323377A - 発光ダイオ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は発光ダイオード、特に発光ダイオードからの照
射光を所定の光束に規制するための改良された構造を有
する発光ダイオードに関するものである。

Ｃ従来の技術］ 電気−光変換素子として発光ダイオードが周知であり、
各種の表示器あるいは光電センサ等として広範囲に用い
られている。

この種の発光ダイオードには主として表示器に用いられ
る可視光の発光作用を行うダイオードあるいは主として
フォトカブラ、フォトインタラプタその他の光電センサ
として用いられる赤外線ダイオード等が一般的であり、
各種用途に応じて多種類の発光ダイオードが用いられて
いる。

第４図には従来の半導体接合型発光ダイオードの一例が
示されており、極性の異なる２種類の半導体層１０．１
２が積層配買され、両半導体層１０．１２の接合部にお
いて所望の発光作用が行われる。

第４図において第１の半導体層１０はＰ型ＱａＡＳ半導
体からなり、また第２の半導体層１２はＮ型ＧａΔＳ半
導体からなり、共に正方形ｉ９Ｂ形状からなる。

そして、両手榎体層１０．１２の両端面にはそれぞれ電
極用金属膜１４，１６が蒸着その他の手法によって設け
られ、両金属膜１４．１６にはそれぞれ高圧側リードＩ
！ｉ１１８．低圧側リード線２０がそれぞれボンディン
グ接続されている。図において、両全Ｂ膜１４，１６は
それぞれ金蒸着膜からなる。

第４図に示した従来装置によれば、両リード線１８．２
０から注入された正孔及び電子は前記両生導体層１０．
１２の接合部にて再結合し、この時に電子励起エネルギ
による発光現象が生じる。

従来装置においては、金属膜１４側における正孔の注入
を効果的に行うため、前記金属膜は略十字形状に設けら
れており、前述した接合部における発光は第１の半導体
１’Ｎ１０の端面から矢印Ａで示されるごとく上方に向
かって照射される。従って、この照射光を用いて所望の
表示あるいは光電検出を行うことができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、前述した従来装置においては、発光ダイ
オードからの照射光は半導体１ｉＷ１０の端面から外部
に照射するので、この光束が比較的遮散し易く、鋭く絞
られた光ビームが得難いという問題があった。従来にお
いて、このような発光ダイオードからの照射光拡散は照
射光を導く光路に設けられたガイドあるいはコリメータ
レンズによって所望の光径を有する光ビームに絞られる
のみで、発光ダイオード自体に対しては前記光拡散に対
する何らの考慮も払われていなかった。

特に、表示各等に用いられる発光ダイオードはむしろ適
度な光拡散によって表示光の視野を広げることが望まれ
、むしろ光源としての拡散が必要であるという立場から
、照射光の光束規制に関しては従来において問題となっ
ていなかった。

しかしながら、光電センサに関しては、基本的に鋭く絞
られた光ビームが必要であったが、従来においては、発
光ダイオードを固定するベース基板にガイド孔を設けて
発光ダイオードの外部において光束を規制することが考
えられ、またコリメータレンズ等を用いて十分に所望の
絞られた光ビームを得ることができた。

しかしながら、近年において、発光ダイオードが極めて
高開度の光電センサとして用いられるようになると、発
光ダイオードの外部における光ビーム集束作用では所望
の分解能が得られないという問題が生じてきた。また、
このように十分に高い分解能を得るためには発光ダイオ
ードの外部接続１器である例えばコリメータレンズ等を
十分に大きな焦点距離をもったレンズとして構成しなけ
ればならず、光電センサ自体が大型化するという問題が
生じていた。

第５図にはこのような精密型光電センサの一例として光
電型リニアエンコーダが示されている。

図において、リニアエンコーダは計測用格子２２と参照
用格子２４とを含み、両路子２２．２４は所定の格子ビ
ッヂで光透過部と光遮蔽部とが整列配置された構成を有
覆る。

従って、両路子２２．２／ｌのいずれか一方を測定長に
応じて移動させれば、両路子の相対移動量にて良さ測定
を行うことが可能となる。

そして、前記格子の相対移Ｆｊ＋量を電気的に検出する
ために、両路子対２２．２４の一方側には前述した発光
ダイオード１００が設【プられ、その照射光がコリメー
タレンズ２６によって光ビームに集束され、両路子２２
．２４を透過する。

一方、両路子２２．２４の反対側にはフォトトランジス
タ等の受光素子２６が設けられ、前記透過光の明暗の変
化を電気的に検出してプリアンプ２８を介して外部に電
気的な信号として外部処理回路に供給することができる
。

第６図には前記プリアンプ２８の出力信号波形が示され
、両路子対２２．２４の相対変位に対して図示の如く略
正弦波形状の電気的な出力信号を得ることができ、詳細
には図示していないが外部の処理回路はこの正弦波信号
をカウントすることによって前記格子ピッチ及び処理回
路にお１つる分割数で定まる粘度の計測を行うことが可
能となる。

第６図の波形は出力信号が直流分ＤＣ及び交流会ＡＣを
含むことを意味し、このようなリニアエンコーダにおい
ては、両信号成分の比率が所定値、通常の場合「１０」
以上であることが望まれ、ずなわちＡＣ／ＤＣ＞　１．
０以上の交流成分比率がなければ良好な計測作用を得ら
れないことが知られている。

そして、このような比率は両格子対２２．２４間の格子
間隔Ｇに依存することが知られており、第７図の特性２
００は前記格子間隔Ｇに対するＡＣ／ＤＣ比率を示して
おり、図から明らかなごとく、従来においては、格子間
隔Ｇを極めて狭くする必要があることが理解され、例え
ば格子ピッチ１０μＴｒＬ／１０μｍ程度に設定した場
合、両格子間隔Ｇも１０μｍ以下にする必要があり、こ
のことは両格子２２．２４を極めて精密に保持及びスラ
イド可能に支持しなければならず、その部品加工及び組
立てに多大の努力を必要としていた。そして、本発明者
はこのような格子間隔Ｇは両格子２２゜２４に照射され
る光ビームの光径に関係することを確認し、十分に鋭く
絞られた小光径の光ビームであれば、前記格子間隔Ｇを
更に余裕をもって設定できるとの結論に達した。

また、光ビームを絞るためには周知のごとくコリメータ
レンズ２６の焦点距ｍＦが関係しており、第８図に示さ
れるごとく、発光ダイオード１００の照射光はコリメー
タレンズ２６にて矢印で示されるごとく集束されるが、
この時光ビームの拡散角θは θ＝Ｄ／Ｆ で示され、拡散角θを小さくして十分に長い平行光線を
得るためには発光ダイオード１００の照射面径りを小さ
くするか焦点距ｆｌＦを大きくする必要があることが理
解される。

しかしながら、前述したごとく、従来における発光ダイ
オード１００の照（ト）面径は発光ダイオード１００を
形成する半導体層の外形から定まり、この結果、従来に
おいては焦点距１１１１Ｆを十分に長くする必要があり
、この桔采、格子対２２．２４への照（ト）部が大型化
するという問題があった。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、そ
の目的は発光ダイオード自体において照射光を規制して
拡散の少ない鋭く絞り易い照射光を得ることのできる改
良された発光ダイオードを提供することにある。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、光ビームを出射
する側の電極用金属膜をその中央部に開口を設けた形状
とし、この開口にて発光ダイオードから出射する光ビー
ムの光束径を規制したことを特徴とする。

［実施例コ 以下図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には本発明に係る発光ダイオードの好適な実施例
が示され、この発光ダイオードは前述した第４図と同様
に正方形薄型形状を有する。

本発明に係る発光ダイオードは異なる極性の半導体層３
０．３２を積層配置して両当局に発光用の接合面を形成
している。

実施例において、両生導体層３０．３２は極性の異なる
半導体から形成され、実施例にＪ３いて、第１の半導体
Ｕ　３０　＋、ｔ　Ｐ型ＧａＡｓ、そして第２の半導体
層３２はＮ型ＧａＡＳからなり、主として近赤外光を発
光するが、もちろん本発明において、これらの半導体と
しては前記ＧａＡｓ以外にＧａＰあるいは（ＯａＡ　ｌ
　）ＡＳ等を用いることも可能であり、必要に応じて可
視光の発光を可能とづ°る。

また、本発明において、両生導体層３０．３２はその極
性すなわらＰ型及びＮ型を逆転して配置することも可能
である。

前記両生導体層３０．３２の端面には電極用金属膜３４
及び３６が設けられており、実施例によれば、これらＴ
ｉ極川用属膜３４，３６は金の蒸着によって形成されて
いるが、必要に応じて他のスパッタリングその他任意の
手法によってこれら電極用金属膜３４．３６を半導体層
３０．３２の端面に形成可能である。

前記両型（ル用金属膜３／１．３６にはそれぞれ高圧側
リード線３８及び低圧側リード線がボンディング接続さ
れており、両電極を介して各半導体層３０．３２に正孔
及び電子の注入が行われる。

従って、このように注入された正孔及び電子は両半導体
層３０．３２の接合面において再結合し、この時電子励
起エネルギによって所定の周波数の発光が行われ、実施
例においては近赤外光が発光する。

本発明において特徴的なことは前記一方側の電極用金属
膜３４すなわち前記発光が外部に照射する側の金属膜３
４が発光ダイオードから外部へ照射する光ビームの光束
を規制していることであり、このｌζめに、電極用金属
膜３４はその中央部に所定形状の間口３４ａを有する。

従って、前記接合面からの発光は電極用金属膜３４の開
口３４ａから外部に照射し、この光ビームの光束形状は
前記開口３４ａによって定められることとなる。

もちろん、実施例において反対側の電極用金属膜３６は
第２の半導体層３２の端面全部を覆い、また両手導体ｆ
ｆ３０．３２の側面はその厚みが薄く、また接合面とは
直交しているので発光がこれらの面から外部に漏洩する
量は僅かであり、接合面での発光は効果的に電極用金属
膜３４側の開口３４ａから外部に照（ト）することがで
きる。もちろん、前記側面を黒色塗料等で遮光すること
も好適である。

本発明にａ３いて、前記開口３４ａは任意の形状とする
ことができ、発光ダイオードが用いられる使途その他に
より丸、角、スリットその他任意の形状とすることがで
きる。

第１図に示した発光ダイオードは光電型リニアエンコー
ダ用に形成され、このために、光ビームはその断面が細
長いスリット状であることが好適であり、前記間口３４
ａも半導体層の端面に対角線方向に沿って細長く形成さ
れている。

実施例において発光ダイオードを形成する半導体層の外
形は約４００Ｘ　４００μｍの平面寸法を有し、この端
面に、実施例における開口３４ａはそのスリット幅Ｗが
５０μｍそしてスリット長りが３００μ面に形成されて
いる。

第２図には前述した本発明に係る発光ダイオードを光電
型リニアエンコーダに用いた状態が示されており、前述
した第５図の従来装置と類似したエンコーダ構造を有す
る。すなわち、被測定物の長さに応じて相対移動する計
測用格子２２と参照用格子２４とで格子対を形成し、両
格子２２．２４に形成された光学スリットを光ビームが
通過する時にこの光ビームの明暗変化を電気的に検出し
て所定の相対移動ｍを測定する。

前記光ビームは本発明に係る発光ダイオード１００及び
これを集束するコリメータレンズ２６から形成され、一
方、受光器はフォトトランジスタ等の受光素子２６から
なり、この検出された電気信号がプリアンプ２８から外
部の処理回路に供給される。

第２図から明らかなごとく、本発明に係る発光ダイオー
ド１００の間口３２ａはスリブ１〜形状を有し、そのス
リットは両格子２２．２／Ｉの光学格子と整列されて配
列されている。

従って、エンコーダの分解能に影響するスケール移動方
向Ｘ方向には短いスリット幅が対応しており、この結果
、前述した第８図の拡散角θから明らかなごとくスケー
ル移動方向Ｘに沿った光ビーム径りは本発明において著
しく小さく規制されており、１−なりち、実施例におい
ては、前記間口３２ａのスリット幅が約５０μｍである
ことから、従来に比して１／８に制限され、この結果、
拡散角０を著しく小さくし、あるいはコリメータレンズ
２６の焦点距１１Ｆを短くすることが可能となる。

従って、第２図に示すごとく本発明を用いればリニアエ
ンコーダの発光器の形状を著しく小形化實ることが可能
となる。

第２図において、スリット長手方向Ｙに対しては実施例
の開口３２ａは十分に艮い艮ざを有し、リニアエンコー
ダの場合、Ｙ方向に関しては何ら分解能に影響すること
がなく、むしろ十分な光量を確保するためにスリット長
手方向Ｙに対しては十分に大ぎな間口を右することが必
要であり、第１．２図に示した実施例はこのような光量
を十分に確保しながらスケール移動方向Ｘに対しては鋭
く絞られた光ビームを与えるために極めて有益である。

第３図には本発明に係る発光ダイオードの他の実施例が
示されてＪ３す、第１の半導体層１３０及び第２の半導
体層１３２はそれぞれＰ型そしてＮ型の半導体層からな
るが、その外形状は図示のごとく矩形からなり、その外
形寸法は約２００Ｘ　８００μ沼に形成され、その長手
方向に沿って前記第１実施例と同様に一方側の電極用金
属膜１３４の間口１３４ａが形成されている。

従って、このような矩形基板によれば、ＩＩｌ艮いスリ
ット状の光ビームを照射する発光ダイオードとして極め
て有益である。

以上のようにして、発光器からの光ビームを本発明によ
って十分に絞り込むことにより、例えば第２図に示した
光電型リニアエンコーダ等においては、両路子２２．２
４間のギャップＧを比較的大きく設定できる利点が生じ
る。

前述した第７図において、前記格子ピッチＧに対する出
力信号波形の比率ＡＣ／ＤＣが示されているが、本実施
例における特性は２０２で示され、格子間隔Ｇを５０μ
ｍ程度に広げても十分に実用可能な出力信号を１ｑられ
ることが明らかである。

以上のように、本発明によれば、従来光ビームの光束径
あるいは形状は発光ダイオード内においては何ら考慮さ
れておらず、その外部に設けた遮光板あるいはガイドに
よって光ビームが規制されていたのに対し、本発明によ
れば発光ダイオードから照射する光ビーム自体を規制す
ることによって装置の小形化及び発光効率の改善を得る
ことが可能であり、更に、本発明によれば、このような
光ビームの規制は一方の光ビーム照射側にある電極用金
属膜の開口を用いたので、製造工程その伯を何ら増加さ
せることなく極めて簡単に良好な光ビームを１ｑる発光
ダイオードが得られる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、発光ダイオード
の電極用金属膜を用いて光ビームを規制することができ
、各種の用途に最適な発光ダイオードを容易に得るとい
う利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る発光ダイオードの好適な実施例を
示す斜視図、 第２図は第１図の発光ダイオードを光電型リニアエンコ
ーダに用いた状態を示す説明図、第３図は本発明に係る
発光ダイオードの他の実施例を示す斜視図、 第４図は従来における発光ダイオードの一例を示す斜視
図、 第５図は第４図の従来装置における発光ダイオードを用
いた光電型リニアエンコーダの概略斜８１図、 第６図は第５図のリニアエンコーダにおける出力信号波
形図、 第７図は光電型リニアエンコーダにおける格子ピッチと
出力信号の交直信号比率の特性図、第８図は発光ダイオ
ードの光ビームを集束づるコリメータレンズの光特性図
である。 ３０．３２，１３０．１３２　　・・・　半導体層３４
　・・・　電極用金属膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なる極性の半導体層を積層配置し両半導体層の
   端面にそれぞれ電極用金属膜が形成され、電極から供給
   された注入電流によつて両半導体層の接合部にて発光作
   用を行う発光ダイオードにおいて、一方の電極用金属膜
   はその中央部に所定形状の開口を有し、接合部の発光は
   前記電極用金属膜の開口によつてその照射光が制限され
   ていることを特徴とする発光ダイオード。