JP2009070929A - 面発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを提供する。
【解決手段】多層膜反射鏡１４は、活性層２２で発光させられる光の中心波長λ_C よりも長波長側に反射波長帯の中心波長λ₁ を有する第１多層膜反射鏡１６、および活性層２２で発光させられる光の中心波長λ_C よりも短波長側に反射波長帯の中心波長λ₂ を有する第２多層膜反射鏡１８から構成されることから、環境温度の低温側或いは高温側への変化によって活性層２２から出力される光の波長シフトが短波長側或いは長波長側へ発生したとしても、多層膜反射鏡１４を構成する第１多層膜反射鏡１６或いは第２多層膜反射鏡１８により十分に反射されるので、光軸上の出力光の強度が低下することが抑制され、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオード１０が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射層および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードに関するものである。

半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射層および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードが知られている。たとえば、特許文献１に記載された発光ダイオードがそれである。このような面発光ダイオードは、その活性層において発生させられる光のうち半導体基板側へ向かった光が上記多層膜反射層によって出力面側へ反射されるので、比較的高い発光効率が得られ、光センサや光学式エンコーダ或いはプラスチック光ファイバ( ＰＯＦ）通信において光源として用いられる。
特開２００３−００８０５５号公報

しかしながら、発光ダイオードのスペクトルは、環境温度が高くなることによって長波長側へ波長が移動する所謂レッドシフトが発生する。このレッドシフトにより受光側の波長帯域を広帯域とする必要が生じたり、透過損失の小さい波長帯域の狭いＰＯＦ通信用には、発光ダイオードの発光波長を狭い範囲で精密に制御して製造する必要が生じる不都合があった。

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、出力光のピーク波長およびその強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、面発光ダイオードの活性層下に、活性層から発生する光のスペクトルの長波長側および短波長側の光をそれぞれ反射する複数の多層膜反射層を設けることにより実効的に光スペクトルを広帯域とし、環境温度の変化による波長シフトが出力光のピーク波長およびその強度に影響し難いことを見いだした。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

請求項１にかかる発明の要旨とするところは、（ａ）半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射鏡および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードであって、（ｂ）前記多層膜反射鏡は、前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも長波長側に反射波長帯の中心波長を有する第１多層膜反射鏡、および前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも短波長側に反射波長帯の中心波長を有する第２多層膜反射鏡から構成されることにある。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、請求項１に係る発明において、前記活性層は、ダブルヘテロ構造を有し相互に異なる井戸幅の複数の量子井戸層から成る量子井戸構造であることにある。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、請求項１または２の発明において、前記活性層は、相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子井戸層から構成されたものであることにある。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記活性層は、前記バンドギャップの大きさを順次変化するように傾斜させた量子井戸層を含むことにある。

また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、請求項１乃至４のいずれか１の発明において、前記半導体基板上に積層された複数の層のうちの最上層の表面すなわち出力面に、光の反射を防止するための反射防止膜が設けられていることにある。

請求項１に係る発明の面発光ダイオードによれば、（ａ）半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射鏡および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードであって、（ｂ）前記多層膜反射鏡は、前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも長波長側に反射波長帯の中心波長を有する第１多層膜反射鏡、および前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも短波長側に反射波長帯の中心波長を有する第２多層膜反射鏡から構成されることから、環境温度の低温側或いは高温側への変化によって活性層から出力される光の波長シフトが短波長側或いは長波長側へ発生したとしても、多層膜反射鏡を構成する第１多層膜反射鏡或いは第２多層膜反射鏡により十分に反射されるので、光軸上の出力光の強度が低下することが抑制され、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを得ることができる。

また、請求項２に係る発明の面発光ダイオードによれば、前記活性層は、ダブルヘテロ構造を有し相互に異なる井戸幅の複数の量子井戸層から成る量子井戸構造であることから、活性層から出される光の波長帯が広く効率的に出される利点がある。また、上記活性層から出される光の波長帯が広くなるので、一層、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを得ることができる。

また、請求項３に係る発明の面発光ダイオードによれば、前記活性層は、相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子井戸層から構成されたものであることから、活性層から出される光の波長帯が広くなるので、一層、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを得ることができる。

また、請求項４に係る発明の面発光ダイオードによれば、前記活性層は、バンドギャップの大きさを順次変化するように傾斜させた量子井戸層を含むものであることから、活性層から出される光の波長帯が複数のピークを形成することなく広くなり、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い面発光ダイオードを得ることができる。

また、請求項５に係る発明の面発光ダイオードによれば、前記半導体基板上に積層された複数の層のうちの最上層の表面すなわち出力面に、光の反射を防止するための反射防止膜が設けられていることから、その出力面を通して出力される出力光に複数のピークが含まれることが緩和されるので、連続的なスペクトルの出力光が得られる利点がある。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面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。

図１は、本発明の一実施例である面発光ダイオード( ＬＥＤ発光素子) １０のチップ構造を示す図である。かかる面発光ダイオード１０は、たとえば、ＧａＡｓから成る３５０μｍ程度の単結晶の半導体基板（ＧａＡｓ基板）１２上に、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着）法等を用いたエピタキシャル成長により、多層状の多層膜反射鏡１４、第１クラッド層２０、活性層２２、第２クラッド層３０、キャップ層３２が順次積層され、そのキャップ層３２の上面である出力面３４を通して出力光Ｌが、その出力面３４に垂直な光軸方向へ出力されるようになっている。その出力面３４には、出力光Ｌと同じ波長帯の光の反射を光波干渉によって抑制する厚みおよび屈折率を有する膜から構成された反射防止膜３６がコーティングされている。この反射防止膜３６は、上記エピタキシャル成長によって形成されてもよい。そして、上記キャップ層３２上にＡｕＺｎ／Ａｕ共晶合金からなる上部電極３８が、基板１２の下面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ共晶合金からなる下部電極４０がそれぞれ蒸着或いはスパッタにより形成されている。

上記多層膜反射鏡１４は、活性層２２から半導体基板１２側ヘ向かう光を出力面３４側へ反射するためのものであり、活性層２２に発生した光を９０〜９５％程度以上の反射率で反射する反射波長帯を備える。多層膜反射鏡層１４は、たとえば厚み５８ｎｍのｎ型半導体ＡｌＡｓと厚み５３ｎｍのｎ型半導体Ａｌ０．５ＧａＡｓとを一組とした１０組の積層体( ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ、５８ｎｍ／５３ｎｍ、１０ペア) から構成された第１多層膜反射鏡１６と、厚み５０ｎｍのｎ型半導体ＡｌＡｓと厚み４５ｎｍのｎ型半導体Ａｌ０．５ＧａＡｓとを一組とした１０組の積層体( ｎ−ＡｌＡｓ／ｎ−Ａｌ０．５ＧａＡｓ、５０ｎｍ／４５ｎｍ、１０ペア) から構成された第２多層膜反射鏡１８とが重ねられることにより構成されている。

上記第１多層膜反射鏡１６は、上記の構成によって、活性層２２から発せられる光の常温たとえば２０℃での中心波長λ_C たとえば６５０ｎｍよりも長波長側へずれたたとえば６７０ｎｍ程度の中心波長λ₁ を有する反射波長帯を備えるものである。また、上記第２多層膜反射鏡１８は、上記の構成によって、活性層２２から発せられる光の中心波長λ_C たとえば６５０ｎｍよりも長波長側へずれたたとえば６３０ｎｍ程度の中心波長λ₂ を有する反射波長帯を備えるものである。上記第１多層膜反射鏡１６の反射波長帯の中心波長λ₁ と活性層２２から発せられる光の常温での中心波長λ_C とのずれ量、および、上記第２多層膜反射鏡１８の反射波長帯の中心波長λ₂ と活性層２２から発せられる光の常温での中心波長λ_C とのずれ量は、面発光ダイオード１０の使用温度範囲の下限値たとえば−４０℃での活性層２２から発せられる光の波長のずれ量、および、面発光ダイオード１０の使用温度範囲の上限値たとえば８０℃での活性層２２から発せられる光の波長のずれ量にそれぞれ対応している。

第１クラッド層２０は、厚みが１μｍのｎ型半導体ＡｌＩｎＰから構成されている。活性層２２は、９．５ｎｍ、１０ｎｍ、１０．５ｎｍという面方向において順に異なる厚みを有する半導体ＩｎＧａＰから成る３層の量子井戸層２４、２６、２８と、それらを挟むように配置された厚みが２０ｎｍの半導体ＡｌＩｎＧａＰから成る４層のバリヤ層とから構成された、多重量子井戸発光層である。第２クラッド層３０は、厚みが４μｍのｐ型半導体ＡｌＩｎＰから構成されている。これら、第１クラッド層２０、活性層２２、及び第２クラッド層３０によってダブルヘテロ構造が構成され、量子井戸層２４、２６、２８から効率良く光が発せられるようになっている。なお、上記第２クラッド層３０の上に積層されたキャップ層３２は、０．１μｍ程度の厚みのｐ型半導体ＧａＡｓから構成されている。

上記量子井戸層２４、２６、２８は、９．５ｎｍ、１０ｎｍ、１０．５ｎｍという面方向においての順に異なる厚みを備えていることから、順に異なるバントギャップを備えるとともに、エネルギ準位において順に異なる井戸幅を備えており、それぞれ中心波長がずれた光を発生させ、活性層２２全体としては、それらの光が合波されることで、比較的大きな半値幅を有する前記波長帯の中心波長λ_C の光を発生する。

以上のように構成された面発光ダイオード１０がＴＯ１８のステムにマウントされた状態で、上部電極３８と下部電極４０との間にｐｎ順方向の駆動電流が流されて上記活性層２２に電流が注入されると、その活性層２２の３層の量子井戸層２４、２６、２８において電子と正孔の再結合が起こることによって光が発生させられる。この光のうち、出力面３４側へ向った光は出力面３４から外部へ出力されるとともに一部が出力面３４により内部へ反射される。また、多層膜反射鏡１４側へ向った光はその多層膜反射鏡１４により出力面３４側へ反射され、出力面３４から外部へ出力される。この際、活性層２２において発生する光のうち、短波長側の光は第２多層膜反射鏡１８で、長波長側の光は第１多層膜反射鏡１６で反射されるため、出力面３４により外部へ反射される光は、図２の実線に示す幅広いスペクトルの出力光Ｌとなる。図２の破線は、活性層２２が単層である従来の発光ダイオードの出力光のスペクトルを示す。

図３は、前述の面発光ダイオード１０が２０ｍＡ程度のｐｎ順方向の駆動電流が流されることにより駆動されている状態において、環境温度を変化させたときの長さ１０ｍのＰＭＭＡをコアとするＰＯＦを通したときにそのＰＯＦの端部から出力される出力光Ｌの強度変化を実線で示している。破線は中心波長が６５０ｎｍの従来の発光ダイオードからの光を上記同様のＰＯＦを通したときにそのＰＯＦの端部から出力される出力光Ｌの強度変化を温度変化を示している。本実施例の面発光ダイオード１０では、その多層膜反射鏡１４は、活性層２２から発せられる光の常温たとえば２０℃での中心波長λ_C たとえば６５０ｎｍよりも長波長側へずれたたとえば６７０ｎｍ程度の中心波長λ₁ を有する反射波長帯を備える第１多層膜反射鏡１６と、活性層１８から発せられる光の中心波長λ_C たとえば６５０ｎｍよりも短波長側へずれたたとえば６３０ｎｍ程度の中心波長λ₂ を有する反射波長帯を備える第２多層膜反射鏡１８とから構成されているため、環境温度の変化によって上記活性層２２から発せられる光の中心波長λ_C が短波長側或いは長波長側へずれた場合でも、多層膜反射鏡１４によって高い反射率で出力面３４側へ反射されるので、環境温度が変化しても出力光Ｌの強度の変化が抑制されている。

上述のように、本実施例の面発光ダイオード１０によれば、多層膜反射鏡１４は、活性層２２で発光させられる光の中心波長λ_C よりも長波長側に反射波長帯の中心波長λ₁ を有する第１多層膜反射鏡１６、および活性層２２で発光させられる光の中心波長λ_C よりも短波長側に反射波長帯の中心波長λ₂ を有する第２多層膜反射鏡１８から構成されることから、環境温度の低温側或いは高温側への変化によって活性層２２から出力される光の波長シフトが短波長側或いは長波長側へ発生したとしても、多層膜反射鏡１４を構成する第１多層膜反射鏡１６或いは第２多層膜反射鏡１８により十分に反射されるので、光軸上の出力光Ｌの強度が低下することが抑制され、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い利点がある。

また、本実施例の面発光ダイオード１０によれば、活性層２２は、ダブルヘテロ構造を有し相互に異なる厚みすなわち相互に異なる井戸幅の複数の量子井戸層２４、２６、２８から成る量子井戸構造であることから、活性層２２から出される光の波長帯が広く効率的に出される利点がある。また、上記活性層２２から出される光の波長帯が広くなるので、一層、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い利点がある。

また、本実施例の面発光ダイオード１０によれば、活性層２２は、相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子井戸層２４、２６、２８から構成されたものであることから、それら量子井戸層２４、２６、２８から出される光の合成光である活性層２２から出される光の波長帯が広くなるので、一層、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い利点がある。

また、本実施例の面発光ダイオード１０によれば、活性層２２は、バンドギャップが順次異なるように傾斜させられていることから、活性層２２から出される光の波長帯が複数のピークを形成することなく広くなり、出力光強度が使用温度環境の影響を受け難い利点がある。

また、本実施例の面発光ダイオード１０によれば、半導体基板１２上に積層された複数の層のうちの最上層であるキャップ層３２の表面すなわち出力面３４に、光の反射を防止するための反射防止膜３６がコーティングされていることから、その出力面３４を通して出力される出力光Ｌに複数のピークが含まれることが緩和されので、連続的なスペクトルの出力光Ｌが得られる利点がある。

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、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、別の態様でも実施され得る。

例えば、前述の実施例の面発光ダイオード１０において、基板１２、多層膜反射鏡１４、第１クラッド層２０、活性層２２、第２クラッド層３０、キャップ層３２等は、他の種類の半導体であってもよい。

また、前述の実施例において、活性層２２は、３層のＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層２４、２６、２８とそれらＡｌＧａＩｎＰ量子井戸層２４、２６、２８の間に介在されるバリア層とを備える多重量子井戸層であったが、たとえば単層の量子井戸層であってもよく量子井戸層が何層であってもよい。さらに、活性層２２は、必ずしも量子井戸構造でなくてもよい。

また、前述の実施例において、面発光ダイオード１０には、イオン注入によって電流狭窄構造が形成されることにより、点光源ＬＥＤとして構成されてもよい。また、この電流狭窄構造はｐ−ｎ反転領域を設ける等の他の電流狭窄構造が形成されていてもよい。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

本発明の一実施例である面発光ダイオードの積層構造を模式的に示す断面図である。 図１の面発光ダイオードの出力光のスペクトル( 実線）を、従来のＬＥＤの出力光( 破線) と対比して示す図である。 図１の面発光ダイオードが２０ｍＡ程度のｐｎ順方向の駆動電流が流されることにより駆動されている状態において、環境温度を変化させたときの長さ１０ｍのＰＭＭＡをコアとするＰＯＦを通したときにそのＰＯＦの端部から出力される出力光Ｌの強度変化( 実線）を、中心波長が６５０ｎｍの従来の発光ダイオード用いた場合の出力光Ｌ( 破線) と対比して示す図である。

符号の説明

１０：面発光ダイオード
１２：半導体基板
１４：多層膜反射鏡
１６：第１多層膜反射鏡
１８：第２多層膜反射鏡
２２：活性層
２４、２６、２８：量子井戸層
３４：出力面
３６：反射防止膜

Claims (5)

1. 半導体基板上に順次成長させられた多層膜反射鏡および活性層を備え、出力面から出力光を出力する面発光ダイオードであって、
   前記多層膜反射鏡は、前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも長波長側に反射波長帯の中心波長を有する第１多層膜反射鏡、および前記活性層で発光させられる光の中心波長よりも短波長側に反射波長帯の中心波長を有する第２多層膜反射鏡から構成されることを特徴とする面発光ダイオード。
2. 前記活性層は、ダブルヘテロ構造を有し相互に異なる井戸幅の複数の量子井戸層から成る量子井戸構造であることを特徴とする請求項１の面発光ダイオード。
3. 前記活性層は、相互に異なるバンドギャップを有する複数の量子井戸層から構成されたものであることを特徴とする請求項１または２の面発光ダイオード。
4. 前記活性層は、前記バンドギャップの大きさを順に変化するように傾斜させた量子井戸層を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の面発光ダイオード。
5. 前記出力面に、光の反射を防止するための反射防止膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１の面発光ダイオード。

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