JPH0385774A - 半導体発光素子 - 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］ 本発明は光通信又は光情報処理等の分野で重要である高
出力・集積化が可能な面発光型半導体発光素子に関する
。 ［従来の技術） 従来の装置は、特願昭６０−９８６８９号に記載の様に
、半導体基板上に多層反射膜を設け、この上に光を発光
し得る活性層を設けることを特徴とした構造となってい
た。この種の半導体装置の一例を第４図によって説明す
る。 この第４図で、↓は半導体基板でＧａＡｆｌＡ、ｓ。 ３ ２ａは活性層でＧａＡｓ、４はクラット層でＧａＡｎＡ
ｓである。又はは多層反射膜で、屈折率の異なる２種類
以上の物質で、２層以上交互に結晶成長させて形成した
構造となっている。又９は絶縁膜で５ｉｎ２，６及び７
は電極で各々ＡＱ。 Ａｕとなっている。１０は光取出し用の窓である。 この様な発光ダイオードにおいて、活性層２ａの下方へ
出射した光は多層反射層５で反射され、光取出し用の窓
１０から外部に取り出せる。

【発明が解決しようとする課題】

従来の構造（第４図参照）の様に多層反射膜と光取出し
面１０が平行であると、光取出し面と多層反射面による
ファブリペロ共振器が形成され。 これにより発光スペクトルにリップルが生じる。 又電流増加に伴い、発光波長のシフトが生じる為、光出
力−電流特性にもリップルが生し通信特性に悪影響をも
たらす。また上記従来技術は反射膜によって反射された
光の出射角度、活性層覇の電流集中効率の点について配
慮がされておらず、外部量子効率を十分数れない問題が
あった。さらに上記従来技術では、光取出し窓の径が小
さいとその部分で光が遮られ効率よく光を取出すことが
出来ず、径が大きいと活性層への電流集中が出来にくく
発光効率が低下してしまう。又、この対策としてクラッ
ドＮ４の厚さを薄くすることが考えられるが、薄くする
と光の出射角度がさらに広がりファイバ等との結合効率
が低下する欠点がある。又クラッド層４の薄層化は電極
７コンタクト用拡散層の突き抜は等が生し、所定以上は
出来ない欠点を有する。 本発明は外部量子効率の高い発光素子を得ることと、さ
らに焦光性が良く結合特性に優れた発光素子を提供する
ことを目的とする。本発明の他の目的は、面集積化・面
実装化が可能な面発光素子を提供することにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する為に、本発明では、電流注入により
発光する機能を持つｐ−ｎ接合の一方の側に高反射（多
）Ｍ膜を形成し、他方の側に光をし、光出力効率及び光
結合特性を高めたことを特徴としたものである。 また、この凹状の反射膜により反射される光の収束点が
素子の外部に存在するように構成することで、さらに素
子の発光効率を上げることができる。 さらに光出力効率を上げ、温度特性を向上させる為に上
記ｐ−ｎ接合をペテロ多層膜で構成された（多重）量子
井戸構造であることを特徴としている。 ［作用］ 二種以上の異った屈折率を有する薄膜を規則正しく積層
した反射多層膜により、特定の波長の光に対して大きな
反射率をもたせることが出来る。 この様な反射多層膜は、例えば接合層よりも屈折率が低
く、少くとも２種類の化合物半導体を交互にＮ層積層す
ることにより構成され、その膜厚はほぼ λ＝４ｎユｈ、＝４　ｎ２ｈ２＝　　・・・・・・・・
・・・・・・（但しλは波長、ｎ１ｌｎ２　・・・・は
薄膜の屈折率、ｈ、１ｈ２・・・・は薄膜の厚さ） を満足していれば、より顕著に達成できる。 材料としては例えば、接合をＧａ１−８Ａｎ。Ａｓ（０
＜　ｘ　＜　０　、４−　）　、反射膜の低屈折率層を
Ｇａ１．ｙＡ　凰ｙＡｓ＋　Ｙ　＞　ｘで構成し、ある
いは接合をＩ　ｎｘ　Ｇ　ａｌ−ｘ　Ａ　Ｓｙ　Ｐ　ｘ
、−ｙ　＋低屈折率層をＩ　ｎｕＧａｌ−ｕＡｓｖＰ　
１−Ｖ、　ｘ　＜　ｕ　ｒ　ｙ　＜　ｘで構成すればよ
い。 さらに接合をＩｎＰ系、低屈折率層を 丁ｎＧａＡｓＰで構成してもよい。 本発明の様に、反射多層膜とｐ−ｎ接合が凹状の形状を
している場合、反射多層膜及びｐ−’−ｎ接合と光取出
し表面との間で多重反射を生ずることがない為、Ｉ／Ｌ
特性が直線的で通信特性の良好な性能を得ることが出来
る。また従来構造（第４図）では反射多層膜により反射
された光はより指向性のないものとなり、光取出し口よ
り得られる光量は光取出し面積に依存したより限定され
たものとなるが、反射多層膜とｐ−ｎ接合が凹状の形状
をしている場合には、ｐ−ｎ接合より直接取出す光の焦
光効果と凹状反射多層膜による焦光性により、従来構造
では取出せなかった光までも有効に取出すことが出来る
。 特に凹状反射膜による光の収束点を素子外部に設定する
ことで、有効に素子からの光を利用することが可能とな
る。 次に、反射多層膜と多重量子井戸構造 （ＭＱＷ）を同時に有することによる作用について説明
する。反射多層膜により得られる反射特性は中心波長λ
。に対し、反射率の半値全幅Δλは近似的に （但し、ｎ□ｌ　ｎ２はそれぞれ反射多層膜を構成する
物質の屈折率） ここでλ。＝８３０ｎｍ、ｎ□＝３．４９（Ｇａ、−Ｘ
Ａ　Ｑ　ｘＡｓ、　　ｘ　”　０．２　）　　、　　ｎ
　２　”　３．２２＜Ｇａ１−ｘＡ　Ｑ　ｘＡｓ、　ｘ
　＝　０　、６　）の場合Δλな６７ｎｍとなる。 一方、従来構造（シングルヘテロ及びダブルヘテロ構造
）の場合のスペクトル半値全幅は６０〜８０ｎｍで、ス
ペクトルの温度係数は前記ＧａＡＱＡｓ系で０．１７ｎ
ｍ／℃である為、使用温度範囲Ｏ〜８０℃で約１４ｎｍ
のシフトが起る。 すなわち、スペクトル半値全幅と０〜８０℃の温度変動
幅の和は７４〜９４　ｎ　ｍで、反射多層膜による反射
の反射全幅約６７ｎｍより大きい。これは発光のセンタ
ー波長と反射効率のピーク波長が一致している場合には
高い反射効率が得られるが、温度が変化した場合には発
光波長がズレ、反射効率が低下することを意味する。 これに対し、多重量子井戸構造を用いた場合のスペクト
ル半値全幅は約半分の３０〜４０　ｎ　ｍである為、温
度（範囲Ｏ〜８０℃）によるシフト量１４　ｎ　ｍを考
慮しても４４〜５４　ｎ　ｍであり、反射多層膜による
反射の半値全幅６７ｎｍより小さく、実用上問題となる
温度範囲にわたって反射多層膜による効果を十分得るこ
とが出来る。すなわち反射多層膜の効果を十分得るには
多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が有効である。 実用上の温度範囲全体にわたり高出力を得ることが、種
々の応用分野において要求されている。 上記で述べた様に凹状のｐ−ｎ接合と反射多層膜を有す
ることにより高出力と直線性の良いＩ／Ｌ特性を得るこ
とが出来るが、さらにＭＱＷ構造とすることにより、温
度変化に対しても反射多層膜の効果を保持出来、高出力
を維持することが出来る。すなわち、凹状の反射多層膜
とＭＱＷ構造を同時に用いれば光出力・温度特性におい
てより顕著な効果を得ることが出来る。

【実施例） 以下、この発明の実施例を詳細に説明する。 実施例１゜ 第１図は、本発明筒１の実施例である。本構造において
、１はｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板である。この様な凹面形
状をもつ基板は研磨工、エツチング等により作成できる
。２ｂは厚さ約０．５μｍのｎ型ＡＲｘＧａ、−ｘＡｓ
　（ｘ＝０．３７）クラッド層であり、４は基板凹状曲
率半径が例えば２００μｍの特約３０μｍから１５０μ
ｍの厚さからなるＰ型ＡＱｘＧａｌ−ｘＡｓ　（ｘ＝０
．３７）クラッド層である。４ａは厚さ約５μｍのｎ型
ＧａＡｓの電流ブロック層である２ａは井戸層と障壁層
が各々ＧａＡｓとＡ　（ｌ　Ｘ　Ｇ　ａ　１−　ｘ　Ａ
　ｓ　（ｘ　＝Ｏ−２）で、厚さが各々８０人、３０Ａ
とから成り１８ペア組合された量子井戸構造のヘテロ接
合層である。この様な量子井戸構造については、例えば
（日本物理学会側「半導体超格子の物理と応用」第４章
）に記載がある。 ３は（１）式で与えられる膜厚と屈折率を有した反射多
層膜で、厚さ５９０人のＡ　Ｑ　Ｘ　Ｇ　ａ、−ｘ　Ａ
　ｓ（ｘ、　＝　０　、２　）高屈折率層と厚さ６４．
０人のＡ　Ｑ　ｘＧａ、−ｘＡｓ　（ｘ　＝０．６）の
低屈折率層とから成り、１６ペアで構成されている。屈
折率は各々３．４９，３．２２である。 この量子井戸構造のヘテロ接合層と反射多層膜の詳細図
を第３図に示す。ヘテロ接合層２ａよりも低い屈折率０
で反射多層膜３は構成されている。 ６．７はオーミック電極で６はＡｕＧｅ−Ｎｉ−Ａｕ、
７はＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ又はＴｉ　−Ｍ。 Ａｕで構成される。５はオーミックコンタク１〜用のＺ
ｎ拡散層である。８は反射防止膜であり５ｉｎ２，１９
０ＯＡである。この様に光出射面表面に１７４ｍ波長（
ｍは当該膜質の屈折率）の反射防止膜をつけたことによ
り、さらに光出力効率を上げ、光出射面での反射を防ぐ
ことができる。 １０は光出射窓である。 基板ｌの上の各層３，２ｂ、２ａ、４ａについてはＭ　
Ｏ−Ｖ　Ｐ　Ｅ　（Ｍｅｔａｌ　Ｏｎｇａｎｊｃ　Ｖａ
ｐｏｒＰｈａｓｅ　ｅｐｉｔａｘｙ）やＭ　Ｂ　Ｅ　（
Ｍｏｌｅｃｕ１ａｒ　ｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）のよう
な装置で連続して作成することが出来る。電流ブロック
層４ａを中心部のみ選択エツチングし、Ｐ型クラッドＮ
４及びコンタクト層５をＬ　Ｐ　Ｅ　（Ｌｉｑｕｊｄ　
Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）にて作成することにより
、２ａ及び３の平面と光取出し、而ｌＯの平面とは非平
行に作成することが出来る。又各々の曲率半径の中心は
、いずれも素子の外部にある為、極めて焦光性のよい素
子を得ることが出来る。又、本構造では電流ブロック層
４ａがある為、効率良くヘテロ接合層に電流を流すこと
が出来、高い多重量子効果を得ることが出来る。又、発
光部より後方へ出射した光は、反射多層膜３により約９
０％反射され、凹形状により焦光されて光取出し窓１０
より取出すことが出来る。 本実施例においては外部量子効率７０％と、従来構造の
約３倍の高効率発光素子を得ることが出来た。又、本構
造においてはシングルモートファイバーとの結合も可能
であった。 実施例２゜ 次に第２の実施例として第２図の構造について述べる。 本構造において工はｎ型Ｇ　ａ　Ａ、　ｓ基板であり、
４ｂはセミインシュレーターの高抵抗層であｚ ＡＱｘＧａ、ｘＡｓ　（ｘ＝０．３７）クラッド層であ
り、４は厚さ約３０μｍから１５０μｍの厚さからなる
Ｐ型Ａ　Ｑ　ｘＧａｘ−ｘＡＳ（ｘ　＝　０　、３７　
）クラッド層である。２ａ及び３は実施例１で述べたも
のと同様の構造のヘテロ接合層と反射多層膜である。５
，６，７，８．１０もそれぞれ実施例１と同様で、５は
Ｚｎ拡散層、６はＡｕＧｅ−ＮｉＡｕ電極、７はＴｉ−
Ｐｔ−Ａｕ電極、８は１９００Ａ、ＳｉＯ２膜、１０は
光出射窓である。 基板１及び４上の各層３，２ｂ、２ａについてはＭＯ−
ＶＰＥやＭＢＥにて連続して作成することが出来る。層
４はＬＰＥにより作成し、光取出窓１０はドライエッチ
等によりドーム形に作成することが出来る。 本構造では、高抵抗層４ｂがある為素子中央部に効率良
く電流を流すことが出来、高い多重量子効果を得ること
が出来る。又、発光部より後方へ出射した光は反射多層
膜３により約９０％反射され、チャネル構造により焦光
されて光取出窓１０より取出すことが出来る。 上記実施例においては、発光部サイド側の発光効率が実
施例１よりは劣るが、反射多層膜及び多重量子効果によ
り、外部量子効率６０％と従来構造（第４図の構造）の
約２．５倍の光出力が得られた。以上は波長０．８３μ
ｍ帯のＧａＡＩＪＡｓ系に適用した例であるが、Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　Ｐ　”　Ｇ　ａ　Ｐ系のような間接遷移型結
晶やｒｎＧａＰのような直接遷移型結晶で上記半導体発
光素子を構成してもよい。 実施例３゜ 次に本発明を１．５５μｍ帯のＩｎＰ系材料に適用した
例を述へる。構造としては第１図に示したものと同様で
ある。基板１はｎ型１ｎＰであり、各素子毎に凹状に表
面を形成した後、反射多層膜３を形成する。これはλｇ
＝１−．３３μｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰで構成され
た多層膜で厚さはそれぞれ１１５０入、１．２２０入で
１．　ＯＯペアで構成されている。屈折率はそれぞれ３
．３５゜３．１７である。２ａはヘテロ多層膜であり、
λｇ　＝　１　、７　μｍのＩｎＧａＡｓとλｇ　＝　
１．　、１５μｍのＩｎＧａＡｓＰを各々６５人、１５
０人、ペア数３０で構成されている。又、２ｂはｎ型Ｔ
ｎＰのクラッド層であり、厚さは約１μｍでヘテロ接合
層３及び反射多層膜５に接している。４はＰ型ＩｎＰの
クラッド層であり、４ａはｎ型ＩｎＰの電流ブロック層
である。 ６．７はオーミック電極で各々、Ｐ電極６はＣｒ−Ａｕ
、ｎ電極７はＡｕＧｅＮｉ　−Ｐ　ｄ　−Ａ　ｕで構成
されている。その他は実施例１と同様である。 本構造は０．６μｍ帯のＡＱＧａＩｎＰ系についても適
用できる。第２図の構造を用い、ｎ型ＧａＡｓ基板１の
上にＡｆｌ　（Ｇａ）ＴｎＰとＡＱＧａＩｎＰよりなる
反射多層膜３を設ける。ペテロ多層膜２ａをはさんでｎ
型ＡｆｌＧａＴｎＰクラッド層２ｂとＰ型ＡＱＧａＰク
ラッド層４を設け、ペテロ多層膜２ａを（ＡＱ）ＩｎＧ
ａＰとＡＱＧａＩｎＰにより構成する。その他構造は前
述の実施例２と同様であり、容易に第２図の例の０．６
μｍμｍ山高出力素子を得ることが出来る。 その他同様にして、前記構造をＧａ５ｂ−ＡｆｉＧａＳ
ｂ系、ＣｄＴｅ−ＣｄＴｅＳｅ系に適用し高効率発光素
子を得ることが出来る。 又、以上述にた様な本発明の構造をＭＯＶＰＥ、もしく
はＭＢＥのような装置で連続して作成することは比較的
容易であり、複数の膜（数十〜数百）を比較的短時間に
作成できる為量産性に優れている。 なお、上記実施例では先取出窓１．０は、曲面形状をな
しているが、平面形状としても、本願の発明の凹面状反
射層の効率は減縮されない。 【発明の効果】 以」二述べた様に、本発明の半導体発光素子は、従来の
発光ダイオードに比べ、外部量子効率を約３倍の７０％
まで向上することが出来る。 特に、発光部のヘテロ接合多層膜と反射多層膜は同一装
置（例えばＭＯ−ＶＰＥやＭＢＥ装置）にて作成可能で
あり、多層膜の数の増加に対してほとんどコストアップ
につながらない。例えば数百層の多層膜も自動で容易に
作ることが出来る為従来あまり発光効率の良くなかった
材料系まで適用出来る範囲は極めて広い。活性層及びヘ
テロ接合層としては、ＧａＡＱＡｓ、ＩｎＧａＰ、Ｇａ
ＡｓＰ。 ＩｎＧａＡｓ等の三元混晶、ＴｎＧａＡｓＰ。 ＡＱＧａＩｎＰ等の四元混晶が使用可能であり、多層膜
部分にはこれら各混晶を適宜組み合せて用いることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体発光素子の一実施例を示す
断面図、第２図は本発明による半導体発光素子の他の実
施例を示す断面図、第３図は」二記第１図、第２図に示
す半導体層の詳細を示す断面図である。第４図は従来の
半導体発光素子を示す断面図である。 ｌ　半導体基板、 ２ａ　ヘテロ多層膜、 ２ａ、４・・クラッド層、 ３・・反射多層膜、 ４ａ・電流ブロック層、 ４ｂ　高抵抗層、 ５・・・拡散層、 ］ ６，７　電極、 ８・・・反射防止膜、 ９・・・絶縁膜、 Ｏ・・光取出し用窓。 ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、特定ピッチで面上に凹状に窪んだ形状を持つ半導体
   基板。 ２、特定ピッチで面上に凹状に窪んだ形状を有する半導
   体基板上に、電流注入により光を発光する機能を持つＰ
   −Ｎ接合と、前記光を外部に取出す側と反対の側に屈接
   率ｎが上記接合部より小さく、かつ厚さが発光波長の１
   ／４ｎからなりヘテロ接合により形成された低屈折率層
   を少くとも１層有し、かつ上記Ｐ−Ｎ接合及び低屈折率
   層も凹状に窪んだ形状を持つことを特徴とする半導体発
   光素子。 ３、前記Ｐ−Ｎ接合部がヘテロ多層膜で構成された量子
   井戸構造であることを特徴とする特許請求範囲第２項記
   載の半導体発光素子。 ４、前記半導体基板上にある凹状のＰ−Ｎ接合層と低屈
   率層よりなる光学系の焦点が半導体の外部にあることを
   特徴とする特許請求範囲第２項記載の半導体発光素子。 ５、前記Ｐ−Ｎ接合をＧａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ（
   ０＜ｘ＜０．４）、前記低屈折率層をＧａ＿１＿−＿ｙ
   Ａｌ＿ｙＡｓ（ｙ＞ｘ）で構成したことを特徴とする特
   許請求範囲第２項又は第３項又は第４項記載の半導体発
   光素子。 ６、前記Ｐ−Ｎ接合をＩｎＰ、前記低屈折率層をＩｎＧ
   ａＡｓＰで構成したことを特徴とする特許請求範囲第２
   項又は第３項又は第４項記載の半導体発光素子。 ７、前記Ｐ−Ｎ接合をＩｎ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ＿
   ｙＰ＿１＿−＿ｙ、前記低屈折率層をＩｎ＿ｕＧａ＿１
   ＿−＿ｕＡｓ＿ｖＰ＿１＿−＿ｖ（ｘ≦ｕ、ｙ≦ｖ）で
   構成したことを特徴とする特許請求範囲第２項又は第３
   項又は第４項記載の半導体発光素子。 ８、前記低屈折率層は、前記Ｐ−Ｎ接合部よりも屈折率
   が低く、少なくとも２種類の化合物半導体を交互にｎ層
   積層することにより構成され、その膜厚はほぼ λ＝４ｎ＿１ｈ＿１＝４ｎ＿２ｈ＿２＝……………但し
   、λ；光の波長 ｎ＿１、ｎ＿２；多層膜の屈折率 ｈ＿１、ｈ＿２；多層膜の厚さ を満足することを特徴とする特許請求範囲第２項乃至第
   ４項のうちいずれかに記載の半導体発光素子。