JP5221180B2 - 発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子に係わり、特に、発光出力を高くしつつＦＦＰの形状を狭く制御した発光素子に関する。

センサー用途に用いられる点光源用の電流狭窄型発光ダイオードには、共振共鳴型発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）が用いられる。これは、波長制御が容易なこと、スペクトル幅が狭く、波長選択性に優れること、発光形状を容易に選択でき、レンズが不要となること、レーザではないのでアイセーフの問題を気にする必要がないことなどの理由により、センサー用途に好適だからである。

ＲＣＬＥＤは、垂直共振器型面発光レーザと類似な構造をした発光素子であり、活性層をＰ型クラッド層とＮ型クラッド層で挟んだダブルへテロ構造を、低屈折層と高屈折層を繰り返し積層した半導体分布ブラッグ反射型ミラー層（以下、ＤＢＲミラー層と記載する。）で挟んだ構造を有している。ＤＢＲミラーはＡｌＧａＡｓ系の半導体層から構成されているが、高反射帯域の波長域を十分広くするためには、低屈折層と高屈折層との屈折率差をできるだけ大きくすることが望ましい。

ところで、ＲＣＬＥＤをセンサー等で使用する場合における重要な設計パラメータの一つにファーフィールドパターン（ＦＦＰ）がある。このＦＦＰとは、ＬＥＤを点光源とみなしたときに、どの程度の発光の広がりを持つかどうかを見る指標の一つである。そして、従来のＲＣＬＥＤのＦＦＰを制御する方法としては、発光波長と共振器長を適切に設計する方法がある（例えば特許文献１参照）。

特許第３７１６４８３号公報

しかしながら、上述した発光波長と共振器長を適切に設計する方法では、ＦＦＰを十分に制御できないことが分かった。つまり、ＲＣＬＥＤにおけるＦＦＰを制御するには発光波長と共振器長のパラメータだけでは不足していることが分かった。そして、ＲＣＬＥＤにおけるＦＦＰへ影響を及ぼすパラメータとして、発光波長と共振器長に加え、ＤＢＲミラー層の中心波長も重要なパラメータであることが分かった。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、発光出力を高くしつつＦＦＰの形状を狭く制御した発光素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る発光素子は、第１ブラッグ反射型ミラー層と、
前記第１ブラッグ反射型ミラー層より光射出面側に形成された第２ブラッグ反射型ミラー層と、
前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の間に位置する活性層と、
を具備する発光素子であって、
前記発光素子の設計波長をλＰＬとし、前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の中心波長をλcntとした場合に下記式を満たすことを特徴とする。
λＰＬ＜λcnt（単位：ｎｍ）≦λＰＬ＋１０

上記本発明に係る発光素子によれば、上記式を満たすように設計することにより、発光出力を高くしつつＦＦＰの形状を狭く制御することが可能となる。

また、本発明に係る発光素子において、第１ブラッグ反射型ミラー層と第２ブラッグ反射型ミラー層で挟まれた層の合計の厚みを共振器長Ｌとし、共振器内の平均屈折率をｎ（ａｖｅ）とし、ｍを自然数とし、Ｘｍを共振器調整係数とした場合に下記式が成り立ち、
下記式における（（ｍ／４）−Ｘｍ）の範囲は、ｍが６のとき、１．４〜１．５５であることが好ましい。
Ｌ＝（（ｍ／４）−Ｘｍ）×λＰＬ／ｎ（ａｖｅ）

本発明によれば、発光出力を高くしつつＦＦＰの形状を狭く制御した発光素子を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る発光素子の構成を説明する為の縦断面図である。本図に示す発光素子は、基板１０１の表面上に、バッファ層１０２、第１ＤＢＲミラー層１０３、第１クラッド層１０４、活性層１０５、第２クラッド層１０６、開口部を有する電流狭窄層１０７、第２ＤＢＲミラー層１０８、及び開口部を有するコンタクト層１１０をこの順に積層し、さらにコンタクト層１１０上にオーミック電極（図示せず）を形成したものである。なお、基板１０１の裏面にも図示しない電極が形成されている。第１クラッド層１０４、活性層１０５、及び第２クラッド層１０６により量子井戸活性層を挟み込んだダブルヘテロ構造が形成されている。

上記の構造において、基板１０１が第１導電型（例えばｎ型）である場合、バッファ層１０２、第１ＤＢＲミラー層１０３、第１クラッド層１０４、及び電流狭窄層１０７は第１導電型（例えばｎ型）であり、第２クラッド層１０６、第２ＤＢＲミラー層１０８、及びコンタクト層１１０は第２導電型（例えばｐ型）とすることができる。

例えば基板１０１がｎ型ＧａＡｓ基板である場合、バッファ層１０２はｎ型ＧａＡｓ層、第１ＤＢＲミラー層（ｎ−ＤＢＲ）１０３はｎ型Ａｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ層及びｎ型Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＡｓ層（０≦ａ＜ｂ≦１）を交互に複数積層した構造、第１クラッド層（ｎ−ｃｌａｄ）１０４はｎ型Ａｌ_ｃＧａ_ｄＩｎ_{１−ｃ−ｄ}Ｐ膜（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、かつ０≦ｃ＋ｄ≦１）、第２クラッド層（ｐ−ｃｌａｄ）１０６はｐ型Ａｌ_ｅＧａ_ｆＩｎ_{１−ｅ−ｆ}Ｐ膜（０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、かつ０≦ｅ＋ｆ≦１）、電流狭窄層１０７はｎ型Ａｌ_ｇＧａ_ｈＩｎ_{１−ｇ−ｈ}Ｐ膜（０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、かつ０≦ｇ＋ｈ≦１）、第２ＤＢＲミラー層（ｐ−ＤＢＲ）１０８はｐ型Ａｌ_ｉＧａ_１−ｉＡｓ層及びｐ型Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＡｓ層（０≦ｉ＜ｊ≦１）を交互に複数積層した構造、コンタクト層１１０はｐ型ＧａＡｓ層とすることができる。

また活性層１０５は、量子井戸層とバリア層を交互に複数積層した量子井戸構造とすることができる。量子井戸層は、例えばアンドープのＡｌ_αＧａ_βＩｎ_{１−α−β}Ｐ膜（０≦α≦１、０≦β≦１、かつ０≦α＋β≦１）により形成され、バリア層はアンドープのＡｌ_γＧａ_θＩｎ_{１−γ−θ}Ｐ膜（０≦γ≦１、０≦θ≦１、かつ０≦γ＋θ≦１）により形成される。

ｎ型の第１ＤＢＲミラー層（ｎ−ＤＢＲ）１０３及びｐ型の第２ＤＢＲミラー層（ｐ−ＤＢＲ）１０８は、異なる屈折率を有する膜を交互に積層した構造とすることができる。その積層数を増加させることでＤＢＲ層の光の反射率を高めることができるため、反射率の低いＤＢＲ層、すなわち積層数の少ないＤＢＲ層側（本実施形態では第２ＤＢＲミラー層１０８側）より光を出射することができる。つまり、基板１０１側に位置する第１ＤＢＲミラー層１０３の反射率は高いほど良い。また、光出射側の第２ＤＢＲミラー層１０８の反射率が高いほどＦＦＰは狭くなるが、高すぎると発光出力が低下してしまう。また、ＤＢＲ層の構成は、ＤＢＲ層で反射率が最大となるように設定している。

また、活性層１０５を、所定の間隔で配置した第１ＤＢＲミラー層１０３及び第２ＤＢＲミラー層１０８に挟んだ構造とすることで、共振器構造となる。

活性層１０５から下方に射出した波長λの光は第１ＤＢＲミラー層１０３によって反射される。第１ＤＢＲミラー層１０３からの反射した波長λの光、及び活性層１０５から上方に射出した波長λの光は第２ＤＢＲミラー層１０８に入射する。第２ＤＢＲミラー層１０８に入射した波長λの光は反射し、第１ＤＢＲミラー層１０３、第２ＤＢＲミラー層１０８間に光の定在波を形成する。そして、第２ＤＢＲミラー層１０８の反射率を第１ＤＢＲミラー層１０３の反射率に対して低くすることで、第２ＤＢＲミラー層１０８に入射した波長λの光の一部を第２ＤＢＲ層１０８の上面側より出射することができる。この共振型発光ダイオードから発光される光は、ある波長λの光が共振により増幅されているため、発光スペクトルの波長幅が狭く、発光強度の強い光となる。

本実施の形態では、活性層の上方に電流狭窄層１０７を設けた電流狭窄構造としている。この電流狭窄層１０７は開口部を有し、その開口部が電流通路となっている。この電流狭窄層により、コンタクト層１１０から注入される電流は電流狭窄層１０７の開口部領域に狭窄されるため、開口部の直下の活性層の電流(キャリア)密度を高めることができる。そのため、発光出力が高く、かつ応答速度の速い発光素子とすることができる。また、活性層より発光した光は電流狭窄層１０７の開口部に設けられた第２ＤＢＲミラー層１０８と活性層１０５下方の第１ＤＢＲミラー層１０３間で共振し、その共振された光の一部が電流狭窄層１０７の開口部から上部に出射される。そして電流狭窄層１０７の開口部とコンタクト層１１０及びオーミック電極に設けられた開口部とが重複しているため、電極層による光の吸収が抑制され、発光出力が高まっている。

次に、ＦＦＰを制御するためのパラメータの設計方法について説明する。

ＤＢＲミラー層は、垂直方向への反射率を基準に設計される。この時、ＤＢＲミラー層が設計波長に対して最大の反射率を持つ波長をＤＢＲの中心波長としてＤＢＲの帯域が形成される。ＤＢＲの帯域とは、前記ＤＢＲの中心波長から前記最大の反射率が半分になる波長までの波長の間隔であり、短波側と長波側の合計である。
しかし、ＤＢＲミラー層は前記垂直方向に対して斜め方向にも反射率を持つ。この斜め方向への反射率は、設計波長に対しては低下してしまい、その最大反射率を持つ波長は短波へシフトしてしまう。このため、ＤＢＲの中心波長を斜め方向への反射率を考慮せずに設計すると、斜め方向の共振が強く起こり、結果として、ＦＦＰにおいて、斜め方向の光が強くなってしまうことが分かった。

そこで、本発明では、発光波長と共振器長を決めたときのＤＢＲの中心波長と帯域を適切に設計することにより、ＲＣＬＥＤにおけるＦＦＰを所望の形状に制御することが可能となる。特に、点光源のセンサー用途として好適な特性として、ＦＦＰの形状を狭く制御することが可能となる。

以下に詳細に説明する。
活性層のＰＬスペクトルを好適に観察できるサンプルを準備し、ＰＬ測定装置によりＰＬスペクトルのピーク波長λＰＬを測定する。ＰＬ測定装置は、ＰＨＩＬＰＳ社製ＰＬＭ−１００を用いた。これによって測定したλＰＬを設計波長と定める。測定したＰＬスペクトルの例を図１に示す。このλＰＬを変更すると、他のパラメータも全て変更となるので最初に決めるのが良い。

第１ＤＢＲミラー層１０３と第２ＤＢＲミラー層１０８の最短間隔Ａ、即ち第１ＤＢＲミラー層１０３と第２ＤＢＲミラー層１０８で挟まれた層の厚みを合計した厚みが、共振器長となる。この共振器長をＬとし、共振器内の平均屈折率をｎ（ａｖｅ）とし、ｍを自然数とし、Ｘｍを共振器調整係数とすると、下記式（１）が成り立つ。
Ｌ＝（（ｍ／４）−Ｘｍ）×λＰＬ／ｎ（ａｖｅ） ・・・（１）
ここで平均屈折率ｎ（ａｖｅ）は、共振器内に含まれる層（本実施の形態では、第１クラッド層１０４、活性層１０５及び第２クラッド層１０６である）を別途基板上に成膜し、エリプソメーターにて各層の屈折率を測定し、共振器内の各層の厚みに応じた重み付き平均を計算することで定義する。

共振を強めるためには、上記式（１）においてｍを４〜８とし、Ｘｍを０とするのが好適である。ｍが３以下ではキャリアの閉じ込めが不十分で発光効率が低下し、ｍが９以上では、共振器長が長くなり、共振効果が低下するためである。
このｍの値から、ＸｍＸをプラス、すなわち共振器長Ｌを長くすると、共振波長は長くなるが、斜め方向に共振する波長が増え、ＦＦＰが広がる傾向となるので望ましくない。また、Ｘｍをマイナス、すなわち共振器長を短くすると、共振波長は短くなるが、斜め方向の共振が起きずＦＦＰは狭まる傾向となる。ただし、共振器長を短くしすぎると、共振効果が低下するため、発光出力の低下を招くので望ましくない。例えば、本発明の望ましい（（ｍ／４）−Ｘｍ）の範囲は、ｍが６のとき、１．４〜１．５５である（Ｘｍ＝−０．１〜＋０．０５）。そしてｍが小さく共振器長が小さければ調整係数Ｘｍの範囲も狭くなり、ｍが大きく共振器長が大きければ調整係数Ｘｍの範囲も大きくなる。Ｘｍは自然数ｍ（４〜８）によって表される下記式の範囲が好ましい。
−０．１×ｍ／６≦Ｘｍ≦０．０５×ｍ／６

ＤＢＲの中心波長をλcntとすると、その範囲を下記式（２）のようにすることにより、ＲＣＬＥＤにおけるＦＦＰの形状を狭く制御することが可能となる。なお、ｍが４〜８の間であれば下記式（２）は成り立つ。
λＰＬ＜λcnt（単位：ｎｍ）≦λＰＬ＋１０ ・・・（２）
ここでλcntは、第１ＤＢＲミラー層及び第２ＤＢＲミラー層の反射率が最大になる波長であり、反射率測定装置を用いて測定する。反射率測定装置は、ＰＨＩＬＰＳ社製ＰＬＭ−１００を用いた。測定した反射率スペクトルの例を図２に示す。

なお、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

図３に示すＲＣＬＥＤを、実施例１〜５及び比較例１〜５のような設計パラメータで作製した。図４（Ａ）は、実施例１のＦＦＰを示す図であり、図４（Ｂ）は、比較例２のＦＦＰを示す図である。ここでＦＦＰの測定は、チップとディテクターの距離を２０ｃｍとし、ＬＥＤを回転させることで行った。なお、図４（Ａ）には、最大強度の５０％の強度の位置から求める広がり角度２θを図示した。実施例１では、図４（Ａ）に示すようにＦＦＰの形状を狭く制御することできたのに対し、比較例２では、図４（Ｂ）に示すようにＦＦＰの形状を狭く制御することができなかった。

表１は、実施例１〜５で用いた設計パラメータを示している。表２は、比較例１〜５で用いた設計パラメータを示している。

表２に示すように、比較例１では、共振器長Ｌが長く、２θが大きいので、ＦＦＰ形状を狭くすることができない。また、比較例２では、設計波長λＰＬに対してλcntが長波長で、２θが大きくなるので、ＦＦＰ形状を狭くすることができない。また、比較例３では、２θが小さくてＦＦＰ形状を狭くできるが、設計波長λＰＬに対して中心波長λcntが短波長で、発光出力Ｐｏが低く、共振効果が低いのでＲＣＬＥＤとして望ましくない。また、比較例４では、共振器長Ｌが短く、共振効果が低いのでＲＣＬＥＤとして望ましくない。また、比較例５では、設計波長λＰＬと中心波長λcntが同じで、２θが大きいので、ＦＦＰ形状を狭くすることができない。

これに対し、実施例１〜５では、表１に示すように、前記式（１）の（（ｍ／４）−Ｘ）の範囲を、１．４〜１．５５とすることが望ましい。これは、ｍが６のとき、Ｘが−０．１〜＋０．０５の範囲である。そして、ＤＢＲの中心波長λcntは、前記式（２）の範囲とすることが望ましい。これにより、実施例１〜５では、発光出力Ｐｏを大きくし、且つ２θを小さくすることができる。従って、発光出力が高い状態でＦＦＰの形状を狭く制御したＲＣＬＥＤを実現することができる。

活性層のＰＬスペクトルの例を示す図。 ＤＢＲミラー層の反射スペクトルの例を示す図。 本発明の実施形態に係る発光素子の構成を説明する為の縦断面図。 （Ａ）は実施例１のＦＦＰを示す図、（Ｂ）は比較例２のＦＦＰを示す図。

符号の説明

１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…第１ＤＢＲミラー層、１０４…第１クラッド層、１０５…活性層、１０６…第２クラッド層、１０７…電流狭窄層、１０８…第２ＤＢＲミラー層、１１０…コンタクト層

Claims (5)

1. 第１ブラッグ反射型ミラー層と、
   前記第１ブラッグ反射型ミラー層より光射出面側に形成された第２ブラッグ反射型ミラー層と、
   前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の間に位置する活性層と、
   を具備する発光素子の設計方法であって、
   前記発光素子の設計波長をλＰＬとし、前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の中心波長をλcntとした場合に下記式を満たすように設計することを特徴とする発光素子の設計方法。
   λＰＬ＜λcnt（単位：ｎｍ）≦λＰＬ＋１０
2. 請求項１において、下記式を満たすように設計することを特徴とする発光素子の設計方法。
   λＰＬ＋５≦λcnt（単位：ｎｍ）≦λＰＬ＋１０
3. 請求項１または２において、第１ブラッグ反射型ミラー層と第２ブラッグ反射型ミラー層で挟まれた層の合計の厚みを共振器長Ｌとし、共振器内の平均屈折率をｎ（ａｖｅ）とし、ｍを自然数とし、Ｘｍを共振器調整係数とした場合に下記式が成り立ち、
   下記式における（（ｍ／４）−Ｘｍ）の範囲は、ｍが６のとき、１．４〜１．５５であることを特徴とする発光素子の設計方法。
   Ｌ＝（（ｍ／４）−Ｘｍ）×λＰＬ／ｎ（ａｖｅ）
4. 第１ブラッグ反射型ミラー層と、
   前記第１ブラッグ反射型ミラー層より光射出面側に形成された第２ブラッグ反射型ミラー層と、
   前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の間に位置する活性層と、
   を具備する発光素子であって、
   前記発光素子の設計波長をλＰＬとし、前記第１ブラッグ反射型ミラー層及び前記第２ブラッグ反射型ミラー層の中心波長をλcntとした場合に下記式を満たすことを特徴とする発光素子。
   λＰＬ＋５≦λcnt（単位：ｎｍ）≦λＰＬ＋１０
5. 請求項４において、第１ブラッグ反射型ミラー層と第２ブラッグ反射型ミラー層で挟まれた層の合計の厚みを共振器長Ｌとし、共振器内の平均屈折率をｎ（ａｖｅ）とし、ｍを自然数とし、Ｘｍを共振器調整係数とした場合に下記式が成り立ち、
   下記式における（（ｍ／４）−Ｘｍ）の範囲は、ｍが６のとき、１．４〜１．５５であることを特徴とする発光素子。
   Ｌ＝（（ｍ／４）−Ｘｍ）×λＰＬ／ｎ（ａｖｅ）

Images