JP2007519244A - スーパールミネッセント発光ダイオード - Google Patents

Abstract

非レージングスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、ＰＮ接合部と光ビーム経路を規定する導波路とを形成する半導体ヘテロ構造を含む。ヘテロ構造は、光ビーム経路において、利得領域と、利得領域と直列の吸収領域とを含む。第１の接触手段によって利得領域におけるＰＮ接合部に電圧が印加されるので、活性領域から光ビーム経路に沿って光の放出が生じる。この発明に従って、第２の接触手段が設けられ、それが吸収領域におけるＰＮ接合部と接触し、吸収領域における吸収作用によって生じる電荷キャリアを除去する働きをする。第２の接触手段は、電圧源に接続されずに、金属面のような電荷キャリア貯蔵器に接続される。好ましい実施例に従って、導波路の２つの端面は、光ビーム経路に対して垂直である。

Description

発明の分野
この発明は、広帯域光源の分野に関する。この発明は特に、利得領域と吸収領域とを有するスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）に関する。

発明の背景
スーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、順方向にバイアスをかけられたとき、光学的に活性化して、広範囲の波長にわたって増幅された自然放出を発生させるダイオードである。レーザダイオードとは異なり、レージング作用を得るための十分なフィードバックはない（ここで「レージング」は、レーザの機能原理を説明するのに使用される。すなわち、反転分布をもたらすようにポンピングされ、かつフィードバックを与えるキャビティに配置される利得媒質において、フィードバックによる誘導放出を発生させ、結果としてコヒーレントな放射を生じさせることである）。これは通常、発生した放射が導波される傾斜した導波路と、反射防止膜が施された端面との共同作用によって実現される。ここでいう傾斜した導波路とは、デバイスの端面によって定められる平面に対して非垂直な導波路である。

ＳＬＥＤ（スーパールミネッセントダイオード、ＳＬＤと呼ばれることもある）は、従来のＬＥＤが発するよりも高い光強度が求められるが、放出される波長は広範なスペクトル域にわたって均等に分布していることが望ましい用途において魅力がある。したがって、第１の端面から出力される大量のインコヒーレント光を供給するＳＬＥＤにおいては、レーザ発振を抑制することが重要である。

米国特許第５，２５２，８３９号は、非垂直な端面および反射防止膜の他に、さらにフィードバックの発生を減少させてデバイスがレーザ発振する傾向を抑制するための方法を開示している。これは、導波構造における２つの領域に、ＰＮ接合部を設けることで実現される。すなわち、順方向のバイアスがかけられて利得領域として機能する第１の領域および逆方向のバイアスがかけられてシュタルク吸収またはフランツ・ケルディッシュ効果により光吸収領域として機能する第２の領域である。このようにして、キャビティにおけるパワーロスが一層増大し、フィードバックが一層減少して、より高輝度の非レージング光源が可能となるが、その代償として構成がより複雑化する。

最新のＳＬＥＤには、従来のバルク構造を有するデバイスが含まれるが、単結晶基板に蒸着された複数の極薄の層からなる構造（いわゆる量子井戸構造）を有するデバイスも含まれる。そのようなバルク半導体および量子井戸構造の量産は十分に発達しており、ＳＬＥＤを合理的かつ経済的に製造することは可能であろう。しかし、非垂直の端面を実現するための傾斜導波路またはその他の手段によって、標準的な製造方法ではＳＬＥＤデバイスを実装するのが困難となっている。

発明の概要
この発明の目的は、先行技術のスーパールミネッセント発光ダイオードの欠点を克服し、特に標準的な製造方法によって安価で生産でき、出力強度の高い動作を可能にしながらも、確実にレージング作用を防止できるスーパールミネッセント発光ダイオードを提供することである。

したがって、ＰＮ接合部と光ビーム経路を規定する導波路とを形成する半導体ヘテロ構造を含むＳＬＥＤが提供される。ヘテロ構造は、光ビーム経路において、利得領域と、利得領域と直列の吸収領域とを備える。第１の接触手段により、利得領域におけるＰＮ接合部に電圧を順方向に印加することで、電流を注入して、活性領域から光ビーム経路に沿って光の放出を発生させることができる。発生した光は、導波路を通って両側に伝搬する。吸収領域に導波された光は、そこで吸収される。吸収された光子は、電子「正孔」対を発生させる。これらの対は、消滅しないときは、再結合して再び光を発生させる。さらに、電子正孔対の個数が多いと、吸収部に対して漂白効果を及ぼす。したがって、光を吸収する部分を、たとえば金属面と接触させることで、電子正孔対を分離することができる。そこで、電子は金属部に流れて正孔と分かれるので、光が効率的かつ連続的に吸収される。つまり、吸収領域におけるＰＮ接合部も接触させるので、吸収の過程で生じた電荷キャリア（すなわち、電子および正孔）を消滅させることができる。この接触により、吸収領域におけるＰＮ接合部は実質的にゼロバイアスに保たれ、吸収部の漂白が防止される。

ここでいう「光」は、電磁放射を指し、特に、半導体ヘテロ構造に電流を注入することによって生じる電磁放射を指す。それには、（特に近赤外領域および中赤外領域における）赤外線、可視光線が含まれ、特定の状況においては紫外線も含まれる。

上述の原理によってもたらされる効率的な吸収機構によって、導波路の方向に対して垂直な導波路の端面を設けることができる。この構成により、印加する電圧は１つのみという要件と関連して、レーザダイオード向けとして知られる「ＴＯ缶」などの標準的なケーシングを使用することが可能となる。対照的に、傾斜導波路を有する最新式のＳＬＥＤには、専用のハウジングを設ける必要がある。標準的なケーシングを使用することで、収納されるＳＬＥＤデバイスのコストを大幅に削減できる。

吸収領域で生成される光電流は、吸収された放射に比例する。これを利用して、利得領域で生じる放射の強さの尺度とすることができる。

半導体ヘテロ構造は、好ましくは、ＰＮ接合部を形成する、平行に積み重なった層を含む。これらの層は、屈折率のより低い最上および最下のクラッド層の内部に埋め込まれる活性層を含み、それによって、縦（すなわち層の面に対して垂直な）方向の導波路を規定してもよい。活性領域は、好ましくは、第１の端面に隣接し、一方で光吸収領域は、第２の端面に隣接していてもよい。光導波路は、活性領域の流れから光吸収領域まで連続的に延在する。

活性領域は、Ａｌ−Ｉｎ−Ｇａ−Ａｓ化合物、Ｉｎ−Ｇａ−Ｐ−Ａｓ化合物および／またはＡｌ−Ｇａ−Ａｓ化合物のようなＩＩＩ−Ｖ化合物を含んでいてもよい。放射の波長は、たとえば７００から２０００ｎｍの範囲内であってもよく、当該技術で周知のように、適切な化合物を選んで調整してもよい。

以下に、図面を参照しつつ、この発明の実施例を説明する。図面はすべて概略図であり、原寸に比例するものではない。それぞれの図面において、対応する構成要素には同一の参照符号が付けられている。

好ましい実施例の説明
図１に概略的に示すデバイスは、ＧａＡｓ基板１を備える半導体ヘテロ構造を含む。この基板は、Ｓｉドープされた（ここでのＳｉドーピングはｎドーピング）ＩｎＧａＰ半導体クラッド層２を含む。Ｓｉドープされたクラッド層の上には、ＰＮ接合部を形成する積
層構造が配置される。図示の実施例では、ＳｉドープされたＩｎＧａＡｓＰクラッド層３とＺｎドープされた（ここでのＺｎドーピングはｐドーピング）ＩｎＧａＡｓＰクラッド層４との間の、ドープされていないＩｎＧａＡｓＰ「バルク」構造層６により、ＰＮ接合部が形成される。この積層構造は、ＺｎドープされたＩｎＧａＰクラッド層５によって被覆されている。ｎドープおよびｐドープされたクラッド層３、４の屈折率は、活性「バルク」層６の屈折率よりも高いので、電流が注入されたときにＰＮ接合部で生じる光の導波路が形成される。横方向の閉じ込めは、リッジ導波構造（弱屈折率導波構造）によって得られる。電流を注入できるように、デバイスは２つの金属電極７、８を含み、それらの電極を通して、ＰＮ接合部のｎドープおよびｐドープされた側に電荷キャリアを注入することができる。図示の構成では、電流の方向は、図１における上から下である。すなわち、電流は、基板を通ってｎ側の電極に導かれる。図示の実施例では、下部電極８（ｎ電極）は同時に、その下にある、たとえばプリント回路基板要素またはその他の種類の電気的接続要素であるキャリア要素９のコンタクト層である。

図２から最もよくわかるように、ヘテロ構造１０は、長手方向すなわち光の経路の方向において、互いに直列の２つの領域を含む。活性領域１１において、上部電極７（すなわちｐ電極）は、ワイヤボンド１３と接触して、電流源と接続した状態にある。プラスの接触域１７と下部電極８との間に電圧を印加する外部電圧源１８を、極めて概略的に図示している。図面では２つのワイヤボンドを示しているが、活性領域１１に電流を供給するにあたっては、１つのワイヤボンドを選択してもよいし、または任意の数のワイヤボンドを選択してもよい。

この発明に従って、吸収領域１２が設けられる。吸収領域１２は、活性領域と同じ種類のＰＮ接合部を含む（すなわち、図１に示す層構造は、図２に示されるように上部電極７が中断されている点を除き、長手方向において実質的に変化はない）。これには、製造が容易であるという利点がある。さらに、吸収領域における電子構造は、活性領域における電子構造と対応しているので、活性領域で放出された光は、吸収領域で効率的に吸収される。次いで好ましい実施例によれば、吸収領域の層の組成、したがって電子構造は、活性領域の対応する組成／構造とは異なるが、吸収領域におけるバンドギャップは、活性領域におけるバンドギャップより実質的に大きくなってはならない。

吸収領域における上部電極は、ワイヤボンド１４と接触して、それによって下部電極と接続しているので、ＰＮ接合部はゼロバイアスに保たれる。この実施例の下部電極は、電荷キャリア貯蔵器として機能し、そこでは、光経路における半導体材料内で吸収作用によって生じた電荷キャリアを消滅させることができる。上部電極を下部電極に接続する代わりに、他の種類の貯蔵器に接続してもよい。たとえば、キャリア要素９上に設けられる金属面、ケーシングその他、または下部電極の電位に対応する規定の電位に保たれた要素、または十分な容量もしくは電荷キャリアの消滅によって、吸収部で生じる光電流を帯電されることなく吸収する要素などの貯蔵器に接続してもよい。実際のところ、そのような貯蔵器の唯一の要件は、生じた電荷キャリアによって半導体材料が帯電されるのを防ぐことである。

図２にも見られるように、導波路の２つの端面（図面では破線で示す）は、導波路の方向すなわち光ビーム経路に対して垂直である。このため、製造上有利となり、レーザダイオード向けで知られるハウジングおよびその他の光学部品を使用することが可能となる。これらの平行な端面は、（望ましくない）レージング作用のための共振器となり得るファブリ・ペロー・エタロンを構成する。しかしながら、この発明に従う吸収領域によって、ファブリ・ペローの構成にもかかわらず、レージング作用は防止される。

光ビーム経路に対して垂直な端面は、数多くの用途において有利であるが、この発明は
、このような導波機構に限定されず、少なくとも一方の端面（たとえば、吸収領域に近い方の端面）が光ビーム経路の方向に対して非垂直な構成も含む。

図示の対策に加えて、端面の一方または両方に反射防止膜（図示せず）を任意で設けてもよい。

さらに、ワイヤボンド１４を通って放出された光電流を測定して、利得領域で生成される放射の強さに関するモニタリング信号を得ることもできる。この原理は、無漂白の吸収部（たとえば、バイアスのかかっていないＰＮ接合部）においては、吸収された光電流は、入射光の強度に比例するという見識に基づいている。ワイヤボンドは、測定装置（図示せず）に電気的に接続され、これを通してのみ、他の電極または他の種類の電荷貯蔵器と接続される。光電流は、強度の基準となる尺度であり、層の厚さ、形状などの他の要因によっても左右される。絶対光強度信号が所望される場合、最初にモニタリング手段を較正する必要がある。

図５は、吸収領域の接触の効果を示す。図５に示すように、あるデバイスで放出されるパワーのスペクトルを表している。吸収部の接触がない場合、このスペクトルは、選択された強度全体で、あるピークを含む。このピークは、２つの端面間に構成されるファブリ・ペロー共振器の共振周波数が原因で生じると考えることができ、明らかに好ましくないレージング作用を表すものである。一旦吸収領域が接触すると、スペクトルは均一な分布を示す。

図示の実施例における活性領域（長さ５００μm）は、吸収領域（２５０μm。チップ全長が１０００μmの場合、利得および吸収部の間の距離は２５０μm）より大きいが、これが実情でなければならないことはない。それ以外に、多種多様な幾何学的構成が可能であり、それには吸収領域が利得領域より大きい構成も含まれる。

ワイヤボンドを使用する代わりに、吸収領域は（実際には活性領域も）、金属片または任意の種類のワイヤもしくは金属接続部で接触させてもよい。

半導体ヘテロ構造に可能な材料には、ＩｎＰ、ＧａＡｓおよびその他のあらゆる既知または未知の好適な半導体材料が含まれる。これらは、上述の方式に従ってｐドープおよびｎドープされる。

図示したすべての実施例において、ｐドープされた層とｎドープされた層とは入れ換え可能である。

図３および図４は、この発明のさらに別の実施例のヘテロ構造を表す。図３の実施例では、活性層における光と同様に、ＰＮ接合部における光は、屈折率の高い材料２１によって横方向に閉じ込められる。屈折率の高い材料とは、対応する基板上に格子が整合して成長し得る半絶縁層（たとえば、ＩｎＰデバイスにおけるＩｎＰ：Ｆｅ）などである。一方、図４では、横方向の閉じ込めは、中間のリッジを定める２つの溝２２によって達成される。図示の実施例の溝は、ｐドープされた電極およびクラッド層を遮断しているが、それより深いところを通ってもよい。強屈折率導波型（図３）および弱屈折率導波型（図４）のヘテロ構造はさらに、図１に示す実施例とは異なり、バルクＰＮ接合部の代わりに多重量子井戸構造２１が設けられる。このようなＭＱＷ構造によって、発せられた光の縦方向の閉じ込めが強化され、そのために光強度が増す。一例として、ＭＱＷ構造の井戸は（ＩｎＰ上で）ドープされていないＧａ_0.23Ｉｎ_0.77Ａｓ_0.84Ｐ_0.16から作ることができ、障壁はドープされていないＧａ_0.46Ｉｎ_0.54Ａｓ_0.8Ｐ_0.2から作ることができる。

バルク構造またはＭＱＷ構造の代わりに、ＰＮ接合部を中心とする他の構成を用いてもよい。たとえば、単一量子井戸、量子細線、量子ドットなどがある（ピーター・ゾリ（Peter Zori）による「量子井戸レーザー」アカデミック・プレス、１９８６年（"Quantum Well Lasers", Academic Press 1986）を参照）。ＭＷＱおよびその他の積層構造は、それ自体当該技術において既知であるので、ここでは詳細に説明しない。

横方向の閉じ込めを実現するための図３および図４の構成はいずれも、ＭＱＷ構造の代わりに「バルク」構造に用いることもできる。図示の導波機構の他に、レーザダイオード向けで既知のものに類似した、利得導波構造も可能である。

半導体ヘテロ構造の製造方法は、レーザダイオードおよびＬＥＤ製造業界で既知である。よって、ここではそれについて説明しない。

図６は、標準的なハウジングに収められた上述のデバイスを含む装置を示す。（比較のために図７に示すように）チップをハウジング内で斜めに配置する必要があるために傾斜した導波路を設ける代わりに、垂直な導波路を設けることで、ＴＯハウジングの使用が可能になり、ＳＬＥＤチップをそのハウジングと同心に配置できる。光学経路はハウジングの中央にあるので、小型レンズの整列がより容易となる。すなわち、このハウジングは、基本的に円筒形状（接触手段を除く）を含み、よって対称軸を有する。光ビーム経路は、実質的にこの対称軸と平行であり、図示の実施例では、対称軸と一致している。図６および図７の下部パネルはいずれも、チップの正面のみを示す概略上面図である。ハウジング内の円盤状の構造は、電気接点を表わす。

この発明の範囲と精神から逸脱することなく、その他さまざまな実施例を想定できる。

この発明に従うデバイスの横断面を示す図である。 図１のデバイスの平面図である。 この発明のさらに別の実施例の横断面を示す図である。 この発明のさらに別の実施例の横断面を示す図である。 この発明に従うデバイスのパワースペクトルおよび比較サンプルを示す図である。 標準的なケーシング内にある、この発明に従うデバイスを示す図である。 比較のために、標準的なケーシング内にある、先行技術の仮定上の構成を示す図である。

Claims (20)

1. 非レージングスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）であって、ＰＮ接合部と光ビーム経路を規定する導波路とを形成する半導体ヘテロ構造を含み、
   ヘテロ構造は、光ビーム経路において、利得領域と、利得領域と直列の吸収領域とを備え、
   利得領域におけるＰＮ接合部に電圧を順方向に印加して、利得領域から光ビーム経路に沿って光の放出を発生させるための第１の接触手段をさらに含み、
   吸収領域におけるＰＮ接合部と接触し、吸収領域における吸収作用によって生じる電荷キャリアを除去する働きをする第２の接触手段をさらに含み、第２の接触手段は、活性電圧源には接続されない、非レージングスーパールミネッセント発光ダイオード。
2. 導波路は２つの端面を含み、端面は光ビーム経路に対して垂直である、請求項１に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
3. 第２の接触手段は、吸収領域においてＰＮ接合部をゼロバイアスに保つように配線接続される、請求項１または２に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
4. ＰＮ接合部はｎドープされた側とｐドープされた側とを含み、ｎドープされた側とｐドープされた側の少なくとも一方は、第２の接触手段によって、ヘテロ構造の外側の金属面に接続される、請求項１から３のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
5. 利得領域および吸収領域におけるＰＮ接合部は、ｐドープされた構成要素とｎドープされた構成要素とを含むバルクｐｎ接合部であり、そのいずれもが１０ｎｍを超える層厚を有する、請求項１から４のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
6. 半導体ヘテロ構造は利得領域において多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を備え、かつＰＮ接合部は前記多重量子井戸構造において形成され、または半導体ヘテロ構造は利得領域において量子細線もしくは量子ドットを備える、請求項１から４のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
7. 導波路は屈折率誘導型である、請求項１から６のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
8. 導波路は利得誘導型である、請求項１から６のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
9. ヘテロ構造における発光層は、ＡｌＩｎＧａＡｓ化合物、ＩｎＧａＰＡｓ化合物および／またはＡｌＧａＡｓ化合物などのＩＩＩ−Ｖ化合物を含む、請求項１から８のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
10. 半導体ヘテロ構造は、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、第１および第２のクラッド層の間にＰＮ接合積層構造とを含み、ＰＮ接合積層構造は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造またはｐドープされた材料のバルク層とｎドープされた材料のバルク層とを含み、ヘテロ構造はさらに、第１の金属電極と電気的に接触している第１のクラッド層と、第２の金属電極と電気的に接触している第２のクラッド層とを含み、第１の金属電極または第２の金属電極または両方の金属電極は、利得領域と吸収領域との間で中断される、請求項１から９のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
11. 利得領域の出力パワーについてのモニタリング信号を得るために前記電荷キャリアを除去することによって生じる電流を測定するための検出手段をさらに含む、請求項１から１０のいずれかに記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
12. 半導体ヘテロ構造を含むスーパールミネッセント発光ダイオードであって、半導体ヘテロ構造は、光ビーム経路を規定し、かつ利得領域を備える導波構造を形成し、利得領域は、接触手段を通して電流が注入されると、光ビーム経路に電磁放射を放出し、導波構造はさらに、光ビーム経路において利得領域と直列の、バイアスのかかっていないＰＮ接合部を備える、スーパールミネッセント発光ダイオード。
13. 導波構造は、光ビーム経路に平行な長手方向において導波構造を制限する２つの端面を含み、端面は長手方向に対して垂直である、請求項１１に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
14. 活性領域において放出される放射によって生じ、かつバイアスのかかっていないＰＮ接合部において吸収される光電流をモニタリングし、それによって利得領域において放出される光の尺度であるモニタリング信号を生成するためのモニタリング手段を含む、請求項１１または１２に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
15. 半導体ヘテロ構造を含むスーパールミネッセント発光ダイオードであって、半導体ヘテロ構造は、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、第１および第２のクラッド層の間に設けられる光ビーム経路とを備え、ヘテロ構造は、電流が注入されると、光ビーム経路に電磁放射を放出する発光機構を備え、ビーム経路はさらに、光吸収半導体機構を備え、前記光吸収半導体機構は電荷キャリア貯蔵器に接続される、スーパールミネッセント発光ダイオード。
16. 前記電荷キャリア貯蔵器は金属面を含む、請求項１４に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
17. 半導体ヘテロ構造における光ビーム経路は、光ビーム経路に対して垂直である２つの端面によって制限される、請求項１４または１５に記載のスーパールミネッセント発光ダイオード。
18. 非レージングスーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）であって、半導体ヘテロ構造と光ビーム経路を規定する導波路とを含み、
    導波路は、光ビーム経路に沿って、
    光ビーム経路の方向に導波路の範囲を定める第１の端面と、
    光ビーム経路に沿って伝わる光を吸収する働きをする半導体材料を含む吸収領域と、
    利得領域とを含み、ヘテロ構造は、ＰＮ接合部と、ＰＮ接合部に電流を注入して、それによって光ビーム経路に放出される電磁放射を生成するための接触手段とを含み、前記導波路はさらに、
    光ビーム経路の方向に導波路の範囲を定める第２の端面を含み、前記端面を通って導波路からの光が結合され、
    第１および第２の端面は、光ビーム経路に対して垂直である、非レージングスーパールミネッセント発光ダイオード。
19. 半導体ヘテロ構造を有する、特に請求項の１から１８のいずれかに記載のスーパールミネッセントダイオードを含むスーパールミネッセント装置であって、
    半導体ヘテロ構造は、第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、第１および第２のクラッド層の間に設けられる光ビーム経路とを含む導波構造を備え、ヘテロ構造は、電流が
    注入されると、光ビーム経路に電磁放射を放出する発光機構を備え、ビーム経路はさらに光吸収半導体機構を備え、導波構造は、光ビーム経路に対して垂直である２つの端面によって、光ビーム経路の方向に範囲が定められ、前記スーパールミネッセント発光ダイオードは、対称軸を含むハウジングに収納され、前記ハウジングにおいて、前記光ビーム経路は対称軸に平行である、スーパールミネッセント装置。
20. 前記光吸収半導体機構はゼロバイアスされたＰＮ接合部を含む、請求項１８に記載のスーパールミネッセント装置。

Images