JPH05275739A - 改善された発光ダイオード - Google Patents
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- JPH05275739A JPH05275739A JP34186192A JP34186192A JPH05275739A JP H05275739 A JPH05275739 A JP H05275739A JP 34186192 A JP34186192 A JP 34186192A JP 34186192 A JP34186192 A JP 34186192A JP H05275739 A JPH05275739 A JP H05275739A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 通常のＬＥＤより発光効率が高く，またスペ
クトル線幅の狭いＬＥＤを提供する。 【構成】 底部電極１１をつけた基板（例えばＧａＡ
ｓ）１２上にＧａＡｓとＡｌＡｓまたは適当な化合物半
導体の混晶で屈折率が半波長の整数倍で周期的に変化す
るＤＢＲミラー層１３，底部閉じ込め層１４，活性層１
５，接触層１７，最上部電極１８を順に積層する。電極
１８には光出射用の開孔１９を設ける。接触層１７と電
極１８との界面が上部ミラーとして働き，これとＤＢＲ
ミラー層１３とでファブリ・ペロー共振器を形成し，活
性層１５はこの共振器内に位置する。 【効果】 共振器の上下のミラーの反射率をレーザの場
合より低く設定しているので，レーザではなくＬＥＤと
して動作し，共振器をもたない通常のＬＥＤよりも効率
よく，かつ狭い線幅で自然放出光を取り出し得る。
クトル線幅の狭いＬＥＤを提供する。 【構成】 底部電極１１をつけた基板（例えばＧａＡ
ｓ）１２上にＧａＡｓとＡｌＡｓまたは適当な化合物半
導体の混晶で屈折率が半波長の整数倍で周期的に変化す
るＤＢＲミラー層１３，底部閉じ込め層１４，活性層１
５，接触層１７，最上部電極１８を順に積層する。電極
１８には光出射用の開孔１９を設ける。接触層１７と電
極１８との界面が上部ミラーとして働き，これとＤＢＲ
ミラー層１３とでファブリ・ペロー共振器を形成し，活
性層１５はこの共振器内に位置する。 【効果】 共振器の上下のミラーの反射率をレーザの場
合より低く設定しているので，レーザではなくＬＥＤと
して動作し，共振器をもたない通常のＬＥＤよりも効率
よく，かつ狭い線幅で自然放出光を取り出し得る。
Description
【０００１】
【技術分野】本発明は発光ダイオードに係る。
【本発明の背景】順方向バイアス条件下で自発的に光を
放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）は、指示用光、可視
表示の要素、光データリンク用光源、光ファイバ伝送な
ど、各種の用途をもっている。光ファイバ通信用に特に
関心がもたれるのは、光がデバイスの最上面から放出さ
れるデバイスである。
放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）は、指示用光、可視
表示の要素、光データリンク用光源、光ファイバ伝送な
ど、各種の用途をもっている。光ファイバ通信用に特に
関心がもたれるのは、光がデバイスの最上面から放出さ
れるデバイスである。
【０００２】光ファイバ通信に用いられる従来技術のＬ
ＥＤは、典型的な場合、光はデバイスの基板層上にある
最上部電極中の開孔を通して放出される。典型的な従来
技術のＬＥＤは、下方へ順に、最上部電極、基板、最上
部閉じ込め層、活性層、底部閉じ込め層、底部接触層、
比較的小面積の中心に置かれた底部電極、底部接触層の
残りの部分上にある誘電体層及びヒートシンクを含む。
最上部電極は、中心に配置された開孔を有し、それを通
して自発発光が起る。ＬＥＤからの光放射は、光ファイ
バにより受けてもよく、その端部は電極開孔内の基板表
面に隣接させてもよい。放出された光のより大きな割合
を受けるために、ＬＥＤには垂直井戸を設けてもよい。
それは基板中を同心状に、閉じ込め層の表面までエッチ
され、それによって光ファイバの端部を放射源により近
くもっていくことができる。別の点で、最上部電極中の
円状開孔を通して放出された光を、受けて、光ファイバ
のコア中に焦点をあわせるために、基板の表面中に、レ
ンズを集積化して形成してもよい。たとえば、エス・エ
ム・シー（S. M. Sze)、半導体デバイス・物理及び技
術、ジョーン・ウィリー・アンド・サンズ，ニューヨー
ク，１９８５，２５８−２６７頁及び、ニロイ・ケイ・
デュッタ（Niloy K. Dutta）による論文、“光波応用の
ための III−Ｖデバイス技術”、エイ・ティ・アンド・
ティ・テクニカル・ジャーナル（AT & T Technical
Journal ）第６８巻，第１号，１９８９年１月−２月，
５−１８頁を参照のこと。
ＥＤは、典型的な場合、光はデバイスの基板層上にある
最上部電極中の開孔を通して放出される。典型的な従来
技術のＬＥＤは、下方へ順に、最上部電極、基板、最上
部閉じ込め層、活性層、底部閉じ込め層、底部接触層、
比較的小面積の中心に置かれた底部電極、底部接触層の
残りの部分上にある誘電体層及びヒートシンクを含む。
最上部電極は、中心に配置された開孔を有し、それを通
して自発発光が起る。ＬＥＤからの光放射は、光ファイ
バにより受けてもよく、その端部は電極開孔内の基板表
面に隣接させてもよい。放出された光のより大きな割合
を受けるために、ＬＥＤには垂直井戸を設けてもよい。
それは基板中を同心状に、閉じ込め層の表面までエッチ
され、それによって光ファイバの端部を放射源により近
くもっていくことができる。別の点で、最上部電極中の
円状開孔を通して放出された光を、受けて、光ファイバ
のコア中に焦点をあわせるために、基板の表面中に、レ
ンズを集積化して形成してもよい。たとえば、エス・エ
ム・シー（S. M. Sze)、半導体デバイス・物理及び技
術、ジョーン・ウィリー・アンド・サンズ，ニューヨー
ク，１９８５，２５８−２６７頁及び、ニロイ・ケイ・
デュッタ（Niloy K. Dutta）による論文、“光波応用の
ための III−Ｖデバイス技術”、エイ・ティ・アンド・
ティ・テクニカル・ジャーナル（AT & T Technical
Journal ）第６８巻，第１号，１９８９年１月−２月，
５−１８頁を参照のこと。
【０００３】不幸にして、現在のＬＥＤには多くの問題
点がある。ＬＥＤ中の発光は自発的で、従って１ないし
１０ナノ秒オーダーの時間に限られている。従って、Ｌ
ＥＤの変調速度もＬＥＤの自発的な寿命により、制限さ
れている。これは、 fmax ＝２００−４００Mbit/sの最
大変調周波数を制限している。次に、活性領域中の光放
射は等方的、すなわち全方向に向いており、放射の一部
分のみが、最上部電極中の開孔を通して基体から出る。
ＬＥＤのスペクトル線幅は１．８kTオーダーと広い。こ
こでkTは熱エネルギーである。これにより、マルチモー
ド光ファイバ中で色分散、すなわちパルスの広がりが生
じ、そのためＬＥＤにより放出された光の最大伝送距離
は、高伝送速度において、数キロメートルに限定され
る。
点がある。ＬＥＤ中の発光は自発的で、従って１ないし
１０ナノ秒オーダーの時間に限られている。従って、Ｌ
ＥＤの変調速度もＬＥＤの自発的な寿命により、制限さ
れている。これは、 fmax ＝２００−４００Mbit/sの最
大変調周波数を制限している。次に、活性領域中の光放
射は等方的、すなわち全方向に向いており、放射の一部
分のみが、最上部電極中の開孔を通して基体から出る。
ＬＥＤのスペクトル線幅は１．８kTオーダーと広い。こ
こでkTは熱エネルギーである。これにより、マルチモー
ド光ファイバ中で色分散、すなわちパルスの広がりが生
じ、そのためＬＥＤにより放出された光の最大伝送距離
は、高伝送速度において、数キロメートルに限定され
る。
【０００４】ＬＥＤの特性を改善しようとする試みがな
された。たとえば、１９９１年９月１０日にヒデト・ス
ガワラ（Hideto Sugawara)に承認された米国特許第５，
０５８，０３５号に述べられているＬＥＤは、より高い
光引出し効率及びルミネセンスをもつように、中心に置
かれた最上部電極とルミネセンス空胴の間に、特別の電
流阻止半導体層を設けることによって、ＬＥＤの最上部
面からの光の放射を増す試みが行われている。最上部電
極からの電流は、電流阻止層により、発光領域に広く広
がり、従来のＬＥＤより高い光引出し及びルミネセンス
が得られる。このＬＥＤは上に向って順に、底部電極、
基板、底部層、活性層、最上部閉じ込め層、電流阻止
層、点状最上部接触層及び接触層上にある点状最上部電
極を含む。最上部電極領域を除いて、発光は上部半導体
表面から起り、基板を通してではない。しかし、そのよ
うな放射が表示及びＬＥＤランプ用に適してはいるが、
この放射は自発発光の狭い線幅を必要とする光ファイバ
通信には適さない。
された。たとえば、１９９１年９月１０日にヒデト・ス
ガワラ（Hideto Sugawara)に承認された米国特許第５，
０５８，０３５号に述べられているＬＥＤは、より高い
光引出し効率及びルミネセンスをもつように、中心に置
かれた最上部電極とルミネセンス空胴の間に、特別の電
流阻止半導体層を設けることによって、ＬＥＤの最上部
面からの光の放射を増す試みが行われている。最上部電
極からの電流は、電流阻止層により、発光領域に広く広
がり、従来のＬＥＤより高い光引出し及びルミネセンス
が得られる。このＬＥＤは上に向って順に、底部電極、
基板、底部層、活性層、最上部閉じ込め層、電流阻止
層、点状最上部接触層及び接触層上にある点状最上部電
極を含む。最上部電極領域を除いて、発光は上部半導体
表面から起り、基板を通してではない。しかし、そのよ
うな放射が表示及びＬＥＤランプ用に適してはいるが、
この放射は自発発光の狭い線幅を必要とする光ファイバ
通信には適さない。
【０００５】ＬＥＤのルミネセンス出力を改善しようと
するもう１つの試みについては、ティー・カトー（T. K
ato)らによる論文、“ＭＯＣＶＤにより成長させたブラ
ッグ反射器を有するGaAs／GaAlAs面発光ＩＲＬＥＤ”ジ
ャーナル・オブ・クリスタル・グロウス（Journal of
Crystal Growth) 、第１０７巻（１９９１）、８３
２−８３５頁、ノースホランド、に述べられている。こ
のＬＥＤの構造は、スガワラ（Sugawara) らのデバイス
の構造に、一般的には似ている。すなわち、その構造に
おいて、基板はデバイスの底部にあり、最上部電極はデ
バイスの最上部表面の中心にある。しかし、このデバイ
ス中に電流阻止層はなく、接触層は最上部閉じ込め層の
表面の全体上にあり、接触層の最上部表面は、最上部表
面−空気界面からの反射を防止するため、反射防止層で
被覆されている。このＬＥＤはまた、基板とデバイスの
底部閉じ込め層の間に、多層分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）を含む。ＤＢＲの目的は、基板による光放射の吸収
を減すことである。このデバイスにおいて、スガワラ
（Sugawara) らのデバイスと同様、放射はＬＥＤの周辺
部から起り、最上部電極により被覆された領域を除い
て、基本的に最上部表面から起る。そのような放射は表
示及びＬＥＤランプには適するが、この放射もまた光フ
ァイバ通信には適さない。従って、光ファイバ通信に適
した改善された発光特性を有するＬＥＤを設計すること
が望ましい。
するもう１つの試みについては、ティー・カトー（T. K
ato)らによる論文、“ＭＯＣＶＤにより成長させたブラ
ッグ反射器を有するGaAs／GaAlAs面発光ＩＲＬＥＤ”ジ
ャーナル・オブ・クリスタル・グロウス（Journal of
Crystal Growth) 、第１０７巻（１９９１）、８３
２−８３５頁、ノースホランド、に述べられている。こ
のＬＥＤの構造は、スガワラ（Sugawara) らのデバイス
の構造に、一般的には似ている。すなわち、その構造に
おいて、基板はデバイスの底部にあり、最上部電極はデ
バイスの最上部表面の中心にある。しかし、このデバイ
ス中に電流阻止層はなく、接触層は最上部閉じ込め層の
表面の全体上にあり、接触層の最上部表面は、最上部表
面−空気界面からの反射を防止するため、反射防止層で
被覆されている。このＬＥＤはまた、基板とデバイスの
底部閉じ込め層の間に、多層分布ブラッグ反射器（ＤＢ
Ｒ）を含む。ＤＢＲの目的は、基板による光放射の吸収
を減すことである。このデバイスにおいて、スガワラ
（Sugawara) らのデバイスと同様、放射はＬＥＤの周辺
部から起り、最上部電極により被覆された領域を除い
て、基本的に最上部表面から起る。そのような放射は表
示及びＬＥＤランプには適するが、この放射もまた光フ
ァイバ通信には適さない。従って、光ファイバ通信に適
した改善された発光特性を有するＬＥＤを設計すること
が望ましい。
【０００６】
【本発明の概要】本発明は改善された発光特性を有する
ＬＥＤを実現する。ＬＥＤの光空胴は最上部電極の近く
にあり、発光はデバイスの基板側とは反対のＬＥＤの最
上部表面の中心部分を通して起る。ＬＥＤの光空胴は活
性層（又は領域）と閉じ込め層を含み、ファブリーペロ
ー共振空胴内にある。以後共振空胴ＬＥＤ又はＲＣＬＥ
Ｄとよぶ共振空胴を有するＬＥＤは、従来のＬＥＤに比
べ、より高いスペクトル純度とより高い発光強度をも
つ。ファブリーペロー空胴は高反射率多層分布ブラッグ
反射（ＤＢＲ）ミラー（ＲB ≧０．９９）及び低いない
し中反射率（ＲT は約０．２５−０．９９）のミラーで
形成される。ＤＢＲミラーは基板及び閉じ込め底部層間
のＲＣＬＥＤ構造中に置かれ、底部ミラーとして用いら
れる。活性領域上に反射率のより低い（最上部）ミラー
が存在することにより、方向性発光特性に予想されない
改善が得られる。これら２つのミラーにより形成される
ファブリーペロー共振空胴を用いると、活性領域から自
発発光が得られ、それは空胴のモードに限定される。底
部ＤＢＲミラーは基板の方へ放射される光の部分の、基
板による吸収を減し、共振空胴の２つのミラーは等方性
放射を減し、より方向性（非等方性）放射という点で、
発光特性を改善する。
ＬＥＤを実現する。ＬＥＤの光空胴は最上部電極の近く
にあり、発光はデバイスの基板側とは反対のＬＥＤの最
上部表面の中心部分を通して起る。ＬＥＤの光空胴は活
性層（又は領域）と閉じ込め層を含み、ファブリーペロ
ー共振空胴内にある。以後共振空胴ＬＥＤ又はＲＣＬＥ
Ｄとよぶ共振空胴を有するＬＥＤは、従来のＬＥＤに比
べ、より高いスペクトル純度とより高い発光強度をも
つ。ファブリーペロー空胴は高反射率多層分布ブラッグ
反射（ＤＢＲ）ミラー（ＲB ≧０．９９）及び低いない
し中反射率（ＲT は約０．２５−０．９９）のミラーで
形成される。ＤＢＲミラーは基板及び閉じ込め底部層間
のＲＣＬＥＤ構造中に置かれ、底部ミラーとして用いら
れる。活性領域上に反射率のより低い（最上部）ミラー
が存在することにより、方向性発光特性に予想されない
改善が得られる。これら２つのミラーにより形成される
ファブリーペロー共振空胴を用いると、活性領域から自
発発光が得られ、それは空胴のモードに限定される。底
部ＤＢＲミラーは基板の方へ放射される光の部分の、基
板による吸収を減し、共振空胴の２つのミラーは等方性
放射を減し、より方向性（非等方性）放射という点で、
発光特性を改善する。
【０００７】
【詳細な記述】本発明はＬＥＤの新しい概念を具体化す
るもので、以後共振空胴ＬＥＤ又は単にＲＣＬＥＤとよ
ぶ。このＲＣＬＥＤにおいて、ＬＥＤの自発エレクトロ
ルミネセンス光空胴は、ファブリーペロー共振空胴内に
置かれる。光空胴は少くとも１つの閉じ込め層を含む
が、典型的な場合、最上部及び底部閉じ込め層及び２つ
の間にはさまれた活性層又は領域を含む。光空胴はファ
ブリーペロー空胴の２つのミラー間に配置され、光空胴
が低吸収・高反射分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）底部ミラ
ー（ＲB ≧０．９９）と、低ないし中反射率（ＲT は約
０．２５−０．９９、好ましくは０．５０ないし０．９
９）の最上部ミラーにより規定されたファブリーペロー
共振空胴内にあるようになっている。底部ＤＢＲミラー
は基板及び光空胴間に配置され、一方最上部ミラーは最
上部閉じ込め層の上にある。光空胴の長さ（Ｌ）は、比
較的小さい。光空胴長（Ｌ）はλ／２の小さな整数倍
で、Ｌ＝Ｎλ／２である。ここで、Ｎは１ないし５の小
さな整数、λは活性層の自発発光の波長である。このＲ
ＣＬＥＤの光学特性は、従来型のＬＥＤより優れてい
る。この構造はまた、プレーナ技術によるＲＣＬＥＤの
作製を可能にし、そのため製造プロセスの複雑さは、従
来のＬＥＤに比べ、ある程度増すだけである。改善され
たＲＣＬＥＤの構造は、 III−Ｖ又はII−VI化合物半導
体を基礎にしてよく、III−Ｖ半導体はGaAs、AlAs、AlG
aAs、GaInAs、InP 、AlInP 、GaInPAs 、AlGaInAs、AlG
aInPAs 及びそれらの合金を含む。
るもので、以後共振空胴ＬＥＤ又は単にＲＣＬＥＤとよ
ぶ。このＲＣＬＥＤにおいて、ＬＥＤの自発エレクトロ
ルミネセンス光空胴は、ファブリーペロー共振空胴内に
置かれる。光空胴は少くとも１つの閉じ込め層を含む
が、典型的な場合、最上部及び底部閉じ込め層及び２つ
の間にはさまれた活性層又は領域を含む。光空胴はファ
ブリーペロー空胴の２つのミラー間に配置され、光空胴
が低吸収・高反射分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）底部ミラ
ー（ＲB ≧０．９９）と、低ないし中反射率（ＲT は約
０．２５−０．９９、好ましくは０．５０ないし０．９
９）の最上部ミラーにより規定されたファブリーペロー
共振空胴内にあるようになっている。底部ＤＢＲミラー
は基板及び光空胴間に配置され、一方最上部ミラーは最
上部閉じ込め層の上にある。光空胴の長さ（Ｌ）は、比
較的小さい。光空胴長（Ｌ）はλ／２の小さな整数倍
で、Ｌ＝Ｎλ／２である。ここで、Ｎは１ないし５の小
さな整数、λは活性層の自発発光の波長である。このＲ
ＣＬＥＤの光学特性は、従来型のＬＥＤより優れてい
る。この構造はまた、プレーナ技術によるＲＣＬＥＤの
作製を可能にし、そのため製造プロセスの複雑さは、従
来のＬＥＤに比べ、ある程度増すだけである。改善され
たＲＣＬＥＤの構造は、 III−Ｖ又はII−VI化合物半導
体を基礎にしてよく、III−Ｖ半導体はGaAs、AlAs、AlG
aAs、GaInAs、InP 、AlInP 、GaInPAs 、AlGaInAs、AlG
aInPAs 及びそれらの合金を含む。
【０００８】活性エレクトロルミネセンス領域をファブ
リーペロー共振空胴内に配置することにより、従来のＬ
ＥＤに比べＲＣＬＥＤのいくつかの明らかな利点が生
じ、それらのいくつかについて、以下で概略を述べる。
リーペロー共振空胴内に配置することにより、従来のＬ
ＥＤに比べＲＣＬＥＤのいくつかの明らかな利点が生
じ、それらのいくつかについて、以下で概略を述べる。
【０００９】第１に、ＲＣＬＥＤ中の自発発光が増すこ
とは、光空胴をファブリーペロー共振空胴中に配置する
ことから生じる。自発発光の確率は、最初と最後の電子
状態の光マトリクス要素と、光モード密度に比例する。
キャリヤ寿命の変化は、ファブリーペロー空胴中の強く
変る光モード密度による。ファブリーペロー共振器中の
光モード密度は、一共振波長の場合、強く増進される。
共振からはずれた光遷移は、より長い寿命をもち、共振
にあった遷移はより短い寿命をもつ。従って、ＲＣＬＥ
Ｄの自発発光は、空胴の光共振モードに“チャネルを開
いて”入れられる。その結果、ＲＣＬＥＤの共振にあっ
た遷移は増進される。
とは、光空胴をファブリーペロー共振空胴中に配置する
ことから生じる。自発発光の確率は、最初と最後の電子
状態の光マトリクス要素と、光モード密度に比例する。
キャリヤ寿命の変化は、ファブリーペロー空胴中の強く
変る光モード密度による。ファブリーペロー共振器中の
光モード密度は、一共振波長の場合、強く増進される。
共振からはずれた光遷移は、より長い寿命をもち、共振
にあった遷移はより短い寿命をもつ。従って、ＲＣＬＥ
Ｄの自発発光は、空胴の光共振モードに“チャネルを開
いて”入れられる。その結果、ＲＣＬＥＤの共振にあっ
た遷移は増進される。
【００１０】第２に、ＲＣＬＥＤデバイスの最上部電極
側を通った光の放射は、底部閉じ込め層に隣接した高反
射ミラーにより、増進される。従来のＬＥＤ中の発光
は、典型的な場合等方的に近く、典型的な場合基板を貫
いて起る。しかし、ＲＣＬＥＤ構造においては、基板を
貫く放射は、最上部反射ミラーよりはるかに高い反射率
をもつ。すなわちＲB >>ＲT である底部ミラーにより阻
止される。その結果、空胴の光学軸に沿った光の伝搬
は、主に最上部ミラーを貫いて、空胴から出る。ＲＣＬ
ＥＤの非等方性放射スペクトルは、最上部側を通る方が
２倍増進される。
側を通った光の放射は、底部閉じ込め層に隣接した高反
射ミラーにより、増進される。従来のＬＥＤ中の発光
は、典型的な場合等方的に近く、典型的な場合基板を貫
いて起る。しかし、ＲＣＬＥＤ構造においては、基板を
貫く放射は、最上部反射ミラーよりはるかに高い反射率
をもつ。すなわちＲB >>ＲT である底部ミラーにより阻
止される。その結果、空胴の光学軸に沿った光の伝搬
は、主に最上部ミラーを貫いて、空胴から出る。ＲＣＬ
ＥＤの非等方性放射スペクトルは、最上部側を通る方が
２倍増進される。
【００１１】第３に、ＲＣＬＥＤの改善されたスペクト
ル純度により、デバイスは光ファイバ通信用に、より適
する。従来のＬＥＤは伝導帯及び価電子帯中の状態密度
と、１．８kTオーダーのキャリヤの熱エネルギー又は典
型的な線幅によって決るスペクトル線幅を有する。ここ
で、kTは熱エネルギーである。ＲＣＬＥＤでははるかに
良好なスペクトル純度が達成できる。発光線幅は空胴の
フィネスの関数である。従って、線幅は固定されたパラ
メータではなく、空胴特性により設計できる。シリカ光
ファイバ用においては、スペクトル純度は基本的に重要
で、高フィネス空胴設計により達成できる。活性領域か
らの自発発光は、光空胴のモードへの発光に制限される
から、空胴のフィネスはＲＣＬＥＤの線幅の評価を可能
にする。同一面ファブリーペロー空胴のフィネスは、次
式で与えられる。
ル純度により、デバイスは光ファイバ通信用に、より適
する。従来のＬＥＤは伝導帯及び価電子帯中の状態密度
と、１．８kTオーダーのキャリヤの熱エネルギー又は典
型的な線幅によって決るスペクトル線幅を有する。ここ
で、kTは熱エネルギーである。ＲＣＬＥＤでははるかに
良好なスペクトル純度が達成できる。発光線幅は空胴の
フィネスの関数である。従って、線幅は固定されたパラ
メータではなく、空胴特性により設計できる。シリカ光
ファイバ用においては、スペクトル純度は基本的に重要
で、高フィネス空胴設計により達成できる。活性領域か
らの自発発光は、光空胴のモードへの発光に制限される
から、空胴のフィネスはＲＣＬＥＤの線幅の評価を可能
にする。同一面ファブリーペロー空胴のフィネスは、次
式で与えられる。
【００１２】
【数１】
【００１３】ここで、Lcは光空胴長、Δν及びνはファ
ブリーペロー共振器モードの線幅及び間隔、ＲB 及びＲ
T はそれぞれ底部及び最上部ミラーの反射率である。こ
の式において、吸収損は無視されている。たとえば、Lc
＝λ、ｈν＝１．４２ｅＶ及びＲB ＲT ＝０．９なら、
Ｆは約１２０のフィネスを生じる。対応する線幅はｈΔ
ν＝１２meV で、これは室温ではkTよりはるかに狭い。
ＲＣＬＥＤに固有のスペクトル純度により、デバイスは
もしシリカファイバ中での光通信に使われても、色分散
は小さいと予想される。
ブリーペロー共振器モードの線幅及び間隔、ＲB 及びＲ
T はそれぞれ底部及び最上部ミラーの反射率である。こ
の式において、吸収損は無視されている。たとえば、Lc
＝λ、ｈν＝１．４２ｅＶ及びＲB ＲT ＝０．９なら、
Ｆは約１２０のフィネスを生じる。対応する線幅はｈΔ
ν＝１２meV で、これは室温ではkTよりはるかに狭い。
ＲＣＬＥＤに固有のスペクトル純度により、デバイスは
もしシリカファイバ中での光通信に使われても、色分散
は小さいと予想される。
【００１４】説明のために、本発明について、ｘが０か
ら１まで変化するAlx Ga1-x As/GaAs 材料系に基礎をお
くデバイスを例に述べる。同じ目的で、ＲＣＬＥＤの各
種実施例の要素は、相対的な寸法が、実際とは異なる。
ら１まで変化するAlx Ga1-x As/GaAs 材料系に基礎をお
くデバイスを例に述べる。同じ目的で、ＲＣＬＥＤの各
種実施例の要素は、相対的な寸法が、実際とは異なる。
【００１５】図１は本発明に従うＲＣＬＥＤの一実施例
の一般的な概略図である。この実施例のＲＣＬＥＤは、
一般に１０と印され、底部電極１１、基板１２、底部Ｄ
ＢＲミラー１３を形成する半導体層の複数の対の四分の
一波長積層を含む。各対の一層は対のもう一方の層の屈
折率とは異なる屈折率を有する。底部閉じ込め層１４、
活性層又は領域１５、最上部閉じ込め層１６、高濃度ド
ープ接触層１７及び中心に位置する開孔１９を有する最
上部電極１８が含まれる。この実施例において、ファブ
リーペロー空胴の最上部ミラーは、接触層１７及び開孔
１９内の空気間の界面により形成される。そのようなミ
ラーは、０．２５ないし０．３５のオーダーの反射率を
有する。光放射は開孔を通して起る。図示されていない
が、閉じ込め層及びバッフア層を追加して構造中に含め
てもよい。
の一般的な概略図である。この実施例のＲＣＬＥＤは、
一般に１０と印され、底部電極１１、基板１２、底部Ｄ
ＢＲミラー１３を形成する半導体層の複数の対の四分の
一波長積層を含む。各対の一層は対のもう一方の層の屈
折率とは異なる屈折率を有する。底部閉じ込め層１４、
活性層又は領域１５、最上部閉じ込め層１６、高濃度ド
ープ接触層１７及び中心に位置する開孔１９を有する最
上部電極１８が含まれる。この実施例において、ファブ
リーペロー空胴の最上部ミラーは、接触層１７及び開孔
１９内の空気間の界面により形成される。そのようなミ
ラーは、０．２５ないし０．３５のオーダーの反射率を
有する。光放射は開孔を通して起る。図示されていない
が、閉じ込め層及びバッフア層を追加して構造中に含め
てもよい。
【００１６】本発明に従うＲＣＬＥＤ１０の構造は、一
般に以下のように説明される。自発発光を起させるため
に、活性領域に垂直にそれを貫いて電流を流すように、
１ないし１０μm 厚の金属電極１１が、基板１２の底面
に形成される。典型的な場合、底部電極１１は、デバイ
スが組上った後、形成される。ＲＣＬＥＤは底部電極１
１を、デバイスの材料を汚染しない、たとえば銅又は他
の熱伝導性材料のヒートシンクプレートと接触させて、
マウントしてよい。
般に以下のように説明される。自発発光を起させるため
に、活性領域に垂直にそれを貫いて電流を流すように、
１ないし１０μm 厚の金属電極１１が、基板１２の底面
に形成される。典型的な場合、底部電極１１は、デバイ
スが組上った後、形成される。ＲＣＬＥＤは底部電極１
１を、デバイスの材料を汚染しない、たとえば銅又は他
の熱伝導性材料のヒートシンクプレートと接触させて、
マウントしてよい。
【００１７】基板１２は高濃度ドープｎ+ 形（又はｐ
形） III−Ｖ又はII−VI半導体、たとえばGaAs又はAlGa
Asである。典型的な場合、基板の厚さは１００ないし５
００μm の範囲で、基板のドーピング濃度は１×１０17
ないし１×１０19cm-3の範囲である。光−電子集積回路
のようなある種の用途によっては、基板１２は最初シリ
コンのマスター基板上に成長させてもよく、それはマス
ター基板上に成長させる多くのデバイスに共通である。
形） III−Ｖ又はII−VI半導体、たとえばGaAs又はAlGa
Asである。典型的な場合、基板の厚さは１００ないし５
００μm の範囲で、基板のドーピング濃度は１×１０17
ないし１×１０19cm-3の範囲である。光−電子集積回路
のようなある種の用途によっては、基板１２は最初シリ
コンのマスター基板上に成長させてもよく、それはマス
ター基板上に成長させる多くのデバイスに共通である。
【００１８】四分の一波長積層１３は典型的な場合１０
ないし４０の範囲の多層底部ＤＢＲミラーを形成する半
導体層の、複数の対（又は周期）を含む。各対の一方の
半導体層は、対の他方の半導体層より高い屈折率を有す
る。対の中の各半導体層の厚さは、λ／４ｎに等しい。
ここで、λはＬＥＤの活性領域の自発発光の波長、ｎは
半導体材料の屈折率である。GaAsのようにλ＝０．８７
μm で自発発光する活性領域を有するデバイスの場合、
それぞれ3.６４及び2.９７の屈折率を有するGaAs及びAl
Asのような半導体の対の四分の一波長積層の場合、６２
nm厚のGaAs層及び７３nm厚のAlAs層から成り、一方AlAs
とAl0.05Ga0.95Asの積層は、７３nm及び６０nm厚の対を
含む。底部ミラーの材料は、ミラーの全屈折率Ｒが、た
とえばＲB ≧０．９９となり、一方多層ミラー構造によ
るルミネセンス放射の吸収は最小になるように選択され
ることは重要である。
ないし４０の範囲の多層底部ＤＢＲミラーを形成する半
導体層の、複数の対（又は周期）を含む。各対の一方の
半導体層は、対の他方の半導体層より高い屈折率を有す
る。対の中の各半導体層の厚さは、λ／４ｎに等しい。
ここで、λはＬＥＤの活性領域の自発発光の波長、ｎは
半導体材料の屈折率である。GaAsのようにλ＝０．８７
μm で自発発光する活性領域を有するデバイスの場合、
それぞれ3.６４及び2.９７の屈折率を有するGaAs及びAl
Asのような半導体の対の四分の一波長積層の場合、６２
nm厚のGaAs層及び７３nm厚のAlAs層から成り、一方AlAs
とAl0.05Ga0.95Asの積層は、７３nm及び６０nm厚の対を
含む。底部ミラーの材料は、ミラーの全屈折率Ｒが、た
とえばＲB ≧０．９９となり、一方多層ミラー構造によ
るルミネセンス放射の吸収は最小になるように選択され
ることは重要である。
【００１９】底部閉じ込め層１４及び最上部閉じ込め層
１６は、活性領域１５に閉じ込め、活性領域と閉じ込め
層で形成される光空胴の長さ（Ｌ）を調整するために設
けられる。（これらの閉じ込め層は、クラッド又は位相
整合層とよんでもよい。）ＲＣＬＥＤの光空胴長（Ｌ）
は、λ／２の整数倍にすべきである。従って、Ｌ＝Ｎλ
／２で、Ｎは１から５までの小さな整数、λは活性層の
自発発光の光波長である。典型的な場合、各閉じ込め層
の厚さは、０ないし３μm の範囲である。構造的な干渉
を得るために、閉じ込め層の厚さは、λ／２又はλ／４
の整数倍とすべきである。（０°及びπの位相変化を仮
定する。）実施例において、閉じ込め領域はAlx Ga1-x
Asで、ｘは０．１ないし０．４の範囲である。
１６は、活性領域１５に閉じ込め、活性領域と閉じ込め
層で形成される光空胴の長さ（Ｌ）を調整するために設
けられる。（これらの閉じ込め層は、クラッド又は位相
整合層とよんでもよい。）ＲＣＬＥＤの光空胴長（Ｌ）
は、λ／２の整数倍にすべきである。従って、Ｌ＝Ｎλ
／２で、Ｎは１から５までの小さな整数、λは活性層の
自発発光の光波長である。典型的な場合、各閉じ込め層
の厚さは、０ないし３μm の範囲である。構造的な干渉
を得るために、閉じ込め層の厚さは、λ／２又はλ／４
の整数倍とすべきである。（０°及びπの位相変化を仮
定する。）実施例において、閉じ込め領域はAlx Ga1-x
Asで、ｘは０．１ないし０．４の範囲である。
【００２０】活性領域１５は適切なバイアス下で、自発
発光が起る領域である。一実施例において、活性領域は
GaAsの薄い低濃度ドープ（１×１０16−５×１０17c
m-3）層である。活性領域は閉じ込め半導体材料又は絶
縁性材料によって閉じ込められる単一層又は横方向に閉
じ込められる領域の形でよい。後者は活性領域メサを形
成し、再成長により周辺領域を満すよう、活性層の周辺
領域をエッチングすることにより形成してもよい。ある
いは、Ｈ+ 又はＯ+ のような陽子イオンを、活性層の周
辺領域に注入してもよい。単一活性層は、広禁制帯半導
体により閉じ込められた約１ないし３０nm厚の狭禁制帯
半導体から成る単一又は多量子井戸（ＱＷ）構造で置き
かえてもよい。あるいは、活性領域を形成する単一層
は、非常に薄い障壁を有する多量子井戸構造である超格
子構造により、置きかえてもよい。活性領域（ＱＷ、Ｍ
ＱＷ又はバルク半導体）は空胴内の光強度のアンチノー
ド位置に置くのが好ましい。
発光が起る領域である。一実施例において、活性領域は
GaAsの薄い低濃度ドープ（１×１０16−５×１０17c
m-3）層である。活性領域は閉じ込め半導体材料又は絶
縁性材料によって閉じ込められる単一層又は横方向に閉
じ込められる領域の形でよい。後者は活性領域メサを形
成し、再成長により周辺領域を満すよう、活性層の周辺
領域をエッチングすることにより形成してもよい。ある
いは、Ｈ+ 又はＯ+ のような陽子イオンを、活性層の周
辺領域に注入してもよい。単一活性層は、広禁制帯半導
体により閉じ込められた約１ないし３０nm厚の狭禁制帯
半導体から成る単一又は多量子井戸（ＱＷ）構造で置き
かえてもよい。あるいは、活性領域を形成する単一層
は、非常に薄い障壁を有する多量子井戸構造である超格
子構造により、置きかえてもよい。活性領域（ＱＷ、Ｍ
ＱＷ又はバルク半導体）は空胴内の光強度のアンチノー
ド位置に置くのが好ましい。
【００２１】最上部閉じ込め層１６と最上部電極１８の
間の非合金オーム性接触を容易に作るために、高濃度ド
ープ接触層１７を、０．０１ないし０．１μm の厚さに
形成する。典型的な場合、接触層１６中のドーピング濃
度は、１×１０19ないし１×１０20cm-3の範囲である。
電極１８は各種金属及びAu−Zn及びAu−Beを含む当業者
がこの目的によく用いる合金から選択された非合金オー
ム性接触である。そのような接触は１００ないし５００
℃、好ましくは１００ないし２５０℃の範囲の温度にお
ける蒸着で、堆積させる。より高い温度では金属の半導
体中への好ましくない合金化が起り、荒い界面形態を生
じうる。直径２０μm ないし１５０μm の開孔１９は、
電極１８の堆積前にレジストにより規定してもよく、電
極１８が形成された後、標準的なフォトリソグラフィ技
術により規定してもよい。
間の非合金オーム性接触を容易に作るために、高濃度ド
ープ接触層１７を、０．０１ないし０．１μm の厚さに
形成する。典型的な場合、接触層１６中のドーピング濃
度は、１×１０19ないし１×１０20cm-3の範囲である。
電極１８は各種金属及びAu−Zn及びAu−Beを含む当業者
がこの目的によく用いる合金から選択された非合金オー
ム性接触である。そのような接触は１００ないし５００
℃、好ましくは１００ないし２５０℃の範囲の温度にお
ける蒸着で、堆積させる。より高い温度では金属の半導
体中への好ましくない合金化が起り、荒い界面形態を生
じうる。直径２０μm ないし１５０μm の開孔１９は、
電極１８の堆積前にレジストにより規定してもよく、電
極１８が形成された後、標準的なフォトリソグラフィ技
術により規定してもよい。
【００２２】半導体層１３ないし１７は有機金属気相エ
ピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、有機金属化学気相堆積（Ｍ
ＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー又はハイドライド気相
エピタキシーのような周知の方法により、基板１１上に
成長させる。ＲＣＬＥＤ構造は、分子線エピタキシー技
術により、リベール２３００ＭＢＥシステム中で、高濃
度ドープ基板１２上に成長させるのが好ましい。層１３
ないし１７を成長させた後、部分的に形成された構造
は、別の高真空室に移され、そこで構造の最上部電極を
形成するのに所望の厚さに、非合金オーム性接触とし
て、金属層を接触層１７の表面上に堆積させる。たとえ
ばＩｎの底部電極１１を、次に基板１２の底面上に形成
してもよい。最後に、ＲＣＬＥＤの底面側を底部電極又
はエポキシ又は銀ハンダ又はインジウムハンダのような
電気的及び熱的に伝導性で粘着性のものにより、他のデ
バイスに共通のヒートシンクとして役立つCu、Au、Beの
ような金属の平板上に、マウントしてよい。
ピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、有機金属化学気相堆積（Ｍ
ＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー又はハイドライド気相
エピタキシーのような周知の方法により、基板１１上に
成長させる。ＲＣＬＥＤ構造は、分子線エピタキシー技
術により、リベール２３００ＭＢＥシステム中で、高濃
度ドープ基板１２上に成長させるのが好ましい。層１３
ないし１７を成長させた後、部分的に形成された構造
は、別の高真空室に移され、そこで構造の最上部電極を
形成するのに所望の厚さに、非合金オーム性接触とし
て、金属層を接触層１７の表面上に堆積させる。たとえ
ばＩｎの底部電極１１を、次に基板１２の底面上に形成
してもよい。最後に、ＲＣＬＥＤの底面側を底部電極又
はエポキシ又は銀ハンダ又はインジウムハンダのような
電気的及び熱的に伝導性で粘着性のものにより、他のデ
バイスに共通のヒートシンクとして役立つCu、Au、Beの
ような金属の平板上に、マウントしてよい。
【００２３】第１の実施例の具体例において、ＲＣＬＥ
ＤはAlx Ga1-x As/GaAs 系構造で、下から上へ、１ない
し２μm 厚のＩｎ電極１１、約５００μm 厚の（００
１）面の高濃度（２×１０18cm-3）ｎ+ GaAs基板１２、
ＤＢＲミラー構造を形成するｎ+ 形（５×１０17−５×
１０18cm-3）半導体層の３０対の四分の一波長積層から
成る底部ミラー１３を含む。積層の各対は、７３nm厚の
ｎ+ AlAs層、６０nm厚のAl0.14GaAs0.86As層から成る。
パーキン−エルマ・ラムダ９ＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲスペ
クトロメータで測定されたＤＢＲ構造（底部ミラー１
３）の反射スペクトルは、−０．８７μm は中心をも
ち、＞９９パーセントの反射率の広い高反射帯を示し
た。底部ミラーには約１４０nm厚のｎ+ Al0.20Ga0.80As
（５×１０17cm-3）の底部閉じ込め層１４、約１０nm厚
の低濃度ドープ（５×１０16cm-3）ｐ- −GaAsの活性
層、約８０nm厚のｐ+ −Al0.30Ga0.70As（５×１０16cm
-3）の最上部閉じ込め層１６が続く。約０．０６２５μ
m 厚のｐ+ −Al0.14Ga0.86Asの薄い高濃度Beドープ（５
×１０19cm-3）接触層１７を、オーム性接触が容易に形
成できるよう、最上部閉じ込め層上に堆積させる。Au−
Zn及びAu−Beのような金属合金から選択された最上部電
極１８を、別の高真空室中で、５０nmないし３００nmの
厚さに堆積させる。その後、直径２０μm の開孔を、エ
ッチングにより電極１８中に形成する。あるいは、開孔
１９を最上部電極の堆積前に、レジストにより規定して
もよい。
ＤはAlx Ga1-x As/GaAs 系構造で、下から上へ、１ない
し２μm 厚のＩｎ電極１１、約５００μm 厚の（００
１）面の高濃度（２×１０18cm-3）ｎ+ GaAs基板１２、
ＤＢＲミラー構造を形成するｎ+ 形（５×１０17−５×
１０18cm-3）半導体層の３０対の四分の一波長積層から
成る底部ミラー１３を含む。積層の各対は、７３nm厚の
ｎ+ AlAs層、６０nm厚のAl0.14GaAs0.86As層から成る。
パーキン−エルマ・ラムダ９ＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲスペ
クトロメータで測定されたＤＢＲ構造（底部ミラー１
３）の反射スペクトルは、−０．８７μm は中心をも
ち、＞９９パーセントの反射率の広い高反射帯を示し
た。底部ミラーには約１４０nm厚のｎ+ Al0.20Ga0.80As
（５×１０17cm-3）の底部閉じ込め層１４、約１０nm厚
の低濃度ドープ（５×１０16cm-3）ｐ- −GaAsの活性
層、約８０nm厚のｐ+ −Al0.30Ga0.70As（５×１０16cm
-3）の最上部閉じ込め層１６が続く。約０．０６２５μ
m 厚のｐ+ −Al0.14Ga0.86Asの薄い高濃度Beドープ（５
×１０19cm-3）接触層１７を、オーム性接触が容易に形
成できるよう、最上部閉じ込め層上に堆積させる。Au−
Zn及びAu−Beのような金属合金から選択された最上部電
極１８を、別の高真空室中で、５０nmないし３００nmの
厚さに堆積させる。その後、直径２０μm の開孔を、エ
ッチングにより電極１８中に形成する。あるいは、開孔
１９を最上部電極の堆積前に、レジストにより規定して
もよい。
【００２４】第１の実施例に従うＲＣＬＥＤの動作によ
り、同様の構造をもつがＤＢＲミラーのないＬＥＤに比
べ、光強度の質が向上する。これらの差は図２中に示さ
れている。この図で上の線は本発明に従うＲＣＬＥＤを
表わし、下の線は従来のＬＥＤを表わす。
り、同様の構造をもつがＤＢＲミラーのないＬＥＤに比
べ、光強度の質が向上する。これらの差は図２中に示さ
れている。この図で上の線は本発明に従うＲＣＬＥＤを
表わし、下の線は従来のＬＥＤを表わす。
【００２５】ＲＣＬＥＤ構造の別の実施例は、異なる最
上部ミラーを有するよう形成された。これらのそれぞれ
において、構造のほとんどは第１の実施例のそれに似て
いるが、最上部ミラー及び最上部電極は異なる。第１の
実施例のデバイスと同じ要素を指すため、異なる実施例
でも、あてはまる所では同じ数字が用いられている。つ
け加えた実施例のそれぞれにおいて、共振空胴は底部Ｄ
ＢＲミラー１３、底部閉じ込め層１４、活性領域１５、
最上部閉じ込め層１６、接触層１７及び最上部ミラー電
極から成る。材料の具体例として、共振空胴はｎ形AlAs
／Al0.14Ga0.86As底部ＤＢＲミラー１３、ｎ形Al0.30Ga
0.70As底部閉じ込め層１４、GaAs活性領域１５、ｐ形Al
0.30Ga0.70As最上部閉じ込め層１６、高濃度Beドープｐ
+ 形Al0. 14Ga0.86As接触層１７及び最上部ミラー電極で
形成される。最上部ミラー電極の材料については、各実
施例に別々に述べる。
上部ミラーを有するよう形成された。これらのそれぞれ
において、構造のほとんどは第１の実施例のそれに似て
いるが、最上部ミラー及び最上部電極は異なる。第１の
実施例のデバイスと同じ要素を指すため、異なる実施例
でも、あてはまる所では同じ数字が用いられている。つ
け加えた実施例のそれぞれにおいて、共振空胴は底部Ｄ
ＢＲミラー１３、底部閉じ込め層１４、活性領域１５、
最上部閉じ込め層１６、接触層１７及び最上部ミラー電
極から成る。材料の具体例として、共振空胴はｎ形AlAs
／Al0.14Ga0.86As底部ＤＢＲミラー１３、ｎ形Al0.30Ga
0.70As底部閉じ込め層１４、GaAs活性領域１５、ｐ形Al
0.30Ga0.70As最上部閉じ込め層１６、高濃度Beドープｐ
+ 形Al0. 14Ga0.86As接触層１７及び最上部ミラー電極で
形成される。最上部ミラー電極の材料については、各実
施例に別々に述べる。
【００２６】図３は本発明に従う第２の実施例の概略を
示す。この図において、薄いAg、Al又はAuドット電極
が、最上部電極３８として用いられ、それは電極及びＲ
ＣＬＥＤの最上部ミラーとして同時に働く。
示す。この図において、薄いAg、Al又はAuドット電極
が、最上部電極３８として用いられ、それは電極及びＲ
ＣＬＥＤの最上部ミラーとして同時に働く。
【００２７】銀は好ましい金属ミラー／電極として選ば
れる。なぜならば、活性材料GaAsの禁制帯に対応する約
０．８７μm の波長において、その導電率が良好で、反
射率が高いためである。電流の広がりがわずかであるた
め、（たとえばメサエッチ又は陽子照射のような）余分
な電流誘導は、構造中に必要ない。Ag接触は優れたオー
ム性を有する。薄いAg薄膜は、アンリツＭＳ９００１Ｂ
光スペクトルアナライザ及び白熱“白色”タングステン
光源で調べたところ、約５nmないし６０nmの範囲の厚さ
に対し、約４０パーセントないし９７パーセントの範囲
の反射率を有し、層が厚いほど反射率は高く、薄いAg層
ほど反射率は低い。これらのミラーの反射特性は、Ag層
の厚さを調整することにより、必要なように調整してよ
い。
れる。なぜならば、活性材料GaAsの禁制帯に対応する約
０．８７μm の波長において、その導電率が良好で、反
射率が高いためである。電流の広がりがわずかであるた
め、（たとえばメサエッチ又は陽子照射のような）余分
な電流誘導は、構造中に必要ない。Ag接触は優れたオー
ム性を有する。薄いAg薄膜は、アンリツＭＳ９００１Ｂ
光スペクトルアナライザ及び白熱“白色”タングステン
光源で調べたところ、約５nmないし６０nmの範囲の厚さ
に対し、約４０パーセントないし９７パーセントの範囲
の反射率を有し、層が厚いほど反射率は高く、薄いAg層
ほど反射率は低い。これらのミラーの反射特性は、Ag層
の厚さを調整することにより、必要なように調整してよ
い。
【００２８】リベール２３００ＭＢＥシステム中で成長
させたＲＣＬＥＤ構造を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で調
べたところ、GaAs活性領域の均一性と底部ミラー構造の
界面の鋭さが明らかになった。別の高真空室中で、１２
０℃で２００nmまでの各種厚さに堆積させたAg層をＸ線
θ／２θ走査したところ、Ag薄膜は多結晶であることが
明らかになった。５ないし１００ミクロンの範囲の直径
を有する円状Agドット３８を規定するために、標準的な
フォトリソグラフィ技術を用いた。不要のAg領域をエッ
チング除去するために、３HNO3：４H2O のエッチャント
を用いた。これにより、清浄で平滑な接触層１７のAlx
Ga1-x As面が残った。
させたＲＣＬＥＤ構造を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で調
べたところ、GaAs活性領域の均一性と底部ミラー構造の
界面の鋭さが明らかになった。別の高真空室中で、１２
０℃で２００nmまでの各種厚さに堆積させたAg層をＸ線
θ／２θ走査したところ、Ag薄膜は多結晶であることが
明らかになった。５ないし１００ミクロンの範囲の直径
を有する円状Agドット３８を規定するために、標準的な
フォトリソグラフィ技術を用いた。不要のAg領域をエッ
チング除去するために、３HNO3：４H2O のエッチャント
を用いた。これにより、清浄で平滑な接触層１７のAlx
Ga1-x As面が残った。
【００２９】これらのＲＣＬＥＤは微細プローブを用い
て電気的にバイアスし、ＳＦＥＸ１７０２／０４スペク
トロメータ及びフォトマルチプライヤによりエレクトロ
ルミネセンス・スペクトルを分析した。電流−電圧特性
は、ソニー／テクトロニクス３７０プログラマブル・カ
ーブトレーサにより、通常通り確認した。ＲＣＬＥＤの
閾値電圧はGaAs利得媒体の禁制帯に近く、それは室温に
おいて１．４ｅＶである。閾値電圧以上では、電流は順
方向バイアスに対して直線の関係を保ち、非合金Ag接触
はオーム性であることを示している。すべての測定は室
温で行われ、特別の冷却技術は用いていない。
て電気的にバイアスし、ＳＦＥＸ１７０２／０４スペク
トロメータ及びフォトマルチプライヤによりエレクトロ
ルミネセンス・スペクトルを分析した。電流−電圧特性
は、ソニー／テクトロニクス３７０プログラマブル・カ
ーブトレーサにより、通常通り確認した。ＲＣＬＥＤの
閾値電圧はGaAs利得媒体の禁制帯に近く、それは室温に
おいて１．４ｅＶである。閾値電圧以上では、電流は順
方向バイアスに対して直線の関係を保ち、非合金Ag接触
はオーム性であることを示している。すべての測定は室
温で行われ、特別の冷却技術は用いていない。
【００３０】具体例において、銀（Ag）のドット電極３
８は、約１５ないし１５０nm、好ましくは３５nmの厚さ
に、接触層１７の上に形成され、諸条件下で非合金オー
ム性接触を示す。この厚さの範囲で、銀ドット３８はＲ
ＣＬＥＤの光放射に対して半透明で、６０パーセントな
いし９５パーセントの範囲の反射率をもつため、それを
ミラー及びＲＣＬＥＤの最上部電極として同時に使用す
ることが可能になる。
８は、約１５ないし１５０nm、好ましくは３５nmの厚さ
に、接触層１７の上に形成され、諸条件下で非合金オー
ム性接触を示す。この厚さの範囲で、銀ドット３８はＲ
ＣＬＥＤの光放射に対して半透明で、６０パーセントな
いし９５パーセントの範囲の反射率をもつため、それを
ミラー及びＲＣＬＥＤの最上部電極として同時に使用す
ることが可能になる。
【００３１】３０μm 径、５０nm質のAg接触の場合のＲ
ＣＬＥＤ構造の電流−電圧特性が、図４に示されてい
る。Ｉ−Ｖ特性は１．４Ｖの“ターン−オン”電圧と、
高い微分導電率（dI／dV）を示し、構造の低直列抵抗を
示している。ＲＣＬＥＤ電圧は、２．０Ｖを越えない。
ＣＬＥＤ構造の電流−電圧特性が、図４に示されてい
る。Ｉ−Ｖ特性は１．４Ｖの“ターン−オン”電圧と、
高い微分導電率（dI／dV）を示し、構造の低直列抵抗を
示している。ＲＣＬＥＤ電圧は、２．０Ｖを越えない。
【００３２】室温で測定されたAgミラー／電極を有する
ＲＣＬＥＤの注入電流対光パワー特性が、図５に示され
ている。光出力パワーは、ＡＮＤＯ ＡＱ１１２５光パ
ワーメータで測定した。光出力パワーは、注入電流に直
線的に依存する。直線的な保存性は自発発光を予想さ
せ、スーパールミネセンス及び誘導放射はないことを意
味している。非直線性の放射スペクトルはまた、空胴中
の飽和吸収体からも生じうる。電流対光に非直線性、す
なわち再吸収過程がないことは、エピタキシャル成長の
高品質さを示している。
ＲＣＬＥＤの注入電流対光パワー特性が、図５に示され
ている。光出力パワーは、ＡＮＤＯ ＡＱ１１２５光パ
ワーメータで測定した。光出力パワーは、注入電流に直
線的に依存する。直線的な保存性は自発発光を予想さ
せ、スーパールミネセンス及び誘導放射はないことを意
味している。非直線性の放射スペクトルはまた、空胴中
の飽和吸収体からも生じうる。電流対光に非直線性、す
なわち再吸収過程がないことは、エピタキシャル成長の
高品質さを示している。
【００３３】ＲＣＬＥＤ放射スペクトルの線幅は、従来
のＬＥＤの放射スペクトルより、はるかに狭い。上で述
べたように、従来のＬＥＤの通常の自然発光線幅は約
１．８kTで、これは室温において、λ＝８７０nmの場合
Δλは約２８nmに対応する。ＲＣＬＥＤの自発エレクト
ロルミネセンス放射スペクトルが、図６に示されてい
る。発光のピークはλ＝８６２nmで、１７meV の半値幅
（Δλ＝１０．５nm）を有する。このＲＣＬＥＤについ
て実験的に測定した線幅は、室温において１．８kT＝４
５meV の典型的な線幅を有する自発発光の従来のＬＥＤ
に予想される線幅より、はるかに狭い。１．３μm で自
発発光する従来のGaInPAs ＬＥＤでは、さらに広い線幅
（たとえば５０−９０meV ）が予想される。
のＬＥＤの放射スペクトルより、はるかに狭い。上で述
べたように、従来のＬＥＤの通常の自然発光線幅は約
１．８kTで、これは室温において、λ＝８７０nmの場合
Δλは約２８nmに対応する。ＲＣＬＥＤの自発エレクト
ロルミネセンス放射スペクトルが、図６に示されてい
る。発光のピークはλ＝８６２nmで、１７meV の半値幅
（Δλ＝１０．５nm）を有する。このＲＣＬＥＤについ
て実験的に測定した線幅は、室温において１．８kT＝４
５meV の典型的な線幅を有する自発発光の従来のＬＥＤ
に予想される線幅より、はるかに狭い。１．３μm で自
発発光する従来のGaInPAs ＬＥＤでは、さらに広い線幅
（たとえば５０−９０meV ）が予想される。
【００３４】図７は本発明に従うＲＣＬＥＤの第３の実
施例の概略を示す。この図において、要素１１ないし１
７は、第１及び第２の実施例と同じである。好ましくは
Agでできた環状金属電極７８が接触層１７の中心部分上
にあり、接触層１７と非合金オーム性接触を形成してい
る。電極７８は厚さが５０nmないし３００nmの範囲で、
１０μm ないし１００μm の範囲の外径と、５μm ない
し５０μm の範囲の内径を有し、接触層１７の最上部表
面が露出された窓を形成している。それぞれλ／４ｎの
厚さのGaP とボロシリケートガラス（ＢＳＧ）又は ZnS
及びCaF2の交互の層は、２ないし２０周期をもつ最上部
ミラー７９を形成する。ミラーは窓の中で露出された接
触層１７の上部表面に接触し、窓に隣接した金属電極の
環状ストライプ（幅５ないし５０μm ）に重畳してい
る。積層は接触層及び電極に接触したCaF2又はＢＳＧで
始る。それぞれCaF2又はＢＳＧが積層を完成する。ＲＣ
ＬＥＤのこの実施例の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性、注入
電流対光パワー特性及び放射線幅は、第２の実施例のＲ
ＣＬＥＤの場合について描かれたものと同程度と期待さ
れる。
施例の概略を示す。この図において、要素１１ないし１
７は、第１及び第２の実施例と同じである。好ましくは
Agでできた環状金属電極７８が接触層１７の中心部分上
にあり、接触層１７と非合金オーム性接触を形成してい
る。電極７８は厚さが５０nmないし３００nmの範囲で、
１０μm ないし１００μm の範囲の外径と、５μm ない
し５０μm の範囲の内径を有し、接触層１７の最上部表
面が露出された窓を形成している。それぞれλ／４ｎの
厚さのGaP とボロシリケートガラス（ＢＳＧ）又は ZnS
及びCaF2の交互の層は、２ないし２０周期をもつ最上部
ミラー７９を形成する。ミラーは窓の中で露出された接
触層１７の上部表面に接触し、窓に隣接した金属電極の
環状ストライプ（幅５ないし５０μm ）に重畳してい
る。積層は接触層及び電極に接触したCaF2又はＢＳＧで
始る。それぞれCaF2又はＢＳＧが積層を完成する。ＲＣ
ＬＥＤのこの実施例の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性、注入
電流対光パワー特性及び放射線幅は、第２の実施例のＲ
ＣＬＥＤの場合について描かれたものと同程度と期待さ
れる。
【００３５】図８は本発明に従うＲＣＬＥＤの第４の実
施例の概略を示す。この図において、要素１１ないし１
７は先の実施例中のそれらと同じである。接触層１７の
上には、中心に配置された窓８２を有する誘電体層８１
がある。 SiO2 、 Si3N4、ボロシリケートガラス（たと
えばバイコール）のような誘電体層は、０．０１ないし
０．１μm の厚さを有する。薄い金属障壁層８３を誘電
体層８１の最上部及び窓８２中で露出された接触層１７
の部分上に堆積させる。透明な導電性半導体の層８４
を、障壁層８３の最上部上に堆積させる。ｘが０．０１
ないし０．５で変化するCd2-x Snx O4及びｙが０．１な
いし０．２で変化するIn2-y Sny O3から選択された半導
体は、ＲＣＬＥＤの最上部電極及び最上部ミラーとして
同時に働く。これらの半導体材料は、５０nmないし５０
０nmの範囲の厚さ、好ましくは２００ないし３００nmの
範囲の厚さに堆積させた時、８０パーセント以上の透過
率及び＜１０パーセントの吸収を示す。具体例では、障
壁金属層８３はAgで作られ、５ないし５０nm、好ましく
は５ないし２０nmの厚さである。障壁金属層８３は接触
層と非合金オーム性接触を作り、接触層と導電性半導体
の間に、余分のpn接合が形成されるのを防止する。この
ＲＣＬＥＤの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性、注入電流対光
パワー特性及び放射線幅は、第２の実施例として示され
たＲＣＬＥＤのそれらと同程度と期待される。
施例の概略を示す。この図において、要素１１ないし１
７は先の実施例中のそれらと同じである。接触層１７の
上には、中心に配置された窓８２を有する誘電体層８１
がある。 SiO2 、 Si3N4、ボロシリケートガラス（たと
えばバイコール）のような誘電体層は、０．０１ないし
０．１μm の厚さを有する。薄い金属障壁層８３を誘電
体層８１の最上部及び窓８２中で露出された接触層１７
の部分上に堆積させる。透明な導電性半導体の層８４
を、障壁層８３の最上部上に堆積させる。ｘが０．０１
ないし０．５で変化するCd2-x Snx O4及びｙが０．１な
いし０．２で変化するIn2-y Sny O3から選択された半導
体は、ＲＣＬＥＤの最上部電極及び最上部ミラーとして
同時に働く。これらの半導体材料は、５０nmないし５０
０nmの範囲の厚さ、好ましくは２００ないし３００nmの
範囲の厚さに堆積させた時、８０パーセント以上の透過
率及び＜１０パーセントの吸収を示す。具体例では、障
壁金属層８３はAgで作られ、５ないし５０nm、好ましく
は５ないし２０nmの厚さである。障壁金属層８３は接触
層と非合金オーム性接触を作り、接触層と導電性半導体
の間に、余分のpn接合が形成されるのを防止する。この
ＲＣＬＥＤの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性、注入電流対光
パワー特性及び放射線幅は、第２の実施例として示され
たＲＣＬＥＤのそれらと同程度と期待される。
【００３６】上の実施例のそれぞれにおいて、活性層は
直径５μm ないし５０μm の狭い中心領域に限定され
る。そのように限定することは、Ｈ+ 又はＯ+ のよう
に、半導体材料に対して不活性なイオンを、１cm3 当り
１×１０18ないし５×１０19の濃度に、活性層１５の周
辺部分にイオン注入することにより、達成される。ある
いは、半導体層が堆積された後、少くとも層（１５−１
７）の周辺領域がエッチング除去され、除去された材料
の代りに、適当な半導体を再成長させる。これにより、
自発発光及び電流の両方が、狭い中心に配置された領域
に、更に閉じ込められる。
直径５μm ないし５０μm の狭い中心領域に限定され
る。そのように限定することは、Ｈ+ 又はＯ+ のよう
に、半導体材料に対して不活性なイオンを、１cm3 当り
１×１０18ないし５×１０19の濃度に、活性層１５の周
辺部分にイオン注入することにより、達成される。ある
いは、半導体層が堆積された後、少くとも層（１５−１
７）の周辺領域がエッチング除去され、除去された材料
の代りに、適当な半導体を再成長させる。これにより、
自発発光及び電流の両方が、狭い中心に配置された領域
に、更に閉じ込められる。
【００３７】ＲＣＬＥＤは半透明／半反射最上部接触を
有する垂直空胴面発光レーザに、構造的に関連してい
る。しかし、２つのデバイス構造は、異なる目的に役立
ち、異なる設計上の性質を有している。たとえば、９９
パーセントに等しいかそれを越える両方のミラーの反射
率は、レーザの低閾値動作に本質的である。ＲＣＬＥＤ
の場合、底部ミラーの反射率のみが９９パーセントに等
しいかそれを越える必要があり、一方２５ないし９９パ
ーセントの低反射率が最上部ミラーに要求される。すな
わち、２つのミラーに対する要求は、ＲＣＬＥＤの場合
異なる。ＲＣＬＥＤにおいて、活性領域からの放射は、
真に自発発光である。共振空胴を用いることにより、誘
導レーザ放射を促進することなく、線幅が改善され（狭
くなり）、放射のスペクトル純度も改善される。
有する垂直空胴面発光レーザに、構造的に関連してい
る。しかし、２つのデバイス構造は、異なる目的に役立
ち、異なる設計上の性質を有している。たとえば、９９
パーセントに等しいかそれを越える両方のミラーの反射
率は、レーザの低閾値動作に本質的である。ＲＣＬＥＤ
の場合、底部ミラーの反射率のみが９９パーセントに等
しいかそれを越える必要があり、一方２５ないし９９パ
ーセントの低反射率が最上部ミラーに要求される。すな
わち、２つのミラーに対する要求は、ＲＣＬＥＤの場合
異なる。ＲＣＬＥＤにおいて、活性領域からの放射は、
真に自発発光である。共振空胴を用いることにより、誘
導レーザ放射を促進することなく、線幅が改善され（狭
くなり）、放射のスペクトル純度も改善される。
【００３８】当業者には更に利点をつけ加え、修正する
ことが容易であろう。従って、本発明はその広い視点で
は、ここで示し述べた詳細な点、デバイス及び具体例に
は限定されない。従って、特許請求の範囲で規定された
本発明の一般的な概念及びそれらと同等のものの精神又
は視野を離れることなく、各種の修正ができる。
ことが容易であろう。従って、本発明はその広い視点で
は、ここで示し述べた詳細な点、デバイス及び具体例に
は限定されない。従って、特許請求の範囲で規定された
本発明の一般的な概念及びそれらと同等のものの精神又
は視野を離れることなく、各種の修正ができる。
【図１】基板に隣接した底部ＤＢＲミラーと、ＬＥＤの
光空胴とファブリーペロー共振空胴を形成する半導体−
空気界面最上部ミラーを含む一実施例に従うＲＣＬＥＤ
の概略図である。
光空胴とファブリーペロー共振空胴を形成する半導体−
空気界面最上部ミラーを含む一実施例に従うＲＣＬＥＤ
の概略図である。
【図２】印加電流に対する発光強度をプロットし、上の
曲線は図１のＲＣＬＥＤの場合で、下の曲線は同様の一
般的構造をもつが、ＤＢＲミラーをもたない従来のＬＥ
Ｄの場合について示す図である。
曲線は図１のＲＣＬＥＤの場合で、下の曲線は同様の一
般的構造をもつが、ＤＢＲミラーをもたない従来のＬＥ
Ｄの場合について示す図である。
【図３】ＬＥＤの光空胴とともにファブリーペロー共振
光空胴を形成する底部ミラーと低屈折率の最上部ミラー
を含む別の実施例に従うＲＣＬＥＤの概略を示す図であ
る。
光空胴を形成する底部ミラーと低屈折率の最上部ミラー
を含む別の実施例に従うＲＣＬＥＤの概略を示す図であ
る。
【図４】図３に示されたＲＣＬＥＤの電流−電圧特性を
プロットした図である。
プロットした図である。
【図５】図３に示されたＲＣＬＥＤの室温における注入
電流対光出力パワーをプロットした図である。
電流対光出力パワーをプロットした図である。
【図６】自発ルミネセンス線幅が室温における熱エネル
ギーkTより狭い図３に示されたＲＣＬＥＤの室温におけ
るエレクトロルミネセンス・スペクトルをプロットした
図である。
ギーkTより狭い図３に示されたＲＣＬＥＤの室温におけ
るエレクトロルミネセンス・スペクトルをプロットした
図である。
【図７】更に別の最上部ミラーを描いた別の実施例に従
うＲＣＬＥＤの概略を示した図である。
うＲＣＬＥＤの概略を示した図である。
【図８】更に別の最上部ミラーを描いた更に別の実施例
に従うＲＣＬＥＤの概略を示した図である。
に従うＲＣＬＥＤの概略を示した図である。
１０ ＲＣＬＥＤ １１ 底部電極 １２ 基板 １３ 底部ＤＢＲミラー、底部ミラー、四分の一波長積
層 １４ 底部閉じ込め層 １５ 活性層、活性領域 １６ 最上部閉じ込め層 １７ 接触層 １８ 最上部電極、電極 １９ 開孔 ３８ 最上部電極 ７８ 環状金属電極、電極 ７９ 最上部ミラー ８１ 誘電体層 ８２ 窓 ８３ 金属障壁層 ８４ 層
層 １４ 底部閉じ込め層 １５ 活性層、活性領域 １６ 最上部閉じ込め層 １７ 接触層 １８ 最上部電極、電極 １９ 開孔 ３８ 最上部電極 ７８ 環状金属電極、電極 ７９ 最上部ミラー ８１ 誘電体層 ８２ 窓 ８３ 金属障壁層 ８４ 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アードマン フレデリック シュバート アメリカ合衆国 07974 ニュージャーシ ィ，ニュープロヴィデンス，ウッドランド ロード 70 (72)発明者 リー−ウェイ ツー アメリカ合衆国 07090 ニュージャーシ ィ，ウエストフィールド，ファースト フ ロアー，プロスペクト ストリート 253 (72)発明者 ジョージ ジョン ヅィドヅィック アメリカ合衆国 07832 ニュージャーシ ィ，コロンビア，ルート １
Claims (14)
- 【請求項１】 半導体材料の複数の層と構造の相対する
面上の底部及び最上部電極を含む半導体構造において、
前記半導体材料は III−Ｖ族及びII−VI族化合物半導体
材料から選択され、前記構造は下から上へ順に、 第１の伝導形の基板、 第１の伝導形の底部閉じ込め層、 順方向バイアス条件下で自発発光ができる活性層、 ＬＥＤの光空胴を形成する第２の伝導形の最上部閉じ込
め層及び底部閉じ込め層と活性層、 第２の伝導形の半導体接触層、 を含み、 前記最上部電極は前記接触層の上部表面と接触し、接触
層とオーム性接触を形成する発光ダイオード（ＬＥＤ）
において、 底部ミラー及び最上部ミラーは、前記光空胴の相対する
側に配置され、ファブリーペロー共振器を形成し、前記
底部ミラーは底部閉じ込め層と基板の間に配置され、高
反射率ミラー（ＲB ≧９９％）で、前記最上部ミラーは
最上部閉じ込め層の近くに配置され、低ないし中程度の
反射率ミラー（ＲT は約２５％−９９％）であることを
特徴とするＬＥＤ。 - 【請求項２】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記底
部ミラーは半導体層の複数の対を含む多層分布ブラッグ
反射器（ＤＢＲ）ミラーで、各対の一方の層は対の他方
の層の屈折率より高い屈折率を有し、各層はλを活性層
の自発発光波長、ｎを各層の材料の屈折率とするとき、
λ／４ｎの厚さであるＬＥＤ。 - 【請求項３】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記構
造はｘが０ないし１の範囲で変化するAlx Ga1-x As/GaA
s 系であるＬＥＤ。 - 【請求項４】 請求項３記載のＬＥＤにおいて、前記活
性層はGaAsで、前記低屈折率材料はAlAsを含み、前記高
屈折率材料はGaAs、Al0.05Ga0.95As及びAl0. 14Ga0.86As
から選択されるＬＥＤ。 - 【請求項５】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記最
上部電極には中心に配置された開孔が形成され、その中
で接触層の上部表面が露出され、前記上部表面と前記上
部表面上の空気との界面は、低反射率を有する前記最上
部ミラーを形成するＬＥＤ。 - 【請求項６】 請求項６記載のＬＥＤにおいて、前記最
上部電極はAu−Zn及びAu−Beから選択された金属合金
で、５０nmないし３００nmの範囲の厚さに接触層上に堆
積させるＬＥＤ。 - 【請求項７】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記最
上部電極は金属を通して光放射が透過可能な厚さに堆積
され、共振空胴の最上部ミラーとして働き、前記最上部
ミラーの反射率は＜９９パーセントであるＬＥＤ。 - 【請求項８】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記金
属層は銀、アルミニウム及び金から成るグループから選
択された金属から本質的に成るＬＥＤ。 - 【請求項９】 請求項８記載のＬＥＤにおいて、前記金
属層は１５nmないし５０nm厚の銀であるＬＥＤ。 - 【請求項１０】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記
最上部電極は接触層上の薄い金属層と、前記金属層上の
光学的に透明な導電性半導体材料を含み、導電性半導体
材料はカドミウム、スズ酸化物及びインジウム・スズ酸
化物から成るグループから選択され、前記導電性半導体
層は前記ＬＥＤの最上部電極及び最上部ミラーとして同
時に働くＬＥＤ。 - 【請求項１１】 請求項１０記載のＬＥＤにおいて、前
記金属層は１５nmないし５０nmの厚さに堆積させた銀で
できており、前記透明導電性半導体材料は、５０ないし
５００nmの厚さに堆積させるＬＥＤ。 - 【請求項１２】 請求項１記載のＬＥＤにおいて、前記
最上部電極は接触層上の環状の薄い金属層を含み、前記
最上部ミラーは高屈折率と低屈折率の複数の対の積層を
含み、前記積層は環状金属層の中心開孔中に露出された
接触層の表面と、前記開孔に隣接した環状金属層の端部
に部分的に重畳するＬＥＤ。 - 【請求項１３】 請求項１２記載のＬＥＤにおいて、前
記環状金属層は厚さが５０ないし３００nmの範囲のAg
で、１０μm ないし１００μm の範囲の外径と、５μm
ないし５０μm の範囲の内径を有するＬＥＤ。 - 【請求項１４】 請求項１３記載のＬＥＤにおいて、前
記積層はGaP/ボロシリケート及びZnS/CaF2から選択され
た高／低屈折率材料の２ないし２０対を含み、積層中の
各層はλ／４ｎの厚さで、前記積層は前記最上部電極と
５ないし５０μm の幅で重畳するＬＥＤ。
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|---|---|---|---|
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