JPH08255933A

JPH08255933A - レンズ一体型半導体発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08255933A
Application number: JP8208795A
Authority: JP
Inventors: Masashi Yanagase; 雅司柳ヶ瀬; Hiroshi Imamoto; 浩史今本; Aritame Tada; 有為多田; Toshiyuki Takahashi; 敏幸高橋
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】レンズアレイ基板とウエハの接合時に生じる
熱応力の影響を受けることなく簡単な製造プロセスによ
りレンズの製造を可能としたレンズ一体型半導体発光素
子を提供すること【構成】半導体基板１１の上に所定層１２〜１５を積
層形成し、発光素子を形成する。半導体基板の表面に対
してフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を４
回繰り返すことにより、図（Ｂ）に示すような１６段の
階段で近似した略球面状のレンズ１８を形成する。そし
てレンズを形成した半導体基板の表面には、発光領域１
７より広い領域を開口した裏面電極１９を形成し、キャ
ップ層１５の表面にはその全面に表面電極２０を形成す
る。このように、レンズが半導体プロセスにより簡単に
製造され、しかも、すでに接合された基板に対してレン
ズ形成を行うので、接合による熱応力の問題も生じな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光機能とレンズ機能を
合わせ持ったレンズ一体型半導体発光素子、及び当該発
光素子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の発光機能とレンズ機能とを組み合
わせたデバイスは、個々に分離・形成された発光素子を
樹脂モールド等してパッケージした後に、その発光面の
所定位置にレンズを接合したものがある。

【０００３】しかし、係る構成の発光素子では、１個の
エレメントと１個のレンズを組み合わせて接合するた
め、手間がかかりコスト高につながる。また、光軸ずれ
を小さくするには、光軸ずれを補正する工程が必要であ
り、さらには、発光部とレンズ間の距離が大きくなるの
で、ＮＡ（開口数）を大きくするには大きなレンズが必
要となる等の種々の問題があった。

【０００４】そこで係る問題を解決するものとして、発
光素子とマイクロレンズとを一体化した素子が開発され
た。係るレンズ一体型半導体発光素子は、以下のような
プロセスにしたがって製造されるものが一般的である。
すなわち、まずＧａＡｓやＧａＰなどの半導体ウエハに
対して、エピタキシャル成長や不純物拡散などの工程に
よりｐｎ接合を形成し、電極となる金属を蒸着後、フォ
トリソグラフィ工程とエッチング工程によって表面に所
定の形状からなる電極を形成し、発光素子が集積した状
態のウエハを作製する。

【０００５】一方これと別工程で、発光素子と同一ピッ
チでレンズが集積されたマイクロレンズアレイ基板を製
造する。このマイクロレンズアレイ基板としては、半導
体基板、ガラス基板あるいは透明樹脂基板などを精密加
工したり、精密加工された金型を用いて樹脂成形したり
することにより製造される。そして、このように別々に
製造されたウエハとレンズアレイ基板とを、ウエハ上の
発光部とレンズアレイ基板上のレンズとの光軸が一致す
るように位置合わせし、両者を接合する。その後、所定
位置でダイシングすることにより、１個ごとの素子に分
離し、レンズ一体型の半導体発光素子が完成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法で、レンズ
一体型の半導体発光素子を製造した場合には、新たに以
下のような問題が生じていた。すなわち、マイクロレン
ズアレイ基板の製作が非常に煩雑で、コスト高を招く要
因となる。すなわち、ガラス基板を用いた場合には、当
該ガラス基板に対して研磨などの高精度な精密加工を行
う必要があるからである。また、樹脂で製造する場合に
は、金型内に樹脂を充填すれば良いので、各製造時には
比較的簡単にレンズアレイ基板を製造できるが、製造さ
れるレンズの寸法精度は金型の形状に依存するため、係
る金型を製造する際に高精度な精密加工が必要となるか
らである。

【０００７】また、上記のように精密加工を施すことに
より、手間は掛かるもののレンズアレイ基板上に形成す
るレンズの配置ピッチ並びに各レンズの形状を正確に形
成することができるが、そのようにして製造されたレン
ズと発光部を一致させるウエハとレンズアレイ基板との
位置合わせが難しい。さらに、レンズアレイ基板とウエ
ハを接合する際に生じる熱により、レンズアレイ基板等
に応力が加わり、その応力により面内に大きな接合ずれ
が発生し、これにより部分的に光軸ずれを生じてしま
う。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、簡単な製造プロセス
によりレンズアレイの製造を可能とし、さらには、発光
部とレンズの位置合わせを確実に行えるとともに、レン
ズアレイ基板とウエハの接合時に生じる熱応力の影響を
受けることなくレンズが形成されるレンズ一体型半導体
発光素子及びその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係るレンズ一体型半導体発光素子で
は、表面出射型の半導体発光素子の光出射部にレンズを
実装したレンズ一体型半導体発光素子において、前記レ
ンズが、微視的には階段形状に形成されるとともに巨視
的にはレンズ機能を発揮する所定の曲面を構成するよう
にした。

【００１０】そして、前記レンズの機能を果たす具体的
な階段形状としては、例えば巨視的にはフレネルレンズ
面を構成し、フレネルレンズ内での段差は、中央のフレ
ネルレンズ環の中心部において最も小さく、中央のフレ
ネルレンズ環の周辺部と周辺のフレネルレンズ環内にお
いて前記中心部における段差の２ⁿ倍（ｎは自然数）の
高さであり、その高さはレンズ中心部より周辺部の方が
大きくすることができる。また別の形状としては、巨視
的には略球面を構成し、かつ、前記階段形状の段差が
等しく、かつ階段形状を構成する各段部の幅が中央部を
広く周辺部を狭くしたり、或いはレンズ内での段差
は、レンズ中央部において最も小さく、レンズ周辺部に
おいて前記中央部における段差の２ⁿ倍（ｎは自然数）
の高さであり、その高さはレンズ中央部より周辺部の方
を大きくしても良い。そして、との条件は、いずれ
か一方を採用しても良く、或いは両者を同時に満たすよ
うにしても良い。

【００１１】また上記各構成の発光素子は、電流狭搾構
造によって発光領域が限定するように構成するのが好ま
しく、さらに光出射側に形成される電極は、限定された
前記発光領域よりも大きな開口部を持ち、かつ、前記開
口部から中心に向けてのびる帯状の補助電極を形成する
となお良い。

【００１２】一方、前記レンズ機能を果たす階段形状の
形成箇所（基板）としては、光出射側の半導体基板を加
工して形成したり、半導体発光素子の表面に接合された
ガラス基板の表面を加工して形成したり、さらには半導
体発光素子の出射側表面に塗布された樹脂を加工して形
成することができる。

【００１３】また、本発明に係る製造方法では、半導体
基板上に所定層を積層形成して半導体発光素子を製造
し、その半導体発光素子を構成する半導体基板或いはそ
の半導体発光素子に取り付けた基板（基板を接合したり
樹脂を塗布して形成する場合などがある）に対し、フォ
トリソグラフィ工程を繰り返し行うことにより前記レン
ズ機能を構成する前記階段形状に形成しレンズを製造す
るようにした。そして係る方法は、基板が所定の樹脂を
塗布することにより構成される場合において、係る樹脂
がフォトリソグラフィ工程によって除去されるような場
合に適用できる。

【００１４】また、フォトリソグラフィ工程だけでは基
板，半導体基板の所定部分が除去されない場合には（多
くの場合がこれに該当する）、フォトリソグラフィ工程
とエッチング工程を所定回数繰り返すことにより前記レ
ンズ機能を構成する前記階段形状に形成しレンズを製造
するようにした。

【００１５】

【作用】半導体プロセスでは一般的なフォトリソグラフ
ィ工程と必要に応じてエッチング工程を繰り返すことに
よって、半導体発光素子の光出射部にレンズを形成す
る。すなわち、あらかじめ別途形成したマイクロレンズ
アレイ基板を準備する必要がなくなる。しかも半導体プ
ロセスによってレンズ部分が簡単に製造できるのでコス
ト安につながる。また、半導体プロセスでレンズ部分を
製造できるので、発光軸とレンズ軸とのずれはマスク合
わせ精度にまで小さくなる。もちろん、発光部とレンズ
との間隔が狭いので、小さいレンズで大きなＮＡを得る
ことができ、光取り出し効率も向上する。

【００１６】また、レンズを形成する基板として、発光
素子を構成するための各層を形成する元となる半導体基
板を用いた場合には（請求項７）、別途レンズ用の基板
を取り付ける必要がなく、素子全体が薄型化される。そ
して、もともと存在する半導体基板を利用するため、従
来のようにレンズアレイ基板の接合により発生する熱応
力が本発明では発生しない。

【００１７】また、半導体発光素子を製造後、レンズ用
の基板を取り付ける場合（請求項８，９）であっても、
レンズ形成工程は係る基板の取り付け工程の後に行う。
よってやはりレンズアレイを形成したガラス基板を接合
する際に従来問題となった、熱応力による面内ずれは発
生しない。

【００１８】上記半導体発光素子のレンズは、微視的に
は階段状の形状をしているが、その段数は多ければ多い
ほど、巨視的に見た場合の形状のレンズとなんら変わり
なく機能できる。そしてフォトリソ−エッチング工程を
ｎ回繰り返した場合に形成できる最大の段数は２ⁿ段で
あるので、２ⁿ段のレンズ形状であれば、より少ないｎ
でレンズとして十分な機能が期待できる。さらに、各段
の段差は等しい方が、より効果が高い（請求項２〜
４）。

【００１９】一方、ｎは大きいほどレンズとしての機能
が高くなるが、現実には、フォトリソグラフィ工程でパ
ターニングできる幅には限界があるので、レンズ設計
上、ｎの上限は制限される。一般に、レンズを同一段差
の階段状の形状で近似しようとした場合、レンズ周辺部
ほど幅が狭くなるが、レンズ周辺部の幅がパターニング
限界となる値でｎを決めても、レンズ中央部の各段の幅
がパターニング限界の２倍以上あれば、（ｎ＋１）回目
のフォトリソ−エッチング工程をレンズ中央部にのみ施
すことは可能となる。よって、（ｎ＋１）回目の工程を
行うことによりさらにレンズとしての機能が高まる（請
求項２〜４）。この場合、ｎ回施したところの各段の段
差は等しく、また（ｎ＋１）回のところの段差の倍であ
る方が、より効果が高い。さらに、（ｎ＋１）回目を施
した後でも、レンズ中央部の各段の幅がパターニング限
界の２倍以上であれば、（ｎ＋２）回目を施す方が、さ
らにレンズとしての機能が高まる。

【００２０】請求項５，６のように構成すると、発光領
域が小さく制限されるので、レンズの集光性がよくな
る。また、本発明の場合、光出射側に形成する電極は、
発光領域に比べ十分大ききな開口部が形成される。従っ
て、そのままでは、電極間の距離が長くなり、抵抗値の
増加にともない順電圧が増加し発光効率が低下する。し
かし、請求項６のように補助電極を形成することによ
り、電極間距離が短くなり発光領域に集中して電流を流
すことができ、発光効率が向上する。また、帯状に形成
することにより、レンズ部分の遮蔽面積を少なくし、光
の出射をできだけ疎外しないようにしている。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係るレンズ一体型半導体発光
素子及びその製造方法の好適な実施例を添付図面を参照
にして詳述する。図１，図２は、本発明に係るレンズ一
体型半導体発光素子の第１実施例を示している。同図に
示すようにｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１上にｎ
−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる下クラッド層１２、Ｉ
ｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／ＧａＡｓからなるＤＱＷ層１３、
ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる上クラッド層１４、
ｐ⁺−ＧａＡｓからなるキャップ層１５を、その順で積
層形成している。そして、上クラッド層１４内の所定位
置には、高抵抗層１６を形成している。この高抵抗層１
６は、中央部分が未形成となり開口１６ａされたパター
ン形状からなり、これにより電流狭搾構造が構成され
る。これにより、発光素子が形成される。また、電流狭
搾構造により電流が絞り込まれるので、ＤＱＷ層１３内
の所定位置、すなわち、上記開口１６ａに対向する位置
に発光領域１７が形成される。なお、上記各構成は、従
来の発光素子側の構成と同様であるので、その詳細な説
明を省略する。

【００２２】ここで本発明では、半導体基板１１の表面
所定位置（上記開口１６ａ並びに発光領域１７を結ぶ線
上）にレンズ１８を形成している。すなわち、ＤＱＷ層
１３での発光波長に対して半導体基板１１は透明である
ので、基板裏面をそのままレンズ面として使用すること
ができる。そして、本例では、図１（Ｂ）に拡大して示
すように、階段状に形成し、その包絡線が略球面状にな
るようにしている。すなわち、巨視的にみた場合に略球
面に構成している。

【００２３】なお、この球面の曲率半径は、発光領域１
７とレンズ１８間の距離が、焦点距離になるような所定
の値に設定する。さらに形成される階段形状は、その段
差αが等しく、その段数は２^ｎ（本例ではｎ＝４で１６
段）になるように設定している。さらに、階段を構成す
る各段部１８ａの幅は、本例では中央部分を広くしてい
る。これにより、所定の曲率半径の球面が形成される。
なお、この段数を２^ｎにするのは、後述する製造プロセ
スからの要請で、少ない工程数（ｎ回）で効率良く各段
部１８ａを形成するためのもので、必ずしも係る段数に
する必要がないのはもちろんである。

【００２４】さらに、レンズ１８を形成した半導体基板
１１の表面には、発光領域１７より広い領域を開口した
裏面電極１９を形成し（図２参照）、また、キャップ層
１５の表面にはその全面に表面電極２０を形成してい
る。これにより、両電極１９，２０間に所定の電圧を印
加すると、表面電極２０から裏面電極１９に向けて電流
が流れ、その時高抵抗層１６により形成された電流狭搾
構造により、開口１６ａ部分を集中して電流が流れるの
で、その開口１６ａの直下にある発光領域１７内を電流
が通過し、発光領域１７が発光し、図１中破線で示すよ
うに、光が進みレンズ１８にて平行光束にされた後、外
部に出射される。

【００２５】次に、上記した構成のレンズ一体型半導体
発光素子の製造方法の一実施例を説明する。まず、ｎ−
ＧａＡｓからなる半導体基板１１上にｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ａｓをエピタキシャル成長等により成膜してる下ク
ラッド層１２を形成し、その表面全面にＩｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ａｓ／ＧａＡｓを成膜してＤＱＷ層１３を形成し、
さらにその表面全面にｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓを成膜
して上クラッド層１４を形成し、さらにその表面全面に
ｐ⁺−ＧａＡｓを成膜してキャップ層１５を形成する。
そして、次に電流狭搾構造とするために、キャップ層１
５側から水素イオンを注入することによって、上クラッ
ド層１４内に高抵抗層１６を形成する。なお、図示省略
するが、図１に示すものは１つの素子部分を示したもの
で、実際には、係る素子部分に対応する構造のものを１
つの大きな半導体基板１１上に多数形成する。

【００２６】次に、加工面を反対にし、半導体基板１１
の露出面（下クラッド層１２形成面と反対側の面）を研
磨・ポリッシングして、所定の厚さに形成する。そし
て、その露出面に対し、図３〜図６に示す４枚のマスク
を用い、その図番に示す順にマスクを使用して、フォト
リソグラフィ工程およびエッチング工程を４回繰り返す
ことにより、図１（Ｂ）に示すような１６段の階段で近
似した略球面状のレンズ１８を形成する（より詳細なレ
ンズ１８部分の製造プロセスは後述する）。最後に、蒸
着などにより所定の金属膜を、所定のパターンニングを
行い、半導体基板１１並びにキャップ層１５の露出面に
所定形状の電極１９，２０を形成する。そして、基板
（ウエハ）の所定部位をダイシングすることにより、１
個ずつのレンズ一体型半導体発光素子が製造される。

【００２７】上記したレンズ１８の製造プロセスについ
て詳述すると、以下のようになっている。はじめに図３
に示す第１マスクＭ１を用いて、基板裏面上にレジスト
をパターンニングし、第１マスクＭ１の黒い部分にレジ
ストが残るようにする。この第１マスクＭ１のマスキン
グしない領域（透光部分）ａは、図７に示すように、１
６段の階段形状を構成する各段部のうち、最外方から８
個分に相当する幅を有したリング状となっている。そし
て、等方性エッチャントあるいは等方性ドライエッチン
グ法を用いて厚さ８αだけエッチングし、その後レジス
トを除去する。これにより図８（Ａ）に示すような凹部
１１ａが形成される。

【００２８】次に図４に示す第２マスクＭ２を用いて、
同様に厚さ４αだけエッチングする。すなわち、この第
２マスクＭ２には、２つのマスキングしない領域ｂ１，
ｂ２を有し、内側の領域ｂ１は、１６段の階段を構成す
る各段部のうち、最外方から９番目〜１２番目に相当す
る幅からなり、また、外側の領域ｂ２は１６段の階段を
構成する各段部のうち最外方から４個分に相当する幅か
らなる。したがって、この第２マスクＭ２に基づくエッ
チング処理により、図８（Ｂ）に示すように、前工程で
形成した凹部１１ａの底面の外側半分と、凹部１１ａに
隣接する内側に段部４個分に相当する領域にそれぞれ凹
部１１ｂが形成される。

【００２９】さらに同様に、第３マスクＭ３を用いて、
厚さ２αだけエッチングする。この第３マスクＭ３に
は、１６段の階段を構成する各段部のうち、最外方から
順に２個分ずつおいて、２個分の幅からなるマスキング
しない領域ｃ１〜ｃ４が形成されているため、結局図８
（Ｃ）に示すように、所定部分に深さα２の凹部１１ｃ
が形成される。そして、図６に示す第４マスクＭ４（１
６段の階段を構成する各段部のうち、最外方から順に１
個分おきにマスキングしない領域ｄ１〜ｄ８が形成され
ている）に基づいて、厚さαだけエッチングすることに
より、所定部位がα分だけ除去される。これにより、図
７（Ａ）に示す平面図及び同図（Ｂ）に示す断面図で規
定される構成からなるレンズ１８が形成される。このよ
うに本例では、１６段の段部からなるレンズを４回のフ
ォトリソグラフィ工程並びにそれに基づくエッチングに
より形成できる。

【００３０】本実施例では、レンズを階段状にして、疑
似的に球面状に形成したので、フォトリソグラフィ工程
やエッチングといった、半導体プロセスを用いてレンズ
を形成できるので、簡単な処理でもって高精度の寸法出
しを行うことができる。しかも、発光素子を製造するた
めの半導体基板１１にレンズを直接形成したため、従来
用いていたレンズ用の基板を別途用いる必要がなく、部
品点数の削減にともなうコスト安はもちろんのこと、素
子の薄型化を図ることができる。さらに、レンズを別途
形成後に発光素子と接合するのではなく、発光素子に一
体的に形成された基板の一部に後工程でレンズを形成す
るようにしたため、接合時の熱応力の問題も発生しな
い。また、位置合わせも高精度にできる。

【００３１】なお、本実施例に示す形状のレンズを製造
するには、パターンニング，エッチングするマスクに対
応したエッチング深ささえ変更しなければ、プロセスす
るマスクの順番は特に問わない。ただ、プロセスの安定
度から考えると、上述のようにエッチング深さが深いも
のから順にプロセスすることが望ましい。また、マスク
パターンのピッチおよびエッチング深さを変更すること
により、レンズの曲率半径などの形状を変更できるの
で、所望の集光特性を持つレンズの設計が可能となる。

【００３２】図９は、本発明の第２実施例を示してい
る。本実施例では、基本的な構成は上記した第１実施例
と同様にし、裏面電極１９′の形状を異ならせた。すな
わち第１実施例の半導体発光素子においては、裏面電極
（光出射側）１９の形状は、レンズ１８の周囲に形成し
たため、当該レンズ１８部分には裏面電極１９を形成せ
ず、電流狭搾領域（開口１６ａ）より広い領域を開口し
た形状となっている。この場合、出射光のビーム形状は
光軸まわりに均一な形状となるが、電流狭搾部への電流
注入がレンズ周囲の部分からに制限されるため、順電圧
が上昇し、それだけ発光効率は低下する。

【００３３】そこで本実施例では、図９に示すように電
流狭搾部へ直接電流を注入できるように、開口した領域
内に帯状の補助電極２１を橋渡しすることによって、順
電圧の低下を図った。すなわち、その帯状の補助電極２
１は、その先端２１ａが発光領域１７に重なるように位
置される。これにより、この補助電極２１に電流が集中
するため、抵抗が小さくなり順電圧が低下する。但し、
この補助電極２１は、光の出射面となるレンズ１８の一
部を覆うため、ビーム形状は一部不均一となるので、で
きるだけ細くするのが好ましい。なお、発光効率は、ビ
ーム形状が不均一となるが、上記のように順電圧が低下
するので、結果として上昇する。なお、その他の構成並
びに作用効果は、上記した第１実施例と同様であるの
で、図示及びその詳細な説明を省略する。

【００３４】図１０は、本発明の第３実施例を示してい
る。本実施例では上記した各実施例と相違して、発光素
子を形成する電極の上にレンズ用の基板を別途積層形成
した点で異なり、さらに、レンズの形状もフレネルレン
ズにした点で異なる。すなわち、ｎ−ＧａＡｓからなる
半導体基板３１上に、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉ
ｎ_0.5Ｐからなる下クラッド層３２、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ
_0.5Ｐからなる活性層３３、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）
_0.5Ｉｎ_0.5ｐからなる上クラッド層３４、ｐ−Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなる電流拡散層３５、及びｐ⁺−
ＧａＡｓからなるキャップ層３６を順次成長させて形成
する。さらに、電流拡散層内に逆伝導型層３７を形成す
る。そして、表面には発光領域３８より広い領域を開口
した表面電極３９が形成され、裏面には全面を覆うよう
に構成された裏面電極４０が設けられる。そして、両電
極３９，４０間に電圧を印加することにより、図中実線
の矢印で示すように電流が流れ、発光領域３８からは、
図中破線で示すように光が出射される。

【００３５】ここで本実施例では、上記表面電極３９の
表面にガラス基板４１を接合する。そしてこの接合した
ガラス基板４１の表面に、第１実施例と同様にフォトリ
ソグラフィ工程およびエッチングにより、所定形状のフ
レネルレンズ４２を形成している。そして、このフレネ
ルレンズ４２も、同図（Ｂ）に示すように、所定段数か
らなる階段状に形成されている。また、ガラス基板４１
は、半導体基板３１（表面電極３９）よりも小さな形状
とし、接合時に表面電極３９の一部が露出し、電圧供給
可能としている。

【００３６】次に、上記実施例の製造方法について説明
する。まず半導体基板３１の上に各層を順次成膜し、キ
ャップ層３８まで形成する。そして、電流狭搾構造とす
るために、キャップ層側からｎ型不純物イオンを注入す
ることによって、電流拡散層３５内に逆伝導型層３７を
形成する。さらに、その後に所定形状の表面電極３９及
び裏面電極４０を形成する。

【００３７】次いで、表面電極３９の表面にガラス基板
４１を接合する。この時、ガラス基板４１は平板状（レ
ンズ未形成）のものを用いる。したがって、レンズが形
成されていないので、従来のように接合時に生じる熱応
力によってレンズと発光領域との光軸が擦れることはな
い。そして、接合後にガラス基板４１の非接合面上にフ
ォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を３回繰り
返して、最大８段の階段で近似したフレネルレンズ４２
を形成する。そして、接合後にレンズを形成したため、
製造されたフレネルレンズ４２は、熱応力の影響を受け
ることはなく、また、発光領域に対する位置合わせも、
半導体プロセスにより行うので、簡単にしかも正確に行
うことができる。

【００３８】次に、レンズ形成プロセスについて詳述す
る。レンズ形成時に使用したマスクパターンとしては、
図１２〜図１４に示す３枚のマスクを用いる。そして、
まず図１２に示す第５マスクＭ５を用いて、第１実施例
と同様にレジスト塗布，露光現像してパターンニングし
た後、厚さ４αだけ除去するようにエッチングを行う。
次に、図１３に示す第６マスクＭ６に基づいて厚さ２α
だけエッチングを行い、さらに図１４に示す第７マスク
Ｍ７に基づいて厚さαだけエッチングを行う。これによ
り、ガラス基板４１の表面所定部位が、所定深さだけ除
去されて、図１５に示すような平面（同図（Ａ））及び
断面（同図（Ｂ））形状からなるレンズが形成される。

【００３９】そして、本実施例では、第７マスクＭ７は
第５，第６マスクＭ５，Ｍ６よりもパターン形成される
領域を小さくしている。すなわち、このフレネルレンズ
４２全体を８段の階段で近似して形成しようとした場
合、第７マスクＭ７のレンズ周辺部での１段あたりの幅
がパターンニングできる最少限界幅以下となり、パター
ンニングできない。そのため、すべてのマスクを均等に
使用（形成領域を同じにする）しようとする、４段の階
段で近似することになるが、そのようにすると滑らかに
曲線（球面）近似ができなくなる。そこで、１段あたり
の幅がパターンニング限界以内に治まるレンズ中央部の
２環だけ８段の階段で近似し、できるだけ多くの段数で
近似することにより、レンズとしての機能の向上を図っ
た。その他の構成並びに作用効果は上記した第１実施例
と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

【００４０】また、上記第３実施例において中央のフレ
ネルレンズ環の中心部のみであればさらにパターンニン
グ可能である（パターンニング限界以内に治まる）の
で、たとえば図１６に示す第８マスクＭ８を用い、中央
のレンズ環の３段目までのみに対してさらに厚さα／２
だけエッチングするようにしても良い。すると、図１７
に示すように中央部分は１１段で近似されることなり、
さらにレンズとしての機能が高くなる。

【００４１】なお、上記した第３実施例では、ガラス基
板４１を接合し、そのガラス基板４１にフレネルレンズ
４２を形成した例を説明したが、本発明はこれに限るこ
となく、たとえばガラス基板に替えて樹脂（例えばＰＩ
Ｘなど）を接着し、当該樹脂の表面に半導体プロセスを
用いてレンズを形成するようにしても良い。すなわち、
表面電極形成後に、ＰＩＸを厚さ４α（キュア後）とな
るように塗布し、その上に第５マスクＭ５でパターンを
形成する。レジスト現像時にＰＩＸは同時に除去される
ので、現像後エッチング工程なしですぐにレジストを除
去してよい。その後高温でＰＩＸをキュアすれば、次の
第６マスクＭ６での現像時には除去されない。同様に第
６マスクＭ６では２α（キュア後）、第７マスクＭ７で
はα（キュア後）の厚さで形成すれば、図１０に示すよ
うな構造からなる半導体発光素子が形成できる。また、
この場合に上記した変形例のように第８マスクＭ８を用
いてさらに中央部分を、パターンニングするようにして
ももちろん良い。

【００４２】なおまた、レンズ形状と発光素子本体側の
構造の関係は、上記した各実施例に限られず、たとえば
第１実施例の構成においてレンズをフレネルレンズにし
ても良く、また、第３実施例の構成においてレンズをフ
レネルレンズに替えて通常の球面状のレンズ（第１実施
例のもの）にしても良く、種々変更実施が可能である。
さらには、上記いずれの構成においても、第２実施例の
ように補助電極を形成しても良いのはもちろんである。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るレンズ一体
型半導体発光素子及びその製造方法では、レンズの形状
を階段状にしたため、フォトグラフィ工程やエッチング
処理などの半導体プロセスによってレンズが製造可能と
なる。したがって、精密加工によって形成されたマイク
ロレンズアレイ基板を用いることなく、簡単に高精度の
寸法出しが行え、それにともないコスト安となる。

【００４４】さらに、このように半導体プロセスにより
製造可能になったため、レンズを形成する基板を発光素
子と一体化した後でレンズの形成が行えるので、レンズ
部分が熱応力の影響を受けることがなく、発光領域とレ
ンズとの位置ずれ発生を可及的に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係るレンズ一体型半導体発光
素子の第１実施例を示す断面図である。（Ｂ）はそのレ
ンズ部分の拡大断面図である。

【図２】その裏面電極を示す底面図である。

【図３】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を示
す図である。

【図４】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を示
す図である。

【図５】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を示
す図である。

【図６】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を示
す図である。

【図７】レンズの製造プロセスを説明する図である。

【図８】レンズの製造プロセスを説明する図である。

【図９】本発明に係るレンズ一体型半導体発光素子の第
２実施例を示す底面図である。

【図１０】（Ａ）は本発明に係るレンズ一体型半導体発
光素子の第３実施例を示す断面図である。（Ｂ）はその
レンズ部分の拡大断面図である。

【図１１】その裏面電極を示す底面図である。

【図１２】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を
示す図である。

【図１３】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を
示す図である。

【図１４】レンズを製造する際に用いるマスクの一例を
示す図である。

【図１５】レンズの製造プロセスを説明する図である。

【図１６】第３実施例の変形例を製造する際に用いるマ
スクの一例を示す図である。

【図１７】レンズの製造プロセスを説明する図である。

【符号の説明】

１１半導体基板１６高抵抗層（電流狭搾構造）１７発光領域１８レンズ１９裏面電極（出射側電極）２１補助電極３１半導体基板３７逆伝導型層（電流狭搾構造）３８発光領域３９表面電極（出射側電極）４１ガラス基板４２フレネルレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋敏幸京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面出射型の半導体発光素子の光出射部
にレンズを実装したレンズ一体型半導体発光素子におい
て、前記レンズが、微視的には階段形状に形成されるととも
に巨視的にはレンズ機能を発揮する所定の曲面を構成す
るようにしてなることを特徴とするレンズ一体型半導体
発光素子。
【請求項２】前記レンズは、前記階段形状の段差が等
しく、かつ階段形状を構成する各段部の幅が中央部を広
く周辺部を狭くしたこと特徴とする請求項１に記載のレ
ンズ一体型半導体発光素子。
【請求項３】前記レンズは、巨視的には略球面を構成
し、レンズ内での段差は、レンズ中央部において最も小さ
く、レンズ周辺部において前記中央部における段差の２
ⁿ倍（ｎは自然数）の高さであり、その高さはレンズ中
央部より周辺部の方が大きいことを特徴とする請求項１
に記載のレンズ一体型半導体発光素子。
【請求項４】前記レンズは、巨視的にはフレネルレン
ズ面を構成し、フレネルレンズ内での段差は、中央のフレネルレンズ環
の中心部において最も小さく、中央のフレネルレンズ環
の周辺部と周辺のフレネルレンズ環内において前記中心
部における段差の２ⁿ倍（ｎは自然数）の高さであり、
その高さはレンズ中心部より周辺部の方が大きいことを
特徴とする請求項１に記載のレンズ一体型半導体発光素
子。
【請求項５】前記半導体発光素子は、電流狭搾構造に
よって発光領域が限定されていることを特徴とする請求
項１〜４のいずれか１項に記載のレンズ一体型半導体発
光素子。
【請求項６】光出射側に形成される電極は、限定され
た前記発光領域よりも大きな開口部を持ち、かつ、前記
開口部から中心に向けてのびる帯状の補助電極が形成さ
れてなることを特徴とする請求項５に記載のレンズ一体
型半導体発光素子。
【請求項７】前記レンズ機能を果たす階段形状は、光
出射側の半導体基板を加工して形成されていることを特
徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズ一
体型半導体発光素子。
【請求項８】前記レンズ機能を果たす階段形状は、半
導体発光素子の表面に接合されたガラス基板の表面を加
工して形成されていることを特徴とする請求項１〜６の
いずれか１項に記載のレンズ一体型半導体発光素子。
【請求項９】前記レンズ機能を果たす階段形状は、半
導体発光素子の出射側表面に塗布された樹脂を加工して
形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれ
か１項に記載のレンズ一体型半導体発光素子。
【請求項１０】半導体基板上に所定層を積層形成して
半導体発光素子を製造し、その半導体発光素子を構成す
る半導体基板或いはその半導体発光素子に取り付けた基
板に対し、フォトリソグラフィ工程を繰り返し行うこと
により前記レンズ機能を構成する前記階段形状に形成し
レンズを製造するようにしたことを特徴とするレンズ一
体型半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】半導体基板上に所定層を積層形成して
半導体発光素子を製造し、その半導体発光素子を構成す
る半導体基板或いはその半導体発光素子に取り付けた基
板に対し、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程を
所定回数繰り返すことにより前記レンズ機能を構成する
前記階段形状に形成しレンズを製造するようにしたこと
を特徴とするレンズ一体型半導体発光素子の製造方法。