JPH05275739A - 改善された発光ダイオード - Google Patents
改善された発光ダイオードInfo
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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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