JP2002506576A - インコヒーレントビーム放射光電構成素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ビーム放射光電構成素子において、ビーム発生体（９）内に、導波層（３）有するプレーナ光導波路（７）が設けられている。導波層（３）はビーム発生ゾーン（４）を有しており、このゾーンで、構成素子の作動中電磁ビームが発生される。プレーナ光導波路（７）は、少なくとも、ビームの輻射のために、少なくとも１つのラテラル輻射テーパ部（６）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】 ビーム放射光電構成素子 本発明は、インコヒーレントビームを放射するビーム放射光電構成素子に関す る。これは、殊に、半導体発光ダイオードに関する。 半導体発光ダイオード（ＬＥＤ及びＩＲＥＤ）の種々の構成原理は、例えば、 Ｗ．Ｂｌｕｄａｕ，Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｏｐｔｏｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ，Ｍ ｕｅｎｃｈｅｎ，Ｗｉｅｎ，Ｈａｎｓｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ １９９５，９２−１ １４頁から公知である。ここに記載されているＬＥＤは、例えば、ＧａＰ−，Ｇ ａＡｓＰ−，ＧａＡｓ−，ＧａＡｌＡｓ−，ＩｎＧａＡｓＰ−，ＩｎＧａＮ−半 導体材料の基板上に製造されている。 従来公知の発光ダイオード構造の中心的な問題点は、ビームを発生する半導体 からのビームの効率的な、輻射（出力結合：Ａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ）である。 これは、半導体の前面によって行われるか、又は、側面によって行われる。多く の発光ダイオードは、付加的な特別な層をビーム分布のために有しており、それ により、半導体の境界面での全反射を抑制することができる。しかし、この構成 素子の外部量子効率（収量）は、相変わらず比較的小さい。 本発明の課題は、公知の発光ダイオードに比べて、高い外部量子効率を有して いるビーム放射光電構成素子を開発することにある。 この課題は、特許請求の範囲１記載の要件、つまり、ビーム発生体内に、導波 層及び波動伝搬配向部を有するプレーナ光導波路が設けられており、前記導波層 はビーム発生ゾーンを有しており、前記ビーム発生ゾーン内で、構成素子の作動 中電磁ビームが発生され、少なくとも、前記導波層は、前記電磁ビームの輻射（ 出力結合：Ａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ）のために、少なくとも１つの、前記波動伝 搬配向部に対して斜めに、プレーナ光導波路内に形成された外部側面を有してい るを有するビーム放射光電構成素子によって解決される。本発明の構成素子の有 利な実施例及び特に有利な実施例は、従属請求項２〜１１の対象である。 本発明によると、プレーナ光導波路を有するビーム発生体に導波層が設けられ ており、導波層はビーム発生ゾーンを有している。構成素子の作動中、このビー ム発生ゾーン内で、電磁ビームが発生される。プレーナ光導波路は、少なくとも １つのラテラルの輻射テーパ部を有しており、この輻射テーパ部を介して、構成 素子の作動中、ビーム発生ゾーン内で発生されたビームが導波路から空間ビーム としてビーム発生体の環境内に輻射される。 輻射テーパ部（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｔａｐｅｒ）と は、全く一般的に、波動伝搬方向に対して平行でも垂直でもなくて斜めに、プレ ーナ光導波路内に位置している、導波路の導波層の外側の側面のことである。 有利には、プレーナ光導波路の側面全体は、輻射テーパ部として構成されてい る。導波層の外側領域は、従って、導波層内で伝搬されるフォトン用のテーパ部 として作用する。 ビーム発生体の本発明の構造によると、ビーム発生ゾーンから放射されたフォ トンは、プレーナ光導波路の導波領域内、導波層内に限定して伝搬される。有利 には、ビーム発生ゾーン及びプレーナ光導波路は、特に、ＴＥ波の放射及びプレ ーナ光導波路のラテラルの放射が促進されるように構成されている。 従って、発生された電磁放射は、有利に、所定角度でラテラル輻射テーパ部に 供給される。 本発明のビーム放射光電構成素子の有利な実施例では、導波層は、２つの高反 射平行平面光反射層間に設けられており、この反射層は、ビーム放射半導体の場 合、有利には、ブラッグ（分布）反射器として構成されている。その種の構造は 、例えば、垂直共振器を有するレーザダイオードであり、そこでは、共振器鏡と して、大抵エピタキシャルブラッグ鏡が使用されている（Ｗ．Ｂｌｕｄａｕ（上 述）、１８８〜１８９頁参照）。 この実施例の重要な効果は、ビーム発生ゾーン、例 えば、ビーム発生ｐｎ接合部が、２つの高反射平行平面鏡間に挿入して形成され ていて、損失の少ないプレーナ光導波路を構成する点にある。そうすることによ って、有利にも、導波路内の光損失が明らかに低減される。エピタキシャルブラ ッグ鏡を用いると、例えば、９９％以上の反射係数を通常のように実施すること ができる。導波路を適切に選定することによって、導波路内の吸収損失を著しく 低減することもできる。 ビーム発生光電構成素子の特に有利な実施例では、ビーム発生体は、ビーム発 生ゾーンが単一又は多重量子井戸構造を有している半導体である。その種の構造 は、光半導体技術で同様に公知であり（Ｗ．Ｂｌｕｄａｕ（上述）、１８２〜１ ８７頁参照）、従って、ここでは詳細に説明しない。 特に有利には、圧縮応力が加えられた量子井戸が設けられており、該量子井戸 は、両反射層によって、有利には、ブラッグ反射器によって形成されたプレーナ 導波路のＴＥモードに最適に結合する。量子井戸は、有利には、構成素子の作動 中、波動伝搬方向に対して垂直に、プレーナ光導波路を構成する定在波領域の節 （ノード）の近傍に設けられる。そうすることによって、有利にも、ビーム発生 ゾーン内で発生された電磁ビームが、ラテラル、つまり、導波路に対して平行に 放射される。 本発明の構成素子の更に有利な実施例では、ビーム 発生体は、実質的に円筒対称の形状を有しており、その際、その対称軸線は、プ レーナ光導波路に対してほぼ垂直である。ビーム発生ゾーンは、有利には、フォ トンが、円筒対称の構造の軸線の近傍で発生されるように設けられている。 導波路内で、外側に向かうビームモードは、輻射テーパ部によって、ほぼ無損 失で空間波に変換され、従って、ビーム発生体から光を最適に輻射することがで きる。 更に特に有利な実施例では、輻射テーパ部と、プレーナ光導波路内でのビーム の伝搬方向とのなす角度は、約１°〜３０°である。電磁ビームの輻射を輻射テ ーパ部によって更に改善するためには、この輻射テーパ部に反射防止層を設ける と有利である。 更に、有利な実施例では、プレーナ光導波路の側面全体が、輻射テーパ部とし て構成されている。 本発明のビーム発生体は、有利には、従来のＬＥＤケーシング、例えば、側方 又は上方放射ＬＥＤ用の放射状ＬＥＤケーシング、ＳＭＤケーシング又はＳＯＴ ケーシング内に組み込んで、このケーシング内でビーム発生体がプラスチック内 に埋め込まれるようにするとよい。しかし、任意に他のＬＥＤケーシング構造形 式にしてもよい。 本発明の光電構成素子の別の実施形式及び実施例について、図１〜３に示した 実施例を用いて以下説明す る。その際： 図１は、実施例の垂直方向断面略図、 図２は、別の実施例の平面略図、 図３は、図２の実施例の側面略図 を示す。 図では、同じ構成部品及び同じ作用の構成部品は、それぞれ同じ参照番号が付 けられている。 図１の実施例は、垂直方向に傾斜付けられた発光ダイオードであり、この発光 ダイオードでは、例えば、ｎドーピングＧａＡｓ製基板１０の第１の主平面１１ 上に、例えば、それぞれ約１５０ｎｍ厚の約２０ｎドーピングされたＡｌＡｓ／ ＧａＡｓ層対から形成された第１のブラッグ反射（分布反射）層１が堆積されて いる。この種のブラッグ反射、並びに、その機能方式、及び、その製造方法は、 光半導体技術で公知であり、従って、ここでは詳細に説明しない。 ブラッグ反射層１上には、導波層３が設けられており、導波層３の、第１のブ ラッグ反射層１側の下側部分１９は、ｎドーピングＡｌＧａＡｓ（例えば、Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8Ａｓ、但し、ｎ≒５＊１０₁₇ｃｍ^-3）製であり、導波層３の、第１の ブラッグ反射層１とは反対側の部分２０は、例えば、ｐドーピングＡｌＧａＡｓ （例えば、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ、但し、ｐ≒５＊１０₁₇ｃｍ^-3）製であり、例え ば、全部で約３μｍ厚である。導波層３の上側部分２０と下側部分１９ との間に、非ドーピング再結合層４が設けられており、この非ドーピング再結合 層４は、例えば、約１０ｎｍ厚ＧａＡｓ障壁の３つの約８ｎｍ厚のＩｎ_0.2Ｇａ_{0 .8} Ａｓ量子井戸から形成されている。 導波層３の上には、第２のブラッグ反射層２が設けられており、この第２のブラ ッグ反射層２は、例えば、ｐドーピングＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ＧａＡｓ層対から 形成されていて、最下層として、即ち、導波層３に直ぐ隣接している層として、 約３０ｎｍ厚Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層（０．９７≦ｘ≦１）を、Ａｌ_xＯ_y層に対する 横方向酸化のために有する約２０ミラー対から形成されている。ｐドーピングブ ラッグ反射２の最下層は、面全体が酸化されてＡｌ_xＯ_yとなるのではなく、中間 領域に非酸化ゾーン１３を有している。このように、部分的に酸化されたＡｌＧ ａＡｓ層１２は、構成素子の作動中、半導体９内に横方向の電流通路を狭めるよ うに作用する。しかし、このことは、半導体９の所定領域が、イオンインプラン テーション又はラテラルインジェクションを用いて導電又は電気的に絶縁されて いるようにしても達成することができる。 第２のブラッグ反射層２の最上層、即ち、導波層３から最も離れている層は、 例えば、ｐドーピングＧａＡｓコンタクト層であり、このｐドーピングＧａＡｓ コンタクト層上にＴｉＰｔＡｕコンタクト１４が堆積されている。第２の電気コ ンタクト１６として、第１ の主面１１に対向する、基板１０の第２の主面１５上に、面全体に、例えば、Ａ ＵＧｅＮｉ製のｎコンタクトが堆積される。両ブラッグ反射層１，２は、例えば 、公知のように変調ドーピングされて、ビーム発生ゾーン４の内側のｐｎ接合部 の、外側電気コンタクト１４，１６への低オーミック結合が達成され、例えば、 階段（ｇｒａｄｕｉｅｒｔｅ）ヘテロ接合部を有する。 ブラッグ反射層１，２を含む導波層３の側面５は、ブラッグ反射層１，２の鏡 面に対して、従って、第１及び第２のブラッグ反射層１，２及び導波層３からな るプレーナ光導波路７に対して角度αだけ研磨により斜めの構造にされる。従っ て、この側面は、導波層内で、ビーム伝搬配向部１８内を外側に伝搬されるフォ トンに対してバーチカルラテラル輻射テーパ部（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｔａｐｅｒ ）として作用する。この角度αは、有利には、約１°〜３０°ある。斜め構造の 側面５上に、反射防止層８が堆積される。 図１の実施例のバーチカルラテラルテーパ構造に対して択一選択的に、ホリゾ ンタルラテラルテーパ構造を用いてもよい。そのための実施例は、図２及び３の 平面図乃至側面図に示されている。これは、層シーケンスに関して図１の実施例 と同一である。 しかし、ここでは、導波層３の側面５は、両鏡層を含めて、ブラッグ反射層１ ，２に対して斜めに形成さ れていない。光導波路７は、その代わりに、ブラッグ反射層１，２に対してバー チカル方向に、半導体９の中心方向に向かって形成された楔状の部分２１を有し ており、この楔状の部分の開角は、例えば、２０°以下にするとよく、１００μ ｍ以下のラテラルの楔状深さを有している。光導波路７の側面には、ここでも反 射防止層８が設けられている。 構成素子の特徴的な直径は、１００〜３００μｍである。ｐコンタクトの直径 が、５０〜１００μｍの大きさであることによって、テーパ領域は、２５〜１０ ０μｍで変化する。プレーナ光導波路の厚みに亘って、正方形状に層厚に亘って 取り除かれている残留性の吸収部を調整することができる。ブラッグ鏡の厚みは 、前述の例では、それぞれ約３μｍである。 既述の層シーケンスは、例えば、分子線エピタキシャル成長法で製造すること ができる。ｐドーピングのために、例えば、炭素を使うことができ、ｎドーピン グのために、シリコンを使うことができる。この製造は、例えば有機金属気相エ ピタキシャル成長法と同様に行うことができる。テーパ構造は、例えば、ドライ エッチングによって形成することができる。Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層の横方向酸化は 、約４００℃の水蒸気内で行うことができる。 上述のように、スター状のバーチカルラテラル輻射テーパ部又は単一楔状バー チカルラテラル輻射テーパ 部を使用することができるが、輻射テーパ部を他の適切な各形状にしてもよい。 図示の実施例に対して択一選択的な構造形式、例えば、非円筒対称な幾何形状 にすることも当然可能である。鏡を、例えば、金属層によって択一選択的に構成 してもよい。同様に、例えば、イオンインプランテーション又はバックワード（ バイアス）ｐｎダイオードによって電流通路を狭める他の手段を使ってもよい。 この構造は、実施例に記載された材料系に限定されるものではなく、例えば、Ｇ ａＡｓ基板上のＩｎＡｌＧａＰ又はＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ又はＳｉＣ− 又はサファイア基板上のＩｎＡｌＧａＮの材料系で形成してもよい。更に、前述 の構造は、II−VI半導体系又は有機発光構成素子で形成してもよい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年７月１日（１９９９．７．１） 【補正内容】 インコヒーレントビーム放射光電構成素子 本発明は、インコヒーレントビームを放射するビーム放射光電構成素子に関す る。これは、殊に、半導体発光ダイオードに関する。 半導体発光ダイオード（ＬＥＤ及びＩＲＥＤ）の種々の構成原理は、例えば、 Ｗ．Ｂｌｕｄａｕ，Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒ−Ｏｐｔｏｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ，Ｍ ｕｅｎｃｈｅｎ，Ｗｉｅｎ，Ｈａｎｓｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ １９９５，９２−１ １４頁から公知である。ここに記載されているＬＥＤは、例えば、ＧａＰ−，Ｇ ａＡｓＰ−，ＧａＡｓ−，ＧａＡｌＡｓ−，ＩｎＧａＡｓＰ−，ＩｎＧａＮ−半 導体材料の基板上に製造されている。 従来公知の発光ダイオード構造の中心的な問題点は、ビームを発生する半導体 からのビームの効率的な、輻射（出力結合：Ａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ）である。 これは、半導体の前面によって行われるか、又は、側面によって行われる。多く の発光ダイオードは、付加的な特別な層をビーム分布のために有しており、それ により、半導体の境界面での全反射を抑制することができる。しかし、この構成 素子の外部量子効率（収量）は、相変わらず比較的小さい。 本発明の課題は、公知の発光ダイオードに比べて、高い外部量子効率を有して いるビーム放射光電構成素子を開発することにある。 この課題は、特許請求の範囲１記載の要件、つまり、ビーム発生体内に、２つ の反射層間に設けられた導波層及び波動伝搬配向部を有するプレーナ光導波路が 設けられており、導波層はビーム発生ゾーンを有しており、ビーム発生ゾーン内 で、構成素子の作動中電磁ビームが発生され、半導体は、当該半導体内での横方 向の電流通路を狭めるための手段を有しており、少なくとも、導波層は、電磁ビ ームの輻射（Ａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ）のために、少なくとも１つの、波動伝搬 配向部に対してプレーナ光導波路内に斜めに形成された外部側面を有しているイ ンコヒーレントビーム放射光電構成素子によって解決される。本発明の構成素子 の有利な実施例及び特に有利な実施例は、従属請求項２〜１０の対象である。 本発明によると、プレーナ光導波路を有するビーム発生体に導波層が設けられ ており、導波層はビーム発生ゾーンを有している。構成素子の作動中、このビー ム発生ゾーン内で、電磁ビームが発生される。プレーナ光導波路は、少なくとも １つのラテラルの輻射テーパ部を有しており、この輻射テーパ部を介して、構成 素子の作動中、ビーム発生ゾーン内で発生されたビームが導波路から空間ビーム としてビーム発生体の環境 内に輻射される。 輻射テーパ部（Ａｕｓｋｏｐｐｅｌｔａｐｅｒ）とは、全く一般的に、波動伝 搬方向に対して平行でも垂直でもなくて斜めに、プレーナ光導波路内に位置して いる、導波路の導波層の外側の側面のことである。 有利には、プレーナ光導波路の側面全体は、輻射テーパ部として構成されてい る。導波層の外側領域は、従って、導波層内で伝搬されるフォトン用のテーパ部 として作用する。 ビーム発生体の本発明の構造によると、ビーム発生ゾーンから放射されたフォ トンは、プレーナ光導波路の導波領域内、導波層内に限定して伝搬される。有利 には、ビーム発生ゾーン及びプレーナ光導波路は、特に、ＴＥ波の放射及びプレ ーナ光導波路のラテラルの放射が促進されるように構成されている。 請求の範囲 １． インコヒーレントビーム放射光電構成素子において、 −ビーム発生体（９）内に、２つの反射層（１，２）間に設けられた導波層（ ３）及び波動伝搬配向部（１８）を有するプレーナ光導波路（７）が設けられて おり、 −前記導波層（３）はビーム発生ゾーン（４）を有しており、前記ビーム発生 ゾーン（４）内で、構成素子の作動中電磁ビームが発生され、 −半導体（９）は、当該半導体（９）内での横方向の電流通路を狭めるための 手段（１２，１３）を有しており、 −少なくとも、前記導波層（３）は、前記電磁ビームの輻射（Ａｕｓｋｏｐｐ ｌｕｎｇ）のために、少なくとも１つの、前記波動伝搬配向部（１８）に対して プレーナ光導波路（７）内に斜めに形成された外部側面（６）を有していること を特徴とするインコヒーレントビーム放射光電構成素子。 ２． 導波層（３）の側面は、２つの反射層（１，２）の側面を含めて、波動伝 搬層に対して共通に斜めに位置している側面（６）を形成している請求項１記載 のインコヒーレントビーム放射光電構成素子。 ３． 両反射層（１，２）は、それぞれ分布（ブラッ グ）反射器として構成されている請求項１又は２記載のインコヒーレントビーム 放射光電構成素子。 ４． プレーナ光導波路（７）内の波動伝搬配向部（１８）と、前記プレーナ光 導波路（７）に対して斜めに位置している外側の側面（６）とのなす角度は、１ °〜３０°の範囲内である請求項１〜３迄の何れか１記載のインコヒーレントビ ーム放射光電構成素子。 ５． ビーム発生体（９）は、ビーム発生ゾーン（４）が単一又は多重量子井戸 構造を有している半導体である請求項１〜４迄の何れか１記載のインコヒーレン トビーム放射光電構成素子。 ６． 単一乃至多重量子井戸構造は、圧縮応力が加えられた量子井戸から形成さ れている請求項５記載のインコヒーレントビーム放射光電構成素子。 ７． 量子井戸は、構成素子の作動中光導波路（７）に対してバーチカル方向に 形成された定在波領域（Ｓｔｅｈｗｅｌｌｅｎｆｅｌｄ）内に設けられている請 求項６記載のインコヒーレントビーム放射光電構成素子。 ８． 光導波路（７）は、バーチカルラテラル輻射テーパ部（６）として構成さ れている請求項１〜７迄の何れか１記載のビーム放射光電構成素子。 ９． 光導波路（７）は、ホリゾンタルラテラル輻射テーパ部として構成されて いる請求項１〜７迄の何 れか１記載のインコヒーレントビーム放射光電構成素子。 １０． 少なくとも、波動伝搬配向部（１８）に対して斜めにプレーナ光導波路 （７）内に設けられた外側の側面（６）に、反射防止層（８）が設けられている 請求項１〜９迄の何れか１記載のインコヒーレントビーム放射光電構成素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ビーム放射光電構成素子において、ビーム発生体（９）内に、導波層（３ ）及び波動伝搬配向部（１８）を有するプレーナ光導波路（７）が設けられてお り、前記導波層（３）はビーム発生ゾーン（４）を有しており、前記ビーム発生 ゾーン（４）内で、構成素子の作動中電磁ビームが発生され、少なくとも、前記 導波層（３）は、前記電磁ビームの輻射（Ａｕｓｋｏｐｐｌｕｎｇ）のために、 少なくとも１つの、前記波動伝搬配向部（１８）に対して斜めに、プレーナ光導 波路（７）内に形成された外部側面（６）を有していることを特徴とするビーム 放射光電構成素子。 ２． 導波層（３）は、２つの高反射平面平行光反射層（１，２）間に設けられ ている請求項１記載のビーム放射光電構成素子。 ３． 両反射層（１，２）は、それぞれ分布（ブラッグ）反射器として構成され ている請求項２記載のビーム放射光電構成素子。 ４． ビーム発生体（９）は、ビーム発生ゾーン（４）が単一又は多重量子井戸 構造を有している半導体である請求項１〜３迄の何れか１記載のビーム放射光電 構成素子。 ５． 単一乃至多重量子井戸構造は、プレーナ光導波 路（７）のＴＥモードに最適に結合されるように、圧縮応力が加えられた量子井 戸から形成されている請求項４記載のビーム放射光電構成素子。 ６． 量子井戸は、構成素子の作動中光導波路（７）に対してバーチカル方向に 形成された定在波領域（Ｓｔｅｈｗｅｌｌｅｎｆｅｌｄ）内に設けられている請 求項５記載のビーム放射光電構成素子。 ７． 光導波路（７）は、バーチカルラテラル輻射テーパ部（６）として構成さ れている請求項１〜６迄の何れか１記載のビーム放射光電構成素子。 ８． 光導波路（７）は、バーチカルラテラル輻射テーパ部として構成されてい る請求項１〜６迄の何れか１記載のビーム放射光電構成素子。 ９． 波動伝搬配向部（１８）に対して斜めにプレーナ光導波路（７）内に設け られた外側の側面（６）と、前記光導波路（７）内のビームの前記波動伝搬配向 部（１８）とのなす角度は、１°〜３０°の範囲内である請求項１〜８迄の何れ か１記載のビーム放射光電構成素子。 １０． 少なくとも、波動伝搬配向部（１８）に対して斜めにプレーナ光導波路 （７）内に設けられた外側の側面（６）に、反射防止層（８）が設けられている 請求項１〜９迄の何れか１記載のビーム放射光電構成素子。 １１． プレーナ光導波路（７）の外側の側面全体が 、波動伝搬配向部（７）に対して斜めにプレーナ光導波路（７）が設けられてい る請求項１〜１０迄の何れか１記載のビーム放射光電構成素子。