JPS6017910Y2 - Integral lens light emitting diode structure - Google Patents
Integral lens light emitting diode structureInfo
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- JPS6017910Y2 JPS6017910Y2 JP1983085903U JP8590383U JPS6017910Y2 JP S6017910 Y2 JPS6017910 Y2 JP S6017910Y2 JP 1983085903 U JP1983085903 U JP 1983085903U JP 8590383 U JP8590383 U JP 8590383U JP S6017910 Y2 JPS6017910 Y2 JP S6017910Y2
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Description
【考案の詳細な説明】
本考案はインテグラル（ｉｎｔｅｇｒａｌ ）レンズ発
光ダイオード構造体、より詳細には光学ファイバーに結
合するダイオード構造体に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an integral lens light emitting diode structure, and more particularly to a diode structure coupled to an optical fiber.
内部効率即ち発生したフォトンに対する注入された少数
キャリアの割合は、ＧａＡｓ ｐ −ｎ接合内で５０％
の大きさであることが知られている。The internal efficiency, i.e. the ratio of injected minority carriers to generated photons, is 50% within the GaAs p-n junction.
It is known that the size of
しかしＧａＡｓ （ｎ ＝ ３．６）と実際の周囲媒質
又は結合媒質との間の屈折率の変化は大きく、典型的に
はかかる媒質に対してｎ＝１．５である。However, the change in refractive index between GaAs (n = 3.6) and the actual surrounding or coupling medium is large, typically n = 1.5 for such media.
従って、ダイオードから放出される光の投射角は小さい
。Therefore, the projection angle of the light emitted from the diode is small.
キャリアの再結合により発生したフォントの大部分は何
度も内部で反射され、結局デバイス内に吸収される。Most of the font generated by carrier recombination is internally reflected many times and eventually absorbed into the device.
平行に面した発光ダイオード（以下ＬＥＤと表わす）の
空気に対する正味の効率はほをんど５０％を越えない。The net efficiency of parallel-faced light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs) with respect to air rarely exceeds 50%.
有限の受容角を有するファイバーに対する結合効率は更
に減少する。The coupling efficiency for fibers with finite acceptance angles is further reduced.
結合効率が低いので光通信用ファイバー内に十分な光を
得るためにＬＥＤは高い電流密度で動作されねばならな
い。Due to the low coupling efficiency, LEDs must be operated at high current densities to get enough light into optical communication fibers.
高電流密度はデバイスの加熱と機能低下をもたらす。High current densities result in device heating and functional degradation.
本考案は光が放出されるＬＥＤの表面を改良して、大き
な投射角を有する光をＬＥＤから放出せしめる。The present invention improves the surface of the LED from which light is emitted so that light with a large projection angle is emitted from the LED.
本考案に従ったＬＥＤは、凸形の１つ又はそれ以上のレ
ンズを備えた発光表面を有する。The LED according to the invention has a light emitting surface with one or more lenses of convex shape.
本考案は、添付図面を参照していくつかの具体例とその
製造方法に関する以下の説明から容易に理解されよう。The present invention will be more easily understood from the following description of some embodiments and methods of manufacture thereof, with reference to the accompanying drawings.
第１図に示されているように、表面１１での光線の投射
角θが約１７°よりも小さいならば、表面１１から出る
光は表面１１を通って放出するだけである。As shown in FIG. 1, light exiting surface 11 will only be emitted through surface 11 if the angle of projection θ of the light ray at surface 11 is less than about 17°.
１７°より大きな投射角θを有する光線はいずれも表面
１１を通って出す、内部で反射される。Any light rays with a projection angle θ greater than 17° exit through the surface 11 and are internally reflected.
第２図は本考案に従って発光表面１１上に単一の凸レン
ズ形成体１２を有する構造体を示す。FIG. 2 shows a structure having a single convex lens formation 12 on the light emitting surface 11 according to the invention.
このような配置はθ１よりかなり大きな投射角θ２を与
える。Such an arrangement provides a projection angle θ2 that is significantly larger than θ1.
θ２の値は、レンズ形成体１２の表面１３の曲率半径に
依存する。The value of θ2 depends on the radius of curvature of the surface 13 of the lens forming body 12.
レンズ形成体１２を形成する材料は基本サブストレート
１４と同一である。The material forming the lens forming body 12 is the same as the basic substrate 14.
第３図は、本考案に従ったレンズ形成体の変形を示す。FIG. 3 shows a modification of the lens forming body according to the invention.
表面１１上には複数個の凸レンズ形成体１６が形成され
ている。A plurality of convex lens forming bodies 16 are formed on the surface 11.
レンズ形成体１６の材料もサブストレート１４と同一か
、或いはサブストレート１４と同じ屈折率を有し第２図
のレンズ形成体１２に適用される同一の規準を有する材
料である。The material of the lens formation 16 is also the same as the substrate 14, or a material having the same refractive index as the substrate 14 and having the same criteria applied to the lens formation 12 of FIG.
第３図の配置はθの値を増加せしめ、発光源から放出さ
れる光を最大限に利用する。The arrangement of FIG. 3 increases the value of θ and makes maximum use of the light emitted by the light source.
第４図は、第２図のような単一のレンズ形成体を形成す
る過程を示す。FIG. 4 shows the process of forming a single lens forming body as shown in FIG.
サブストレート２０は、レンズ形成体が必要な所に穴２
２を配置してサブストレート２０上に形成されたフォト
レジストマスク２１をを有する一第４ａ図。The substrate 20 has holes 2 where lens forming bodies are required.
FIG. 4a has a photoresist mask 21 formed on a substrate 20 with a photoresist mask 21 arranged thereon.
この例ではサブストレートはＧａＡｓである。In this example the substrate is GaAs.
ＧａＡｓサブストレート２０はマスク２１を通してエツ
チングされ、凹形のくぼみ２３を形成する一第４ｂ図。A GaAs substrate 20 is etched through a mask 21 to form a concave depression 23, FIG. 4b.
マスク２１が除かれくぼみ２３が残る一第４ｃ図。FIG. 4c shows the mask 21 removed and the depression 23 left.
サブストレート２０上には４つの層２５，２６．２７及
び２８から成る標準の二重へテロ構造体２４が成長せし
められる。A standard double heterostructure 24 consisting of four layers 25, 26, 27 and 28 is grown on the substrate 20.
層２５がくぼみ２３を満たす一４ｄ図。FIG. 4d: Layer 25 fills depression 23.
最後にサブストレート２０が選択腐食過程（ｐｒｅｆｅ
ｒｅｎｔｉａｌ ｅｔｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ）を用いて
エツチングされ、凸レンズ形成体２９を有する二重へテ
ロ構造体が残る。Finally, the substrate 20 undergoes a selective corrosion process (prefe
etch process), leaving a double heterostructure with convex lens formers 29.
構造体のコンファインド・アクティブ（ｃｏｎｆｉｎｅ
ｄ ａｃｔｉｖｅ）層は層２６である。Confine active structure
The active) layer is layer 26.
第３図のように、複数個のレンズ形成体が構造体の表面
１１上に形成されている所では、マスクの一定のパター
ン或いはランダムなパターン内でその上に多くの穴を形
成することができる。Where a plurality of lens formations are formed on the surface 11 of the structure, as in FIG. 3, many holes may be formed thereon in a fixed or random pattern of the mask. can.
第５図は、ランダムに並べられた複数個のレンズ形成体
１６を有するデバイス又は構造体の平面図である。FIG. 5 is a plan view of a device or structure having a plurality of randomly arranged lens formations 16.
代表的には、ファイバーの直径を約１５０μとすれば、
レンズ形成体は最大成約３０μの直径と約１０μの深さ
とを有する。Typically, if the diameter of the fiber is about 150μ,
The lens former has a maximum diameter of approximately 30μ and a depth of approximately 10μ.
レンズ形成体を有するＬＥＤの製造過程の例は次の通り
である。An example of a manufacturing process for an LED having a lens forming body is as follows.
みがかれたＧａＡｓサブストレート上に約２０００Ａの
ＳｉＯ２層が配置される。An approximately 2000A SiO2 layer is placed on the polished GaAs substrate.
この層はマスキング層である。This layer is a masking layer.
フォトレジスト層が５ｊＯ２層に付加され、中心間の距
離が１０μで直径が５μの穴のパターンが生成される。A photoresist layer is added to the 5jO2 layer to create a pattern of holes with a center-to-center distance of 10μ and a diameter of 5μ.
列は２０μだけ互い違いにされるか又はオフセット（ｏ
ｆｆｓｅｔ）される。The rows are staggered by 20μ or offset (o
ffset).
酸化層は約３形間緩衝弗化水素酸の中でフォトレジスト
層内の穴を通してエツチングされる。The oxide layer is etched through the holes in the photoresist layer in about 3% buffered hydrofluoric acid.
フォトレジストが除かれ、次に非選択エツチング液例え
ば３Ｈ２Ｓ０４／ｌＨ２Ｏ。The photoresist is removed and then a non-selective etchant such as 3H2S04/1H2O.
を９８°Ｃにて２分間使用して、ＳｉＯ２マスク内のエ
ツチングされた穴を通して約１５μの深さの穴即ちくぼ
みがサブストレート内にエツチングされる。Holes or depressions approximately 15 microns deep are etched into the substrate through the etched holes in the SiO2 mask using an etchant at 98 DEG C. for 2 minutes.
ＳｉＯ２マスクの残りは、約１分間濃縮した弗化水素酸
を用いてエツチングされて除かれる。The remainder of the SiO2 mask is etched away using concentrated hydrofluoric acid for about 1 minute.
フォトレジスト層が直接マスク上で使用されるので、Ｓ
ｉＯ□マスキング層の使用は必要ではない。Since the photoresist layer is used directly on the mask, S
The use of an iO□ masking layer is not necessary.
酸化マスクの使用はクリーナ（ｃｌｅａｎｒ）過程を考
慮に入れている。The use of an oxidation mask allows for a cleaner process.
次に第４ｃ図の場合に相当するサブストレート内にエツ
チングされた穴を生成した後に、ＬＥＤ結晶体の成長が
行なわれる。The growth of the LED crystal is then carried out after producing etched holes in the substrate corresponding to the case of FIG. 4c.
結晶体成長は液相エピタキシャル（ＬＰＥ） 成長によ
って行なわれ、いかなる周知の方法を使用してもよい。Crystal growth is performed by liquid phase epitaxial (LPE) growth, and any known method may be used.
本例では４層が順次に成長せしめられる。In this example, four layers are grown sequentially.
層の詳細は次の通りであり、第１層はくぼみ内及びサブ
ストレート表面上に配置される。The details of the layers are as follows, the first layer being disposed within the recess and on the substrate surface.
層２５は、４ｇｍＧａ ： ２５層ｍｇＧａＡｓ ：
□ｍｇＡ１ ：２ｍｇＴｅ ： １００ｍｇＧａＰを含
む溶解液から成長せしめられる。Layer 25 is 4gmGa: 25 layers mgGaAs:
□mgA1: 2mgTe: Grown from a solution containing 100mgGaP.
サブストレートと接触している溶液は８３０℃〜８２０
℃の温度範囲で冷却されて約ｌσ８のドーピング・レベ
ルで大体Ｇａ０．６ＡＩ。The temperature of the solution in contact with the substrate is 830°C to 820°C.
approximately Ga0.6AI with a doping level of about lσ8 cooled in the temperature range of 0.degree.
、３５ＡＳｏ、９６Ｐｏ、。１の組成を有する約５μｍ
のＬＰＥ層を形成する。, 35ASo, 96Po,. Approximately 5 μm with a composition of 1
Form an LPE layer.
層２６は、４ｇｍＧａ ： ３５０ｍｇＧａＡｓ ：
０．８ｍｇＡ１ ：２４ｍｇＳｉを含む溶解液から成長
せしめられる。The layer 26 is made of 4gmGa: 350mgGaAs:
0.8mgA1: Grown from a solution containing 24mgSi.
サブストレート上の層２５と接触している溶液は８２０
°Ｃ〜８１９°Ｃの範囲で冷却されて、約１０１８のド
ーピング・レベルで大体Ｇａ０．９７ＡＩ。The solution in contact with layer 25 on the substrate is 820
Approximately Ga0.97AI with a doping level of about 1018, cooled in the range of 819°C to 819°C.
、。３の組成を有する約１μｍのＬＰＥ層を形成する。,. Form an LPE layer of about 1 μm with a composition of 3.
層２７は、４ｇｍＧａ ： ２５層ｍｇＧａＡｓ ：
７ｍｇＡｌ ：１５層ｍｇＧａＰを含む溶解液から層２
６上に成長せしめられＬＰＥである。Layer 27 consists of 4gmGa: 25mgGaAs:
7mgAl: layer 2 from the solution containing 15 layers mgGaP
6 and is LPE.
この溶液は８１９℃から８１ＴＣの温度範囲内で冷却さ
れて、約１０１８のドーピングレベルで大体ｃａｏ−６
５”Ｏ−＄ＡＳｏ−４８ｐＯ−０２の組成を有する厚さ
約１μｍの形成する。This solution was cooled within a temperature range of 819°C to 81TC to approximately cao-6 with a doping level of about 1018.
A thickness of approximately 1 μm is formed having a composition of 5″O-$ASo-48pO-02.
最後に層２８は、４ｇｍＧａ ： ３５０ｍｇＧａＡｓ
：５層ｍｇＧａを含む溶解液から層２７上に成長せし
められるＬＰＥであり、この溶液は８１７０〜８１６℃
の温度範囲で冷却され、約１α８のドーピング・レベル
のＧａＡｓから成る厚さ約１μｍの層を形成する。Finally layer 28 is 4gmGa:350mgGaAs
: LPE grown on layer 27 from a solution containing 5 mg Ga, and this solution is heated at 8170-816°
to form an approximately 1 μm thick layer of GaAs with a doping level of approximately 1α8.
サブストレートウェファを順次に炭素ホルダー内の溜め
（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）の下に位置せしめるように沿っ
て動く炭素スライダ内にサブストレート・ウェファを位
置せしめることによって、エピタキシャルに成長する層
を順次に成長せしめることができる。The epitaxially grown layers can be grown sequentially by positioning the substrate wafer in a carbon slider that moves along the substrate wafer so as to sequentially position the substrate wafer under a reservoir in a carbon holder. can.
必要な層特性を与えるために溶液は上記のように定型化
されている。The solution is formulated as described above to provide the necessary layer properties.
３層を成長させる装置に代表的な型は、ＧａＡＳの１９
７坪シンポジウム論文２４、Ｂ、１０Ｍ１ｔｔｅｒ及び
ＨｏＣｏＣａＳｅｙＸＪｒによる論文“Ｐｒｅｐａｒａ
ｔｉｏｎ ｏｆ ＧａＡｓ ｐ −ｙＩ Ｊｕｎｃｔ
ｉｏｎ”に記載されている。A typical type of equipment for growing three layers is GaAS 19
7tsubo symposium paper 24, B, 10M1tter and HoCoCaSeyXJr paper “Prepara
tion of GaAs p-yI Junct
ion”.
記載された装置は４層も製造できる。The device described can also produce four layers.
多層を成長させる装置の他の形は１９７′Ｒ−。６月１
３日発行のカナダ国特許第９０２８０３号に記載されて
いる。Another form of apparatus for growing multiple layers is 197'R-. June 1
It is described in Canadian Patent No. 902803 issued on the 3rd.
代わりに、層を公知の液相エピタキシャル技術を用いて
一度に成長させることもできる。Alternatively, the layers can be grown all at once using known liquid phase epitaxial techniques.
アーチ状表面又は多数のアーチ状表面を発光領域又は発
光源１０上に設けることによって、発光表面での内部屈
折による発光損失はかなり減少する。By providing an arcuate surface or multiple arcuate surfaces on the light emitting region or source 10, light emission losses due to internal refraction at the light emitting surface are significantly reduced.
本考案は、周知の１バラス（Ｂｕｒｒｕｓ）ヨ型発光ダ
イオードにも適用できる。The present invention can also be applied to the well-known single Burrus Y-type light emitting diode.
第６図、第７図及び第８図はかかるデバイスのもう一つ
の形である。Figures 6, 7 and 8 are another form of such a device.
上記のような単−又は多数のルンズヨ構造体が形成され
た後、サブストレート２０がエツチングされて開口３５
を形成する。After the single or multiple runaway structures are formed as described above, substrate 20 is etched to form openings 35.
form.
第６図及び第７図では発光領域１０は開口３５の全幅に
渡って広がっている。In FIGS. 6 and 7, the light emitting region 10 extends over the entire width of the opening 35. In FIGS.
第８図では、電流は更に幾つかの小さな（直経約１０μ
）発光領域１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄに制限され
る。In Figure 8, the current is further increased by several small
) Limited to light emitting areas 10a, 10b, 10c, and 10d.
各領域は対応するレンズの中心の下に置かれる。Each region is placed under the center of its corresponding lens.
かかる付加的制限を後述の段階すで適当なフォトレジス
トマスクを使用し得ることもできる。Such additional limitations can also be achieved by using a suitable photoresist mask in the steps described below.
接合部のＰ側に電流を制限して領域１０を規定する幾つ
かの周知の方法が存在する。There are several known methods of limiting current to the P side of the junction to define region 10.
代表的な方法は次の通りである。A typical method is as follows.
（ａ） Ｃ，Ｖ、Ｄにより結晶のｐ側に１５００Ａの
ＳｉＯ２を配置する。(a) Place 1500A of SiO2 on the p side of the crystal using C, V, and D.
（ｂ） ０．５０８ｍ （２０ミル）の中心に１２５
μの穴のパターンをフォトレジストする。(b) 125 at the center of 0.508 m (20 mil)
Photoresist the μ hole pattern.
（ｃ） ５ｉｎ２（緩１ＨＦ）内で穴をエツチングす
る（ｄ） フォトレジストを除く。(c) Etch holes in 5in2 (gentle 1HF) (d) Remove photoresist.
（ｅ） サンプルをスキン拡散する（典型的には、Ｚ
ｎＡＳ２拡散源を有する半密封カプセル内で１５分間６
００°Ｃ）。(e) Skin-diffusing the sample (typically Z
6 for 15 min in a semi-sealed capsule with nAS2 diffusion source.
00°C).
（ｆ） ０．１２７ｍｍ （５ミル）の厚さに（Ａ１
２０３） Ｎ側をラップする。(f) 0.127 mm (5 mil) thick (A1
203) Wrap the N side.
（ｇ） 更にＮ側から０．０２５４ｍｍ （１ミル）
エツチングする。(g) Further 0.0254mm (1 mil) from the N side
etching.
（ｈ） 約２００ＡのＡｕ／Ｇｅ合金を蒸着し、次に
Ｎ表面に３ＫＡを蒸着する。(h) Deposit about 200A of Au/Ge alloy, then 3KA on the N surface.
（ｉ）合金する（約６５０℃、１分間）。(i) Alloying (approximately 650°C, 1 minute).
（Ｄ （Ｐ側酸化物の穴に整合した）Ｎ側層上に０
．５０８ｍｍの中心に１２５μの穴のパターンをフォト
レジストする。(D 0 on the N-side layer (aligned with the holes in the P-side oxide)
．． Photoresist a pattern of 125μ holes on 508mm centers.
（ｋ） 層内の穴をエツチングする（Ｋ１．約１分）
。(k) Etching holes in the layer (K1. Approximately 1 minute)
.
（１） フォトレジストを除く。(1) Excluding photoresist.
（ｍ） Ｐ側に２ＫＡのＧｅ／Ａｕを蒸着する。(m) Vapor deposit 2KA of Ge/Au on the P side.
（ｎ） 黒ワックス内にｐ側を置く。(n) Place p side in black wax.
（０） レンズパターンが露出されるまでＮ側接触穴
を通して３０Ｈ２０２／ＩＮＨ１ＯＨ超音波で１５分間
サブストレートをエツチングする
（ｐ） ワックスから取り除く。(0) Etch the substrate with 30H202/INH1OH ultrasound for 15 minutes through the N-side contact hole until the lens pattern is exposed (p) Remove from wax.
【図面の簡単な説明】
第１図は通常のＬＥＤの断面図である。
第２図及び第３図は、本考案に従ったレンズ形成体の二
つの変形を示す第１図に類似した断面図である。
第４ａ図乃至第４ｅ図は、第２図のＬＥＤ構造体を形成
する一方法を示す断面図である。
第５図は、第３図の形のレンズ形成体を有するＬＥＤの
平面図である。
第６図、第７図及び第８図は、ＬＥＤ構造体のもう一つ
の形を示す断面図である。
１０・・・・・・発光源、１２，１６．２９・・・・・
・レンズ、１４．２０・・・・・・サブストレート、２
３・・・・・・くぼみ。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view of a typical LED. 2 and 3 are cross-sectional views similar to FIG. 1 showing two variants of the lens forming body according to the invention. Figures 4a-4e are cross-sectional views illustrating one method of forming the LED structure of Figure 2. FIG. 5 is a plan view of an LED having a lens formation in the form of FIG. 3. FIG. 6, 7, and 8 are cross-sectional views showing another form of LED structure. 10... Light source, 12, 16.29...
・Lens, 14.20...Substrate, 2
3... hollow.
Claims (1)
発光ダイオード構造体であって、半導体材料のサブスト
レートと、 該サブストレート上にエピタキシャル形成された二重へ
テロ構造体であって、第１のコンファイニング層、アク
ティブ層及び第２のコンファイニング層を有し、該コン
ファイニング層が該アクティブ層の材料よりもバンドキ
ャップが高い材料で形成されており、これらの層が該コ
ンファイニング層の１つと該アクティブ層との間にｐｎ
接合を確立するようにドープされている二重へテロ構造
体と、 該コンファイニング層の１つと一体に形成されたレンズ
構造体と、 本発光ダイオード構造体の両面に形成されて、該アクテ
ィブ層の発光領域を介して電流を流すための第１及び第
２の接点とを具備し、 該発光領域が該レンズ構造体に整合しているインテグラ
ルレンズ発光ダイオード構造体において： 該サブストレート２０を介して開口３５が延びていて、
該第１のコンファイニング層の一部を露出しており、 該レンズ構造体２９が、該第１のコンファイニング層２
５の一部として形成されており、該開口３５内に延びて
おり、 該第１の接点が該開口３５を取り囲んで、該サブストレ
ート２０の表面に配置されていることを特徴とするイン
テグラルレンズ発光ダイオード構造体。[Claims for Utility Model Registration] An integral lens light emitting diode structure for use in fiber optic transmission, comprising a substrate of a semiconductor material and a double heterostructure epitaxially formed on the substrate. the confining layer has a first confining layer, an active layer, and a second confining layer, the confining layer is formed of a material having a higher bandgap than the material of the active layer, and these layers have a pn between one of the refining layers and the active layer.
a double heterostructure doped to establish a junction; a lens structure integrally formed with one of the confining layers; and a lens structure formed on both sides of the light emitting diode structure and forming the active layer. first and second contacts for passing a current through a light emitting region of the substrate 20, the light emitting region being aligned with the lens structure; an opening 35 extends through the
A part of the first confining layer is exposed, and the lens structure 29 is connected to the first confining layer 2.
5 and extending into the opening 35, the first contact surrounding the opening 35 and being disposed on the surface of the substrate 20. Lens light emitting diode structure.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CA208,827A CA1007736A (en) | 1974-09-10 | 1974-09-10 | Integral lens light emitting diode |
| CA208827 | 1974-09-10 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5918455U JPS5918455U (en) | 1984-02-04 |
| JPS6017910Y2 true JPS6017910Y2 (en) | 1985-05-31 |
Family
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Family Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP10659175A Pending JPS5152792A (en) | 1974-09-10 | 1975-09-04 |
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