(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸レンズが固着された開口部を有するハウジングと、該ハウジング内に収容され、基板上に結晶成長させられた反射層および活性層を有して該活性層の一部に駆動電流が狭窄される点光源ＬＥＤチップと該点光源ＬＥＤチップを支持するステムとを備え、該点光源ＬＥＤチップの一面から凸レンズを通して光を放出する点光源発光ダイオード装置において、
前記点光源ＬＥＤチップを、前記ステムの上端面に形成された平面状のダイボンディングパッドに固着し、
前記点光源ＬＥＤチップの一面からの高さをｈとし、該点光源ＬＥＤチップの一面における発光中心からの径方向の距離をｒとしたとき、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内となるドーム形状の透光性樹脂を前記点光源ＬＥＤチップの一面に固着したことを特徴とする点光源発光ダイオード装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、好適な指向性を有する点光源発光ダイオード装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点光源発光ダイオード装置は、面発光型ＬＥＤとは異なり、小さな発光領域から光が放射されるので、光学系の設計が容易となって光センサなどに多用されている。通常、点光源ＬＥＤチップから直接放射される光はたとえば図５のように広い角度範囲の強度分布を示すことから、パラボラレンズやボールレンズなどの凸レンズを通して光が放射されるようにしたものが提案されている。たとえば、パラボラレンズが固着された開口部を有するハウジングと、そのハウジング内に気密に収容された点光源ＬＥＤチップとを備え、その点光源ＬＥＤチップの一面からパラボラレンズを通して光を放出する点光源発光ダイオード装置がそれである。このような場合には、図６に示すような比較的指向性を有する強度分布が得られる。また、ボールレンズがハウジングの開口部に固着されて用いられる場合は、図７に示すような鋭い指向性を有する強度分布が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような点光源発光ダイオード装置は、一般に、点光源ＬＥＤチップがハウジング内において気密に封入されることから、レンズと点光源ＬＥＤチップとの間にはフォーミングガスが充填された空間が形成されるが、点光源ＬＥＤチップの屈折率が大きくて、点光源ＬＥＤチップ内から射出される光の臨界角が小さいので、光取出効率が十分に得られない。このため、上記点光源ＬＥＤチップの上が透光性樹脂によって覆われる（コーティングされる）ことが考えられる。
【０００４】
しかしながら、上記のように、光取出効率を高めるために点光源ＬＥＤチップの上が透光性樹脂によって覆われた点光源発光ダイオード装置は、透光性樹脂の影響によってその出力光の強度分布が複数のピーク点を有する多峰性分布となって指向性が損なわれる場合があった。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、光取出効率を高めるための透光性樹脂が点光源ＬＥＤチップ上に設けられても単峰性の強度分布および十分な発光強度が得られる点光源発光ダイオード装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、凸レンズが固着された開口部を有するハウジングと、該ハウジング内に気密に収容され、基板上に結晶成長させられた反射層および活性層を有してその活性層の一部に駆動電流が狭窄される点光源ＬＥＤチップとその点光源ＬＥＤチップを支持するステムとを備え、その点光源ＬＥＤチップの一面から凸レンズを通して光を放出する点光源発光ダイオード装置において、(a)前記点光源ＬＥＤチップを、前記ステムの上端面に形成された平面状のダイボンディングパッドに固着し、(b)前記点光源ＬＥＤチップの一面からの高さをｈとし、該点光源ＬＥＤチップの一面における発光中心からの径方向の距離をｒとしたとき、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内となるドーム形状の透光性樹脂を前記点光源ＬＥＤチップの一面に固着したことにある。
【０００７】
【発明の効果】
このようにすれば、点光源ＬＥＤチップの一面からの高さをｈとし、該点光源ＬＥＤチップの一面における発光中心からの径方向の距離をｒとしたとき、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内となるドーム形状の透光性樹脂が点光源ＬＥＤチップの一面に固着されているので、単峰性の強度分布および十分な発光強度が得られる。上記ｈ／ｒが０．７５を下まわる場合には強度分布が多峰性となり、反対に上記ｈ／ｒが１．２５を上まわる場合には十分な発光強度が得られなくなる。
【０００８】
【発明の好適な実施の形態】
以下、本発明の一例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。
【０００９】
図１は、本発明の一実施例である点光源発光ダイオード装置１０の構成を示す拡大図である。図１において、点光源発光ダイオード装置１０は、下端開口部がステム１２が接着、電着などにより固着されることによって気密に塞がれるとともに、上端開口部にパラボラレンズ１４が接着、電着などにより固着されることによって気密に塞がれた円筒状金属製のハウジング１６と、ステム１２上に固着されることによりパラボラレンズ１４から所定距離隔てた状態でそのハウジング１６内に収容された点光源発光ダイオードチップすなわち点光源ＬＥＤチップ１８とを備え、不活性ガス或いはフォーミングガスが封入されている。上記ステム１２としては、たとえばＴＯ−１８、ＴＯ−４６としてよく知られている規格品が用いられる。上記パラボラレンズ１４は、たとえば２．０ｍｍ程度の焦点距離を備えている。また、上記パラボラレンズ１４と点光源ＬＥＤチップ１８との間隔は、たとえば１〜三ｍｍ程度に設定されている。
【００１０】
上記パラボラレンズ１４は、ガラス、アクリル樹脂などの光透過性材料から構成されて断面が放物線状となる凸面を有する凸レンズであることから集光機能を備えており、その光軸が上記ハウジング１６の軸芯と略一致させられた状態でそのハウジング１６に固定されている。また、上記ステム１２は、短円柱形状を成し、そのハウジング１６内に臨む内側面には、点光源ＬＥＤチップ１８を固着するためのダイボンディングパッド２０と、一端部が点光源ＬＥＤチップ１８上の電極に接続されたたとえば金製のボンディングワイヤ２２の他端が接続されるワイヤボンティングポスト２４とが設けられている。また、上記ステム１２の外側に臨む外側面には、上記ダイボンディングパッド２０およびワイヤボンティングポスト２４に電気的に接続された２本のリード線２６、２８がそれぞれ突き出されている。
【００１１】
図２に示すように、上記点光源ＬＥＤチップ１８の上面の略中央部には、たとえば２００μｍ2 程度以下の比較的小さな発光領域３０が設けられており、この発光領域３０が前記パラボラレンズ１４の光軸上に略一致するように  点光源ＬＥＤチップ１８がステム１２の内側面に取り付けられている。そして、上記点光源ＬＥＤチップ１８上には、透光性のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂などからなるカバー樹脂３２が固着されている。このカバー樹脂３２は、発光領域３０内からの光取り出し効率を高めるために気体の屈折率よりも大きい２程度の屈折率を備えたものであり、上側すなわちパラボラレンズ１４側に向かって中央部が突き出した凸形状を備えるとともに、その頂点がパラボラレンズ１４の光軸と略一致させられている。カバー樹脂３２は、たとえば、ハウジング１６の上端開口から点光源ＬＥＤチップ１８上に熱硬化樹脂を滴下した後にオーブン内で熱硬化されることにより形成される。上記カバー樹脂３２は、点光源ＬＥＤチップ１８の一面からの高さをｈとし、その点光源ＬＥＤチップ１８の一面における発光中心すなわち発光領域３０（の中心）からの径方向の距離をｒとしたとき、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内となるようにドーム状に形成されている。
【００１２】
上記点光源ＬＥＤチップ１８は、図２に示すように、たとえばＧａＡｓ半導体単結晶基板４０上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、気相エピタキシー（ＶＰＥ：Vapor Phase Epitaxy ）法、或いは液相エピタキシー（ＬＰＥ：Liquid Phase Epitaxy）法等によって、複数種類の化合物半導体が順次結晶成長により積層されることにより構成されている。
【００１３】
上記ＧａＡｓ半導体単結晶基板４０上には、たとえば０．５μｍ程度のｎ−ＧａＡｓから成る第１バッファ層４２、たとえばλ／４程度の厚みのｎ−ＡｌＡｓ／Ａｌ0.2 ＧａＡｓから成る１対の層が多数対積層された反射層４４、たとえば２μｍ程度のｎ−Ａｌ0.45ＧａＡｓから成る第１クラッド層４６、たとえば０．５μｍ程度のｐ−ＧａＡｓから成り、波長λがたとえば８８０ｎｍ程度の赤外光を放射する活性層４８、たとえば２μｍ程度のｐ−Ａｌ0.45ＧａＡｓから成る第２クラッド層５０、たとえば２μｍ程度の厚みのｐ−Ａｌ0.1 ＧａＡｓから成る電流拡散層５２、たとえば２μｍ程度のｎ−Ａｌ0.1 ＧａＡｓから成る電流ブロック層５４、たとえば０．１μｍ程度のｎ−ＧａＡｓから成るキャップ層５６が順次結晶成長させられている。そして、点光源ＬＥＤチップ１８の上面から亜鉛などの不純物が拡散させられることによってｐ型とされた領域が点光源ＬＥＤチップ１８の外周部では到達しないが中央部では上記電流拡散層５２まで到達するように形成されており、上部電極６０から下部電極５８へ向かう駆動電流が中央部に狭窄されるようになっている。なお、半導体単結晶基盤４０の下面およびキャップ層５６の上面には、下部電極５８および上部電極６０がそれぞれ蒸着されて構成されている。
【００１４】
上記下部電極５８および上部電極６０は何れもオーミック電極であり、下部電極５８は、半導体単結晶基盤４０側から順にたとえばＡｕ−Ｇｅ合金、Ｎｉ、およびＡｕの積層、或いは金系共晶合金が形成され、上部電極６０はキャップ層５６側から、たとえばＡｕ−Ｚｎ合金とＡｕの積層、或いは金系共晶合金が形成されている。ダイボンティングパッド２０には、たとえば銀ペースト（銀を含む導電性接着剤）を用いて点光源ＬＥＤチップ１８が固着される。
【００１５】
以上のように構成された点光源発光ダイオード装置１０によれば、点光源ＬＥＤチップ１８から光が取り出される光取出面すなわち図１の上面において、少なくともその中央部である発光領域３０を覆うように光透過型樹脂製の半球状のドーム型のカバー樹脂３２が固着されているので、点光源ＬＥＤチップ１８内から上記カバー樹脂３２内への全反射角が大きくされて、高い光取出効率が得られるようになっている。そして、本実施例の点光源発光ダイオード装置１０において、そのドーム形状のカバー樹脂３２は、点光源ＬＥＤチップ１８の上面からの高さをｈとし、その点光源ＬＥＤチップ１８の発光領域３０、厳密にはその中央部からの径方向の距離をｒとしたとき、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内となる形状で点光源ＬＥＤチップ１８の一面に固着されているので、単峰性の強度分布および十分な発光強度が得られる。
【００１６】
図３は、本発明者によって行われたカバー樹脂３２の形状と光強度分布との関係を求める実験結果を示している。この実験では、上記カバー樹脂３２のドーム形状だけが異なる試料を４種類作成し、それらの光強度分布すなわち配光特性が各試料の光出力の相対強度を対比することが可能に測定されている。それら４種類の試料とは、ｈ／ｒ＝０．５のもの、ｈ／ｒ＝０．７５のもの、ｈ／ｒ＝１．０のもの、ｈ／ｒ＝１．２５のものである。図３(a) は上記ｈ／ｒ＝０．５の試料の測定結果を示し、図３(b) は上記ｈ／ｒ＝０．７５の試料の測定結果を示し、図３(c) は上記ｈ／ｒ＝１．０の試料の測定結果を示し、図３(d) は上記ｈ／ｒ＝１．２５の試料の測定結果を示している。各試料の光強度は、(a) の試料の光出力の最大値を１００とした場合の相対値である。この測定結果によれば、０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内では、単峰性の強度分布および十分な発光強度が得られることが明らかである。しかし、ｈ／ｒが０．７５を下まわる場合には強度分布が多峰性となり、反対に上記ｈ／ｒが１．２５を上まわる場合には十分な発光強度が得られなくなる。
【００１７】
図４は、本発明の他の実施例の点光源ＬＥＤチップ１８を示している。この実施例の点光源ＬＥＤチップ１８上に固着されたカバー樹脂３２はその半径ｒが比較的小径とされているが、高さｈも小さくされて０．７５≦ｈ／ｒ≦１．２５の範囲内とされている。本実施例においても、前述の実施例と同様の効果が得られる。
【００１８】
以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は、更に別の態様でも実施される。
【００１９】
例えば、前述の実施例では、活性層４８から赤外光が放射される点光源ＬＥＤチップ１８が用いられていたが、赤色光、緑色光、青色光、紫外光などの他の波長の光を放射するものであってもよい。
【００２０】
また、前述の点光源ＬＥＤチップ１８は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体から構成されていたが、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＩｎＧａＰ系、ＧａＮ系などの他の化合物半導体が用いられたものであってもよい。
【００２１】
また、前述の点光源ＬＥＤチップ１８は、その一面全体が発光するものではなく、その一面の略中央部に設けられた２００μｍ2 程度以下の微小の発光領域３０において発光するものであるが、その発光領域は矩形であってもよいし、円形や楕円形であってもよい。発光領域３０が矩形、楕円形、トラック型形状である場合には、その長手方向の中心線とそれに直角な短辺或いは短軸に平行な方向の中心線との交点が発光中心として定められる。
【００２２】
また、点光源ＬＥＤチップ１８の一面に設けられた発光領域３０は、必ずしもその一面の中央でなく、一方に偏った位置に設けられていてもよい。発光領域３０の発光中心がパラボラレンズ１４の光軸と略一致するように、点光源ＬＥＤチップ１８がステム１２に固着されればよいのである。
【００２３】
また、前述のパラボラレンズ１４は、断面が放物線形状ではなく、円弧状などの集光機能のある他の形状の凸レンズであってもよい。
【００２４】
また、前述の点光源発光ダイオード装置１０は、ハウジング１６内の空間がフォーミングガスで充填されたハーメチックシール型であったが、樹脂モールド型であってもよい。
【００２５】
その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の点光源発光ダイオード装置の構成を説明する断面図である。
【図２】図１の点光源発光ダイオード装置において、そのハウジング内に収容された点光源ＬＥＤチップの構成を説明する図である。
【図３】図１の点光源発光ダイオード装置の光出力の強度分布を、カバー樹脂の形状を表すｈ／ｒを変化させて説明する図であって、(a) はｈ／ｒが０．５の場合、(b) はｈ／ｒが０．７５の場合、(c) はｈ／ｒが１．０の場合、(d) がｈ／ｒが１．２５の場合をそれぞれ示している。
【図４】本発明の他の実施例のカバー樹脂の形状を点光源ＬＥＤチップの上に固着された状態で示す図である。
【図５】図１の点光源ＬＥＤチップから直接放射される光の強度分布を示す図である。
【図６】カバー樹脂が設けられていない従来の点光源発光ダイオード装置から出力される光の強度分布を示す図である。
【図７】ボール型のレンズがハウジングの開口部に固着された形式の従来の点光源発光ダイオード装置から出力される光の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０：点光源発光ダイオード装置
１４：パラボラレンズ（凸レンズ）
１６：ハウジング
１８：点光源ＬＥＤチップ
３２：カバー樹脂（透光性樹脂）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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