JPH0653547A - 超高輝度発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】広帯域、高速、低内部反射で信頼性のたかい超
高輝度発光ダイオードを提供する。 【構成】平行層３４〜３６により垂直閉じ込め導波路を
形成し、活性領域３２を含む空洞ををＰＮ接合により決
定する。直列接続された利得領域５０と吸収領域５２は
それぞれ端子５６、５８から順、逆バイアスされる。利
得領域では、誘導放射を含む光放射があり、吸収領域は
空洞内に再生発振が生じない用に逆バイアスされる。非
レーザ発光で出力光に対し反射光成分が少ない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、一般に半導体レーザおよ
び発光ダイオードに関し、更に詳細には、内部低反射率
光源を必要とする用途に適する非レーザ発光超高輝度LE
D（発光ダイオード）に関する。

【０００２】

【従来技術と問題点】光通信および他の目的に高速で明
るい光源が本質的に必要である。1.3および1.55ミクロ
ンの波長では、すべての光源が、能動放射機構と競合す
る実質的に非放射のプロセスであるオージェ再結合に悩
まされ、したがって光出力を減殺させている。通常の発
光ダイオード(LED)では、放射機構は自然発生的二分子
放射再結合である。レーザでは、放射機構は誘導放出で
ある。

【０００３】オージェ再結合および二分子再結合のレー
トは共にキャリア密度の増大と共に増大するが、オージ
ェのレートが一層急速に増大する。オージェ再結合は非
常に強いので、効率を良くするにはキャリア密度を低く
しておかなければならないが、そうすると減衰速度が遅
くなってLEDを高速にできない。一方、減衰速度を速め
るためにキャリア密度を高くすると、オージェ再結合が
優勢となり、LEDが非常に暗くなる。

【０００４】誘導放出は上述の低キャリア密度では二分
子再結合より速いプロセスであり、したがってオージェ
再結合と一層効果的に競合する。大きな光信号を高速で
切換える量子井戸固体レーザは、K. Berthold他のVolta
ge-controlled Q switchingof InGaAs/InP single quan
tum well lasers(InGaAs/InP単一量子井戸レーザの電圧
制御Ｑスイッチング)、Appl. Phys. Lett. 55(19)、pp.
1940. 6 Nov. 1989、および D.R. Dykaar他のLarge sig
nal picosecond response of InGaAs/InP quantum well
lasers with an intracavity loss modulator(空洞間
損失変調器付きInGaAs/InP量子井戸レーザの大信号ピコ
秒応答)、Appl. Phys, Lett. 56(17), pp. 1629〜31, 2
3 Apr. 1990に記されている。

【０００５】これらの装置は６ミクロンの仕切り（全体
でLα＝14〜32ミクロン）でバイアスすることができる
長い利得領域（Lg＝268ミクロン）と短い空洞内吸収領
域（LA＝２〜20ミクロン）とに分割された300ミクロン
の空洞長LCを有する量子井戸構造を備えている。それぞ
れ利得領域および吸収領域に順バイアスおよび逆バイア
スを適切に組合せて印加すると、レーザダイオードを通
常時オンまたは通常時オフのいずれかの状態で動作させ
ることができ、電圧制御により能動的にＱスイッチして
短い光パルスを発生することができる。

【０００６】これらの装置は、A.F.J. Lexi、他のMulti
electrode guantum well laser for digital switching
(ディジタルスイッチング用多電極量子井戸レーザ)、Ap
pl. Phys, Lett. 56 (12)、pp. 1095〜97、 19 Mar. 19
90 によりディジタル光スイッチングに適用されてい
る。

【０００７】しかし、レーザの出力には突発的劣化とい
う問題がある。

【０００８】また、重要なこととして、レーザ光出力の
帯域幅が狹いことが、光学的時間領域および光学的可干
渉（コヒーレンス）領域の反射率計測（精密反射率計測
ということもある）のような多数の用途に不適当であ
る。精密反射率計測では、レーザが発生するより広い帯
域幅にわたり高出力を発生する光源を備えるのが望まし
い。可干渉領域の反射率計測には、好ましくは内部反射
信号振幅が出力信号レベルより70dB以上低い低反射率光
源も必要である。

【０００９】超高輝度LED(SLED)はその主要放射機構と
して誘導放出を利用しているが、発振の閾値を超えるこ
とはない。これらはホットスポットを形成せず、突発的
に劣化することはない。しかし、バルク材料から作られ
たSLEDは温度が下るとレーザ光を発生するので動作仕が
狹い温度範囲に限定され実用に適さなくなる傾向があ
る。長波長でレーザ発光しないようにするには、出力パ
ワーを犠牲にしてポンピングを更に減らさなければなら
ない。

【００１０】この問題（および恐らくは他の問題）のた
め、研究者達は、低ミラー損失を利用して再生発振を防
止するSLEDの製作に中心を置いている。しかし、反射防
止被膜を製造するのは困難であり、しかもこれらの装置
は光が外面からそれら被膜に反射して戻れば、長い空洞
レーザとして非常にレーザ発光しやすい。

【００１１】他の方法は、反射率計測に使用するため米
国ニュージャージ州エジソンにあるLaser Diode Ic.か
ら供給される市場入手可能なLEDに採用されているが、
両者ともバルク材料で形成されている178ミクロンの活
性利得領域および533ミクロンの受動吸収領域を使用し
ている。この装置は両端面に３％の反射防止被膜がある
場合でも内部反射信号のパワーが主出力信号より約40dB
小さく、内部反射も低い。この装置は使用可能で、入手
し得る光源では最良だが、この反射信号レベルは精密反
射率計測にとっては最適というにはまだはるかに高い。

【００１２】したがって、光通信、反射率計測、および
他の用途に適した、更に速く、広帯域で、且つ明るい光
源の必要性が残っている。

【００１３】

【発明の目的】それ故、本発明の目的は、伝統的SLEDま
たは半導体レーザにより発生されるより帯域幅が広い、
更に明るい非レーザ発光光源を得ることである。

【００１４】本発明の他の目的は、広い温度範囲にわた
り超高輝度LEDまたは端面発光LEDの再生発振を防止する
ことである。

【００１５】本発明の更に他の目的は、反射防止被膜の
影響を下げて、反射原因の導入を避け、望ましくは反射
を最小化し、その装置出力ビームへの寄与を可能な限り
少くすることである。

【００１６】

【発明の概要】本発明は、PN接合を形成して細長い光学
空洞を規定する平行な層のスタックを備えた半導体ヘテ
ロ構造体から成る非レーザ発光端面発光LEDである。空
洞は長さLgの利得領域および利得領域と直列な光学吸収
領域を備えている。光学吸収領域は利得領域から伝えら
れた光のスペクトルの一部を吸収するような吸収スペク
トルを有する。

【００１７】本装置は、スタックの縁（前端面）に、誘
導放出を含む、光放出を生ずるように利得領域を順バイ
アスさせる利得端子を含む、PN接合のバイアス手段、お
よび吸収領域を逆バイアスさせて吸収スペクトルをエネ
ルギの低い方に移し、これにより利得領域から伝えられ
る光のスペクトルのより多くの部分を阻止する吸収領域
端子を備えている。

【００１８】光学吸収領域は、光放出中空洞内の光の再
生的発振を防止するに充分な長さLαを備えていなけれ
ばならない。吸収領域は、前後端面から空洞を通してお
よび吸収領域を通して反射される光の往復利得が光放射
中１より小さいようになる長さLαの大きさになってい
る。

【００１９】実際的には、これには少くとも50ミクロン
の、望ましくは利得領域の長さLg（たとえば、300ミク
ロン）に等しいかそれを超える逆バイアス吸収領域長L
αが必要である。内部反射率が非常に低い（＜−70dB）
用途では、吸収領域長Lαを望ましくは約１mm以上にす
るのが良い。

【００２０】好適には、本発明は量子閉じ込めシュタル
ク効果吸収領域を備えた量子井戸構造として実施されて
おり、超高輝度LED(QWSLED)または量子井戸端面発光LED
(QWEELED)と言うことができる。

【００２１】この装置は、突発的に劣化せず、且つ低温
でのレーザ動作を防止することができる高速で明るい発
光器に対する必要性を満たしている。量子井戸SLEDは出
力強度が同等の場合従来のLEDより高速にすることがで
きる。レーザほど明るくはないが、QWSLEDは突発的劣化
を蒙ることがなく、したがってレーザより信頼性が高
い。

【００２２】量子井戸構造と直列に長い光学的シュタル
ク効果吸収領域を使用すれば、利得領域が高出力を発生
するようバイアスされている時でもすべての実用的温度
でレーザ発光が防止される。長い吸収領域は反射防止被
膜より製作しやすく、且つ長吸収領域量子井戸SLED構造
は外部フィードバックを受けることが少いから、反射防
止被膜だけで反射を減らすのと比べて有利である。しか
し、反射防止対策を付加して行うことができ、精密反射
率計測用に設計された好適実施例で使用されている。こ
のような対策の感度は余り高くなく、伝統的なSLEDにお
けるより、より効果的である。

【００２３】本発明による量子井戸端面発光LED装置で
は、低温度で、レーザ発光を防止するのがバルクSLEDの
場合より容易であり、強い超高輝度出力をなおも維持で
きる。利得領域でバンドギャップ再正規化（キャリア密
度が高いときのバンドギャップの減少）により帯域の縁
が低波長の方に押される場合に生ずるように、無バイア
ス量子井戸吸収領域を使用するだけで低温でのレーザ発
光が防止されない場合には、逆バイアスを吸収領域端子
に印加して吸収スペクトルをシュタルク効果により長波
長の方に動かすことができる。

【００２４】電界を量子井戸の平面に垂直に印加した状
態での吸収曲線は、電界をバルク材料に印加した状態で
の吸収曲線よりも、よりよく長波長の方に移行する。こ
のように吸収領域にシュタルク効果を利用するQWSLEDは
同様のバルクSLEDより良く反射を減衰する。その上、そ
の屈折率に影響し且つ装置内部の反射率を増大する活性
利得領域のドーピング修正をせずに、レーザ動作を防止
することができる。

【００２５】本発明の前述のおよび他の目的、特徴、お
よび長所は付図を参照して進める本発明の好適実施例の
以下の詳細な説明から一層容易に明らかになるであろ
う。

【００２６】

【発明の好適実施例の説明】まず、従来技術の問題点の
解析を本発明に対比しておこなう。

【００２７】本発明の好適実施例は、特に従来の超高輝
度LEDにおいて低温で発生するような再生発振およびそ
の結果としてのレーザ作用を防止するよう設置された量
子閉じ込め光学シュタルク吸収領域を備えている量子井
戸端面発光または超高輝度LED(QWEELEDまたはQWSLED)で
ある。

【００２８】SLEDの温度が下がるにつれて、半導体のバ
ンドギャップエネルギは減少する。この移行に重畳し
て、フェルミ関数が電子を導電帯域の縁に一層近く再配
分するにつれて、利得スペクトルは甚だ狹く且つ鋭くな
り、波長が長くなる方に移動する。明らかに、たとえ利
得ピークの大きさが最高吸収値より低くなるようにポン
ピングレベルが減少しても、利得はなお長波長時の損失
より大きく、従来のSLEDではレーザ作用を生ずる。

【００２９】この問題を図１により部分的に図解してあ
るが、これはAppl. Phys., 47, 1976, P.5382のF. Ster
n, J.の論文から引用したH.D. Casey, Jr. およびB. Pa
nish のHeterostructure Lasers, Part A: Fundamental
Principles, New York, Academic Press, 1978, P.172
から一部を転載したものである。

【００３０】この問題を更に図1Aに図示してある。これ
はSLEDに対する利得曲線12および無バイアス吸収領域に
対する吸収曲線14を示すもので、エネルギ曲線12、14の
尾部に重なりの区域16があり、これは再生発振に導くこ
とがある正味利得を生ずる。

【００３１】対照的に、本発明による長い逆バイアス吸
収領域を有する甚だしくポンプされたSLEDは、バンドギ
ャップ正規化により移行された利得曲線18および逆バイ
アスのもとで利得曲線が吸収曲線内に入り込むように移
行されている吸収曲線20を備えている。このことは利得
が吸収より大きくなって再生発振を生ずる波長が本質的
に存在しないということを意味する。ピーク吸収αp×L
αは好適にもピーク利得gp×Lgより少くとも60dB上にあ
り、レーザ発光を抑制している。以下に更に説明する好
適実施例の量子井戸構造はこの目的を容易に上回ってい
る。

【００３２】本発明は更に、従来のSLED装置では、その
反射率計測での用途に障害となりまたは決定的な反射防
止対策が必要となる出力信号中の反射成分を可能な限り
小さくするのに役立つ。この問題を反射率を距離の関数
として図示している図1Bに図解してある。LEDにより放
出され、光ファイバのような光学系を通して伝達される
光信号22はシステム内の反射性異常から減衰信号24とし
て逆反射される。放出光信号に内部反射信号成分26が入
っている場合には内部反射信号26および外部反射信号24
の両者は重なり合うのでユーザは内部反射信号26を或る
距離のところにある欠陥からの外部反射と混同すること
がある。

【００３３】理想的には、コヒーレンス領域反射率計測
用光源は内部反射信号26の無い実質上一様のスペクトル
出力を備えている。光源にかなりな内部反射率、たとえ
ば、−10dB、があれば、空洞の発振モードでの誘導放出
の増大により生ずる（波長の関数としての）非一様出力
スペクトルが発生する。内部反射率が実質上低ければ、
たとえば、−40dBであれば、この非一様性は光スペクト
ルには観測されない。しかし、このスペクトルの非一様
性からLDI源について図13に示すように混乱を生ずる反
射率計測信号が発生する。最大ピーク13はミラーからの
主EELED信号の反射応答である。ピーク15は利得／吸収
領域境界面からの内部反射から生ずる。またピーク17は
後端面からの反射から生ずる。

【００３４】したがって、反射率計測用光源では内部で
発生する反射を抑制することが重要である。本発明では
以下に説明する反射防止対策および量子井戸活性領域に
より増強された長い逆バイアス吸収領域を使用すること
によりそれが達成されている。

【００３５】図２、図2A、図2B、および図５は本発明に
よる非レーザ発光端面発光LEDの好適実施例を量子井戸
端面発光LED(QWEELED)30の形で示している。物理的装置
構造は細長い光学空洞を形成するPN接合で活性領域32を
形成する平行層のスタックを含む半導体ヘテロ構造体か
ら構成されている。活性領域32は井戸間にGaInAsまたは
GaInAsP量子井戸34（1.3ミクロンの発光に対し幅約40オ
ングストローム）およびGaInAsPの障壁36（たとえば、1
00〜200オングストローム）の交互層から成るスタック
の形を成す多重量子井戸(MQW)構造から構成されてい
る。

【００３６】ドーピングは活性領域に良好にキャリアを
注入するよう配列されたp−nまたはp−i−nとすべきで
ある。スタックは、約２ミクロンの、ただし好ましくは
少くとも７ミクロンの、たとえば、８ミクロンの通常の
ストライプ幅を備えることができる細長いストライプと
して通常の製作プロセスにより形成される。

【００３７】長波長QWSLEDの活性領域の上および下にIn
Pの層40、42があり、このバンドギャップはGaInAsより
大きく、したがってキャリアを活性領域内に垂直に閉じ
込めながら良好な導波クラッドを形成している。装置
は、図2Bに示すように、InP基板44の上に、典型的には
バッファ層46および、たとえばInP:Feの横方向半絶縁絶
縁層48を成長させる（基板44およびバッファ層46ともに
ｎ型にドープ）。

【００３８】空洞は、長さLgの利得領域50および利得領
域と直列をなす光学吸収領域領域52を備えており、PN接
合をバイアスするｐおよびｎの外側層の外部に接触層5
6、58の堆積を必要とする接点が形成されている。しか
し、装置を横断する二つの連続接点ではなく、接点の一
方は少くとも一つの位置で分割されて順バイアスを利得
領域に加えることができなければならず、一方逆バイア
スがシュタルク効果のための吸収領域に加えられる。利
得径路が吸収径路と連続するようになっている限り、横
方向構造の数に制限はない。

【００３９】図2Bを参照すると、下部すなわちｎ形の端
子54が基板44の裏側に形成されている。二つのｐ形GaIn
As上金属端子が活性領域上方に形成され、各々空洞の長
さの一部に沿って延びている。第１の端子は利得領域50
の上方に整列して利得領域を順バイアスする利得端子56
である。利得領域および端子は長さLgに合せた大きさに
なっており、動作中装置の前端面60にあるスタックの縁
から誘導放出を含む光放出を生ずるようバイアスされ
る。出力信号は最高レベルを得るため装置の利得端から
取ることができる。この端面は、必要ならば、或る程度
被覆した反射防止(AR)とし、AR被膜および外部帰還の再
現性に関する事項に適合させることができる。

【００４０】第２の端子は吸収領域領域を逆バイアスし
てその領域の吸収スペクトルをエネルギの低い方に移行
する吸収領域端子58である。吸収領域端子は空隙62によ
り利得領域から長さ方向に隔てて設けられ、望ましくは
少くとも利得端子と同じ程の長さの大きさにして全体の
長さがLαの吸収領域領域を形成し、吸収領域の後端面6
4から空洞を通して反射される光の往復利得が、前端面
からの誘導放出を含む光放出中、１より小さくなるよう
にしてある。光学吸収領域領域は光放出中空洞内で光の
再生発振を防止するのに充分な長さLαを備えるべきで
あり、望ましくは出力反射が出力信号より少くとも70dB
下にあるのに充分な長さとすべきである。

【００４１】図５に示す装置30の動作例では、利得領域
の長さLgは300ミクロンであり、利得端子と吸収領域端
子との間隔は100ミクロンであり、吸収領域端子の長さ
は900ミクロンであり、吸収領域領域の全長Lαは1000ミ
クロンである。実際には、これは少くとも50ミクロン
の、好適には利得領域の長さLg（たとえば、300ミクロ
ン）以上の逆バイアス吸収領域長Lαを必要とする。内
部反射が非常に低い（＜−70dB）用途では、吸収領域の
長さLαを約１mm以上にすべきである。吸収領域領域を
非常に長く、たとえば、少くとも１mm、にすると、吸収
領域の逆バイアスは再生発振の防止に不可欠ではなくな
るが、内部反射の大きさが減る。

【００４２】装置30を、利得および吸収領域の両領域が
一つのウェーハ上にある集積装置として図示してある
が、装置を集積する必要はない。この装置は多数のＩＩ
Ｉ−Ｖ材料系で製作することができる。たとえば、＜１
μmでGaAs/AlGaAs 、＞１μmでGa InAs/GaInAsPまたは
GaInAsP/GaInAsP/InP。信頼性および低非放射再結合の
ため には格子整合系が望ましいが、約１μmでGaInAs/G
aAs/AlGaAsのような非格子整 合系も使用することがで
きる。

【００４３】他の材料系、たとえばGaAlAsSb、を使用す
ることができる。我々の最大の関心事は1.3μmでの光通
信であり、この波長で格子整合Ga(.5)In(.5)As/InP量子
井戸による経験があるため、GaInAs/GaInAsP/InPを例と
して使用する。実用上は、更に高品位の1.3μm放出量子
井戸をGaInAs/GaInAsP/InPで成長させることができる。

【００４４】単一量子井戸(SQW)または少数QWではなくM
QW活性領域を使用するのは、キャリア密度を低く維持し
てオージェ再結合を防止する必要性のため長波長発光器
に適切である。オージェ再結合が問題にならない、GaAs
/AlGaAs系の場合のように、再に短い波長では、SQWまた
は少数QW構造が最良である。何故ならこれは線形非放射
機構より放射再結合に有利だからである。動作中はレー
ザ発光閾値より低くしておくことが必要である。この閾
値はすべての波長で下の式で与えられる。

【００４５】R1R2exp[２(ｇLg−αLα)]＝１ ここでR1およびR2は端面のパワー反射率であり、ｇはcm
あたりの利得であり、Lgはcmで表わした利得領域の長さ
であり、αはcmあたりの吸収であり、Lαはcmで表わし
た吸収領域の長さである。

【００４６】発振に対するこの強さ条件は、自然対数を
取ってから ｇLg＝αLα＋In(１／R1R2)／２ と書き変えることができる。図５の装置はこの条件をす
べての波長で満たしやすい。

【００４７】一般に、これら半導体による吸収スペクト
ルは伝導帯における状態の密度と同じように見える。し
かし、吸収はドーピングレベルが帯域尾端の形成を生ず
るのに充分高ければバンドギャップより下で生ずること
がある。

【００４８】比較的ドーピングの低いGaAs/AlGaAs MQW
構造の吸収曲線を、D.A.B. Miller、D.S. Chemla、D.J.
Eilenberger、P.W. Smith、A.C. Gossard、およびW.T.
TsangのLarge room-temperature optical nonlinearit
y in GaAs/Ga(1-x)Al(x)AsMultiple quantum well stru
ctures(GaAs/Ga(1-x)Al(x)As多重量子井戸構造の大きな
室温光学非線形性)、Appl. Phys. Lett., 41(8)、15 Oc
t. 1982から図３に転載しておく。鋭い二つのピーク
は、半導体内の拘束電子空孔対である励起子内への吸収
によるものである。

【００４９】やはりA.C. Gossardが成長させた同様の構
造の光ルミネッセンスを、J.E. FouquetおよびA.E. Sie
gmanのRoom-temperature Photoluminescence times in
a GaAs/Al(x)Ga(1-x)As molecular beam epitaxy multi
ple quantum well structure(GaAs/Al(x)Ga(1-x)As分子
ビームエピタキシ量子井戸構造による室温光ルミネッセ
ンスの時間)、Appl. Phys. Lett., 46(3)、１Feb. 1985
から転載して図４に示してある。放出スペクトルはピ
ークの低エネルギ側の方が鋭く、バンド縁より上の状態
の密度が一定であることを示している。高エネルギ側で
のゆるやかな減少は量子井戸を満たすフェルミ関数の結
果である。構造がバンドテーリングのため甚だしくドー
プされている場合または構造がバンドギャップ再正規化
（ｒｅｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ）のため甚だしくポ
ンプされている場合、より長い波長の放出が存在するこ
とがある。

【００５０】構造が室温で長波長でレーザ作用を生ずれ
ば、利得領域の量子井戸はわずかに整列が乱れてゲーン
を短波長の方へ移行し、これによりレーザ発光を防止す
る。利得スペクトルに及ぼすこの効果は永続的である。

【００５１】吸収スペクトルは、たとえば、Bar-Josep
h、C. Klingshirn、D.A.B. Miller、D.S. Chemla 、U.
KorenおよびB.I. MillerのQuantum-confined Stark eff
ect in InGaAs/InP quantum wells grown by organomet
allic vapor phase epitaxy(有機金属気相エピタキシに
より成長したInGaAs/InP量子井戸における量子閉じ込め
シュタルク効果)、Appl. Phys. Lett., 50(15)、13 Ap
r. 1987に記されているように、井戸に垂直な電界を印
加することにより長波長の方へ一時的に移行させること
もできる。この効果は、シュタルク効果と呼ばれるが、
室温では通常レーザ作用を生じない装置で低温でのレー
ザ発光を防止するのに使用することができる。温度が再
び上昇すると、電界を除去することができ、SLEDは室温
で通常動作するように動作することができる。

【００５２】図５に示す装置の動作例では、300ミクロ
ンの利得領域が75mAの電流まで順バイアスされ、900ミ
クロンの吸収領域端子が−2Ｖから−4Ｖにバイアスされ
た。逆バイアス量子閉じ込めシュタルク吸収領域だけは
EELEDの後端面の反射のレベルを−75及至−85dBcに下げ
た。

【００５３】図14Aおよび図14Aは、吸収領域領域が０お
よび−4Ｖで逆バイアスされるときのこの装置のスペク
トルを示している。主要信号ピークを参照数字80で示し
てある。信号ピーク80から横に進んで、ピーク84で最高
に達する低いがやはり顕著なＶ形の信号82がある。

【００５４】図14Aのピーク88は後端面反射によるもの
であり、これは０ボルト逆バイアスした吸収領域によっ
てしか最少限に減衰させることができない。

【００５５】図14Bでは、吸収領域が−4ボルトに逆バイ
アスされると、信号ピーク88は究極的に検出器のノイズ
の中に隠れてしまう。受信機の利得が増大し、帯域幅が
検出器ノイズより感度が高くなるように減少すると、図
14Bで吸収領域が−4Ｖに逆バイアスされるとピーク88が
主信号80より75及至85dB低くなることがわかる。

【００５６】図15は吸収領域にかかる逆バイアスの大き
さが増大するにつれて後端面反射がどう減少するかを示
している。逆バイアスが大きくなれば吸収が長波長の方
で更に強く増大する。しかし、より短い吸収領域領域で
は、同様には動作しない。

【００５７】たとえば、前述の形式の装置を逆方向に動
作させ、−2及至−3ボルトのバイアスを短い端子に印加
し、75mAの順方向バイアス電流を長い端子に印加すれば
−60と−65dBとの間の反射率信号が生ずる。これは、こ
こでの吸収領域が300ミクロンでこれに対してLDI装置が
500ミクロンであり且つその装置にAR被膜が無くても、L
DI装置より良好である。この利点は活性領域として量子
井戸構造をおよび逆バイアス吸収領域を使用することに
よる。

【００５８】伝統的な３層広帯域反射防止(AR)被膜を前
（後ではない）端面60に付加すると反射信号のすべての
特徴が25及至30dB小さくなった。後端面から生ずる反射
は非常に少いので、逆バイアスをシュタルク吸収領域に
印加したときもはや測定することができない。

【００５９】その幅が狭く信号の強さが大きいので後端
面反射は標準EELEDの出力に伴う最も緊急な問題であっ
たが、図14Aおよび図14Bで測定したもののようなEELED
も他の反射信号特性を生ずる。利得領域からの広い反射
信号82は恐らく、処理中に形成されるメサの縁からの散
乱から生ずるものであろう。信号ピーク84は利得／吸収
領域境界面からの内部反射による。

【００６０】AR被膜を付加し、更に広い（約８ミクロ
ン）のストライプを使用すればすべての反射信号の特徴
（82、84、88）を図16に示すように−85dBcより小さく
することができる。検出システムの発射ノイズ限界は約
−85dBcである。したがって−85dBcより低い信号を測定
するのは不可能であるから反射をそれ以上減らす効果は
無い。

【００６１】図14〜図16に示した装置は活性領域に複数
の量子井戸(MQW)構造を使用しているが、これは特に有
効な吸収領域であることがわかっている。本発明はバル
ク半導体活性領域を使用しても実施することができる。
この装置は更に多量のパワーを出すべきであるが、恐ら
くは良く吸収しないであろうから、後端面の反射を大き
くすることができる。

【００６２】フランツ・ケルディシュ効果はバルク材料
の吸収縁を長波長の方に動かすが、これは量子井戸にお
けるシュタルク効果より弱い効果である。しかし、AR被
膜を後端面に施す他に、内部反射を減らすのに他の対策
を取ることができる。

【００６３】図６〜図８は本発明に使用するような吸収
領域の反射防止対策の幾何学的構成の図である。

【００６４】図６は誘電体境界面における入射光の部分
および全体の内部反射の一般的場合を示している。この
関係から、吸収領域の後端面を利得領域の方に逆反射さ
れる光量を減らすように傾けることができる。

【００６５】それは図７に示すように垂直方向に、たと
えば、θn＝54.7度を生ずる湿式エッチングにより傾け
ることができる。この角度は入射光を空洞の軸を外れた
角度で全体的に内部反射させて、或る程度の散乱の他は
導波管に逆伝導されないようにする。

【００６６】代りに、後端面を図８に示すように横方向
にわずか、たとえば、θを少くとも8度に、傾けて後端
面を通して出る光の大部分を透過し、残りを導波されな
いように内部でただし軸を外れて反射させる。図９、図
9A、および図9Bは代りの実施例の断面図である。

【００６７】図９は両端端面を傾ける傾斜ストライプを
示す。

【００６８】図9Aは導波スタックにエッチされた傾き端
を有する截頭ストライプを示す。

【００６９】図9Bは曲り吸収領域を示す。

【００７０】図9Cは図9Aにおけるようにエッチバック端
面72で終っているがビームダンプ81を形成するよう対称
的に広くなっている直線溝を備えた吸収領域79を示して
いる。

【００７１】内部反射の他の源は順バイアス利得領域と
逆バイアス吸収領域領域との間の境界面であり、異なる
バイアス条件のもとでキャリア密度が変化することによ
る。これは二つの領域の間のバイアスを次第に変化させ
ることにより緩和することができる。

【００７２】図10、図11、および図12はバイアス構造の
別の実施例の上面平面図である。

【００７３】図10には、それより上でダイオードが導通
する距離を延ばし、それによりそれより上でキャリア密
度が変化するように階段状にバイアスして反射のピーク
振幅を小さくすることができる一連のステップ端子57
A、57B、57Cがある。これは階段状電圧をステップ端子
および吸収領域端子に加える簡単な電圧分割器を使用し
て実現することができる。

【００７４】代りに、利得端子および吸収領域端子を図
11で示した端子56A、58Aの場合のように斜め空隙62Aに
より分離することができる。これにより導通等電位線が
導波管軸に対して或る角度で分布し、すべての内部反射
が軸を外れ、導波されないようになる。

【００７５】図10および図11の方法を組合せて図12にす
ると、これは単純な菱形のステップダウン端子59を備え
ている。

【００７６】本発明の原理をその好適実施例により説明
し図解してきたが、本発明の構成および細目をこのよう
な原理から逸脱せずに修理することができることが明ら
かなはずである。

【００７７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の実施によ
りLEDのレーザ動作が抑止されて、帯域幅が広く、高
速、高輝度で信頼性の高い光源を得ることができるの
で、光通信等に用いて有益である。

【００７８】また、本発明を実施した超高輝度LEDまた
は端面発光LEDは広い温度範囲にわたり再生発振を起こ
さず安定である。

【００７９】更に反射防止被膜の感度が低く、反射信号
成分が出力信号成分に対して小さく、精密反射率測定装
置に用いても効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＡｓの利得係数ｇと吸収係数αを電流密度
を変えて計算し、プロットした図表である。

【図１Ａ】無バイアス及び逆バイアスにおける光シュタ
ルク吸収の効果を比較して示す利得曲線と吸収曲線の図
である。

【図１Ｂ】コヒーレンス領域反射率計における放出光信
号と反射光信号の強度を示す図である。

【図２】本発明の好適実施例の非レーザ発光量子井戸端
面発光LED(QWEELED)30の部分断面斜視図である。

【図２Ａ】図２の非レーザ発光端面発光LEDの好適実施
例の平面図である。

【図２Ｂ】図２の非レーザ発光端面発光LEDの好適実施
例の詳細横断面図である。

【図３】室温のＧａＡｓと多重量子井戸（ＭＱＷ）装置
の線形吸収スペクトルを描いたグラフである。

【図４】多重量子井戸（ＭＱＷ）装置の時間積分された
光強度スペクトルを描いたグラフである。

【図５】本発明の好適実施例の非レーザ発光量子井戸端
面発光LED(QWEELED)の動作を説明するための長手方向に
沿った断面図である。

【図６】誘電体境界面における入射光の部分および全体
の内部反射の一般的場合を示す図である。

【図７】端面を垂直方向に、たとえば、θn＝54.7度を
生ずる湿式エッチングにより傾けるた場合を示す図であ
る。

【図８】後端面を横方向にわずか、たとえば、θを少く
とも8度に傾けた場合を示す図である。

【図９】両端端面を傾ける傾斜ストライプを示す図であ
る。

【図９Ａ】導波スタックにエッチされた傾き端を有する
截頭ストライプを示す図である。

【図９Ｂ】曲り吸収領域を示す図である。

【図９Ｃ】図9Aにおけるようにエッチバック端面72で終
っているがビームダンプ81を形成するよう対称的に広く
なっている直線溝を備えた吸収領域79を示す図である。

【図１０】一連のステップ端子57A、57B、57Cを有する
本発明でのバイアス構造の別の実施例を示す図である。

【図１１】利得端子および吸収領域端子を斜め空隙62A
により分離するバイアス構造の別の実施例を示す図であ
る。

【図１２】図１１の構造と図１０の構造とを組み合わせ
たバイアス構造の別の実施例を示す図である。

【図１３】精密反射率計に用いられる従来技術のＬＥＤ
信号源のスペクトルを示す図である。

【図１４Ａ】本発明を実施したＬＥＤ信号源を用いて得
られる精密反射率計のスペクトルを示す図である（無バ
イアス時）。

【図１４Ｂ】本発明を実施したＬＥＤ信号源を用いて得
られる精密反射率計のスペクトルを示す図である（逆バ
イアス時）。

【図１５】本発明を実施したＬＥＤにおける吸収領域後
端面の反射率の逆バイアスによる変化を示す図である。

【図１６】本発明を実施したＬＥＤにおいて、装置スト
ライプ幅を増加し且つ反射防止処理を端面に施した場合
の図１４Ａ、図１４Ｂと同様の図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】後記（イ）乃至（ロ）を含み（ハ）の特徴
   を有する非レーザ発光により端面放射をおこなう超高輝
   度発光ダイオード。 （イ）垂直閉じ込め導波路を形成する複数の平行層と、
   活性層を有し直列接続された長さＬｇの利得領域と長さ
   Ｌαの光吸収領域を含む長尺光学空洞を決定するための
   ＰＮ接合とを有する半導体ヘテロ構造体、 （ロ）前記利得領域を順バイアスして前記層の端面に沿
   って前記活性層から誘導放射を含む光放射を行わせるた
   めの利得端子と前記光吸収領域を逆バイアスして前記光
   吸収領域の前記活性層の吸収スペクトルを低エネルギ側
   へ移行させるための吸収端子とを備えた、前記ＰＮ接合
   をバイアスするための端子手段、 （ハ）前記光吸収領域の長さＬαは、前記光放射の時
   に、前記光吸収領域の逆バイアスにより前記長尺光学空
   洞内での再生発振を抑止できる値である。