JPH07231116A

JPH07231116A - サイドエミッティング型発光ダイオード

Info

Publication number: JPH07231116A
Application number: JP4186794A
Authority: JP
Inventors: Shigero Hayashi; 茂郎林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-02-16
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 1995-08-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】表面発光型ＬＥＤと同様に製造や取り扱いが容
易で，かつ光ファイバ等への結合効率の高い端面発光型
ＬＥＤを提供する。【構成】活性層１を含む半導体層２，上面電極４，下面
電極３，および絶縁層５とから構成されたＬＥＤにおい
て，電流は発光領域１ａに集中して流れる。発光領域で
発生した光は，発光領域１ａを囲む絶縁層５の内側に形
成された導波路構造を通して端面から放射される。絶縁
層５の代りに活性層１の上，下，及び発光領域１ａの周
囲のドーピングを調節して導波路特性をもつ領域を形成
しても良い。内部導波路はなるべく平行平面をさける。【効果】電流が発光領域に集中するので発光効率が高
い。また導波路構造により発光が素子側面の狭い導波路
端から放出されるので光ファイバ等の外部導波路に効率
良く結合できる。また内部導波路は平行面を形成しない
のでレーザ発振が起こり難く，動作を安定化しやすい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオードに関す
る。より詳細には、本発明は、光ファイバ等に対する結
合効率が高い新規なサイドエミッティング型の発光ダイ
オードの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信あるいは光センサ等の技術分野で
用いられる光源は、レーザダイオード（以下 "ＬＤ" と
記載する）と発光ダイオード（以下 "ＬＥＤ" と記載す
る）とに大別することができる。

【０００３】ＬＤは、動作が高速で出力が大きいという
特徴があるが、取り扱いの容易性、安定性、信頼性等の
点では劣っている。また、駆動方式も複雑になる。一
方、ＬＥＤは、駆動方式や取り扱いは簡単で、安定性、
信頼性の点では優れているが、一方で、動作が遅く、出
力も低いという問題がある。しかしながら、光技術の応
用分野の拡大と共に、廉価なＬＥＤの応用が検討され、
近年では、ＬＤには及ばないまでも数百Ｍbps 程度まで
の高速動作が実現されている。そこで、ＬＥＤの実用化
のための次の技術課題は、輝度を向上させることであ
る。即ち、ＬＥＤは光ファイバを介した光通信のための
光源等への応用が期待されており、放射光を高効率で光
ファイバ等に結合できることが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＬＥＤは、その光放射
形態から、表面発光型（以下、 "Ｓ−ＬＥＤ" と記載す
る）と端面発光型（以下、 "Ｅ−ＬＥＤ" と記載する）
との２種類に大別することができる。

【０００５】図５は、上述のＳ−ＬＥＤの一般的な構造
を示す図である。図５(a) に示すように、Ｓ−ＬＥＤ
は、内部に活性層１を含む半導体層２に対して、下面に
下面電極３を、上面に上面電極４を装着して構成されて
いる。また、上面電極５は環状に形成されている。以上
のように構成されたＳ−ＬＥＤにおいて、図５(b) に示
すように、上面電極４から下面電極３に電流を流すと、
活性層１内に形成された発光領域１ａにおいて発生した
光が上面電極の内側を通って上方に放射される。このよ
うな構成を有するＳ−ＬＥＤは製造プロセスが簡単で、
現在最も広く実用化されている構造である。

【０００６】図６は、Ｅ−ＬＥＤの一般的な構造を示す
図である。図６(a) に示すように、基本的な層構成は表
面発光型と変わらないが、上面電極４が中実な面状にな
っており、また発光領域１ａが素子の側方端面まで及ん
でいる。このような構成のＥ−ＬＥＤでは、図６(b) に
示すように、発光領域１ａにおいて発生した光は、素子
の側面から外部に放射される。Ｅ−ＬＥＤは、本来はレ
ーザ発振させない状態で発光ダイオードを動作させると
いう原理に基づいて構成されており、発光領域１ａが素
子の表面に露出しているので、外部の光ファイバ等に対
して極めて高い結合効率が実現される。但し、その製造
プロセスはＬＤとほぼ同じであり、製造技術の容易性や
生産性ではＳ−ＬＥＤに劣る。また、低温でレーザ発振
してしまう場合があるという独特の問題があるので稼働
時の取り扱いには注意が必要である。このため、現在で
は実用的には使用されていない。

【０００７】前述のように、現在普及しているのはＳ−
ＬＥＤであるが、Ｓ−ＬＥＤには光ファイバ等に対する
結合効率が低いという重大な欠点がある。このため、Ｓ
−ＬＥＤを光源として用いる場合は、Ｓ−ＬＥＤと光フ
ァイバとの間に、レンズ等の光学系を挿入して結合効率
を向上させる工夫が種々提案され、また実施されいて
る。具体的には、ＬＥＤの光放出部を球面加工して、Ｌ
ＥＤにレンズをモノリシック化した例もある。

【０００８】しかしながら、本来ＬＥＤの内部で生じて
いるはずの原理的な発光パワーに対しては、種々の工夫
をもってしても決して高い結合効率が達成されていると
はいえない。また、光ファイバとの結合に光学系を用い
る構成は、ＬＥＤを用いた装置の構成を複雑にして不可
避にコストの上昇を招く。

【０００９】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、Ｓ−ＬＥＤと同様に製造プロセスや取り扱い
が容易でありながら高い結合効率を有する新規なＬＥＤ
を提供することをその目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明に従うと、
活性層を含む半導体層と、該半導体層を挟む上面電極お
よび下面電極とを備えた発光ダイオードにおいて、該活
性層の一部である発光領域が該発光ダイオード素子の外
部に露出しないように埋設されており、且つ、該発光領
域において発生した光が該素子の側面から外部に放射さ
れるように構成されていることを特徴とするサイドエミ
ッティング型発光ダイオードが提供される。

【００１１】

【作用】本発明に係るＬＥＤは、新規な構成を有する端
面発光型のＬＥＤである。すなわち、本発明に係るＬＥ
Ｄは、具体的に後述するように、従来のＳ−ＬＥＤと同
様に素子の内部に埋設された発光領域を有している一方
で、放射光の取り出しは素子の側方端面から行う構成と
なっている。

【００１２】発光ダイオードの結合効率は、その発光領
域の位相空間における発光分布φに依存する。ここで位
相空間とは、光軸に垂直な面に構成ベクトルを写像した
ときに得られるベクトルＰ_x、Ｐ_yと、その位置座標ｘ、
ｙを空間座標（ｘ，ｙ，Ｐ_x，Ｐ_y）とする空間であ
る。この観点から計算すると、ＬＥＤの結合効率は、発
光領域の実効面積（取り出し光の光軸に垂直な面に投影
した発光領域の面積）Ｓに反比例する。すなわち、一般
的なＳ−ＬＥＤの実効面積Ｓは直径２〜30μｍの円の面
積に相当するが、これを発光領域の側方から取り出すこ
とを考えると、発光領域の厚さと幅との積が実効面積に
なると考えることができる。発光領域の厚さは通常数μ
ｍ以下なのでこれを実効面積とすれば結合効率は数倍以
上（場合によっては１桁以上）大きくなる。本願発明に
係るＬＥＤはこのような原理に基づくものであり、Ｓ−
ＬＥＤに類似したプロセスで製造できる構造を有する一
方でＥ−ＬＥＤの高い結合効率を実現している。

【００１３】本発明の好ましい態様に従うと、本発明に
係るＬＥＤにおいては、半導体層の内部に埋設された発
光領域から、素子の外部へ放射光を取り出すための取り
出し口までの間を光学的に結合する光導波路が設けられ
る。この光導波路により、結合効率は更に向上される。
なお、この光導波路の形成された層の直下を下面電極と
することにより素子内での光の伝播が高効率化され、結
合効率は更に向上される。

【００１４】また、本発明の他の態様に従うと、発光領
域の周囲に絶縁層を設けて上面電極と下面電極との間を
流れる電流を発光領域に集中させることにより、発光効
率を向上させることができる。この構成の場合に、前述
の光導波路を、この絶縁層により形成すれば、製造プロ
セスを変化させることなく、高い発光効率と結合効率と
を兼ね備えた発光ダイオードを構成することができる。

【００１５】本発明の更に他の態様に従うと、上記本発
明に係るＬＥＤにおいて、上電極に穴を形成する等し
て、発光領域で発生した光の一部を素子の上面にも放射
してモニタ光として利用することが提案される。即ち、
本願発明に係るＬＥＤにおいては、素子内部に埋設され
た発光領域から等方的に光が放射される。従って、上面
への放射光の光パワーは、本来の取り出し口から放射さ
れる光の光パワーと密接な相関を有しているので素子の
上面から動作を確認することが可能になる。このような
構造の利点は以下のような点にある。

【００１６】即ち、従来のＥ−ＬＥＤやＬＤがＳ−ＬＥ
Ｄほど普及しなかった大きな理由のひとつは、この種の
素子がウェハ状態で検査ができなかったことにある。こ
のため、この種の素子では、素子として完成した後にし
か動作を確認できなかったので、不良チップに対する製
造コストが無駄になっていた。この点、上記本発明の係
るＬＥＤでは、ウェハ状態でも動作確認のためのプロー
ビングが可能なので、Ｓ−ＬＥＤに近い製造コストを実
現することができる。尚、従来のＥ−ＬＥＤでは、発光
領域が素子の端面に及んでいるので発光が等方的ではな
く、素子上面からの出射光と本来の出射光との光パワー
の相関が低かった。

【００１７】更に、本発明の好ましい他の態様に従う
と、ＬＥＤのレーザ発振を抑圧するために、各構成要素
に独特の形状を与えることが提案される。即ち、レーザ
発振は特定の区間で光密度が上昇したときに発生する。
従って、発光領域で発生した光が平行な反射面の間に閉
じ込められないような形状を与えることが好ましい。具
体的には、光学的な特性が急激に変化する各層間の界面
や端面が互いに平行にならないように構成することが好
ましい。

【００１８】以下、図面を参照して本発明をより具体的
に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。

【００１９】

【実施例】図１は、本発明に係るＬＥＤの基本的な構成
を示す図である。

【００２０】図１(a) に示すように、このＬＥＤは、図
５に示したＳ−ＬＥＤの層構造と、図６に示したＥ−Ｌ
ＥＤの電極構造とを有している。即ち、発光領域１ａは
半導体層２の内部に埋設されているが、一方、上面電極
４は、発光領域１ａを被うように形成されている。尚、
本実施例では、上面電極４および発光領域１ａが互いに
同じ円形に形成されているものとする。また、発光領域
で発生した光は、素子の側方端面から取り出されるの
で、図１(b) に示すように、上面電極４は端面近傍に配
置されている。

【００２１】以上のような構造のＬＥＤは、製造プロセ
スとしては、従来のＳ−ＬＥＤと実質的に変わらない
が、取り出し口側からみたときの発光領域の実効面積
は、発光領域の厚さと幅との積であり極めて小さい。従
って、結合効率は非常に高い。また、発光領域が円形な
ので発光領域と素子の端面との間でレーザ発振が生じる
恐れがなく、取り扱いが容易である。

【００２２】尚、上記実施例では発光領域１ａを円形と
したが、側面から光を取り出す構成なので、実際には発
光領域が特定の形状である必要はない。むしろ、出力効
率を向上させる目的で、光の取り出し方向に長い矩形と
した方が実用的である。

【００２３】また、素子内での光の吸収を防ぐために、
発光領域から取り出し口までの間に光導波路を設けた
り、光を吸収し難い層を埋め込むことにより取り出し効
率を向上させることもできる。このような光導波路や反
射層の形成はいわゆる平面プロセスで形成できるので、
素子のコストへの影響は少ない。更に、これらの導波構
造の直下に、金属あるいは薄膜を挟んだ金属の層を設
け、導波路の周囲を鏡面とすることも好ましい。

【００２４】尚、発光領域の周囲に残る活性層は比較的
大きな光吸収率を有している。しかしながら、光学的断
面積については活性層は放射光の数十分の１μｍ程度に
過ぎない。従って、活性層を伝播する放射光は数％にす
ぎず、可能であるとはいえ、不要な活性層を製造プロセ
スで除去するまでのことはないと考えられる。

【００２５】図２は、本発明に係るＬＥＤの他の構成例
を示す図である。

【００２６】図２(a) および(b) に示すように、このＬ
ＥＤの構成上の特徴は上面電極４の形状にある。即ち、
この実施例では、上面電極が１対の矩形の電極４ａ、４
ｂに分けられており、発光領域１ａの直上に間隙が形成
されている。従って、このＬＥＤでは、発光領域１ａで
発生した光の一部が上面電極４ａ、４ｂの間から上方に
放射される。この上方に放射される光の光パワーは、本
来の取り出し口から放射される光の光パワーと強い相関
があるので、素子の上方からＬＥＤの動作を検査するこ
とができ、Ｓ−ＬＥＤと同じ製造プロセスをとることが
可能になる。従って、ウェハ状態でも、プロービングに
よりＬＥＤの動作を確認することができる。尚、この上
方に漏れる光をモニタ光と利用してＬＥＤの出力制御等
に利用することも可能である。

【００２７】図３は、本発明に係るＬＥＤの更に他の態
様を示す図である。

【００２８】図３(a) に示すように、このＬＥＤは、基
本的には図２に示したモニタ光取り出し口を備えたＬＥ
Ｄと共通の構造を有しており、その特徴は、活性層１と
下面電極３との間に絶縁層５を備えている点にある。絶
縁層５は、発光領域１ａの直下を除いて下面電極３の上
面全体に装荷されており、いわゆるメサ構造が形成され
ている。

【００２９】即ち、メサ構造とは、ＬＥＤの容量を小さ
くするために発光領域の近傍以外の領域を絶縁体で遮断
する構造である。このような構成により、下面電極３と
上面電極４ａ、４ｂとの間で流れる電流は、全て発光領
域１ａに集中するので、接合容量の低減並びに電流集中
効果による発光効率の向上が実現される。尚、絶縁層５
の材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン等を用い
ることができる。

【００３０】更に、本発明の好ましい態様に従うと、上
記メサ構造を形成するための絶縁層を利用して発光領域
から取り出し口までの光導波路を形成することができ
る。

【００３１】すなわち、上記絶縁層５の材料として用い
ることができるガラスの屈折率（〜1.5 ）は、半導体層
２を形成する半導体の屈折率（〜3.5 ）よりも小さい。
従って、図３(b) に示すように、絶縁層５の平面パター
ンを適切な形状にすることにより、半導体層２の内部に
光導波路を形成することができる。

【００３２】ただし、絶縁層５により光導波路を形成す
る場合、絶縁層５として用いる材料には緻密性が要求さ
れる。従って、SiＮ膜や熱酸化法により形成されたSiＯ
₂膜は好ましく用いることができるが、プラズマ法など
により形成されたSiＯ₂膜は緻密性に欠けるので好まし
くない。

【００３３】更に、通常光通信に用いられるレベルの発
光パワーでは、このＬＥＤがレーザ発振する恐れは殆ど
ない。しかしながら、特殊用途として大電流で駆動して
発光領域における光密度が大きくなった場合にはレーザ
発振が生じる場合もある。そこで、発光領域から取り出
し口までの導波路の形状に、平行面が形成されないよう
にすることが好ましい。具体的には、図３(b) に示すよ
うに、一方の面Ａが傾斜した形状を形成すればよい。ま
た、平面形状だけではなく、下面電極３の上面を傾斜さ
せてもよい。どの程度傾斜させるかは電極形状やチップ
サイズ、光密度に依存するが、一般的には0.1 度から20
度の範囲内である。

【００３４】図４は、本発明に係るＬＥＤの製造プロセ
スと、その結果得られるＬＥＤのより具体的な構成とを
説明するための図である。

【００３５】図４に示すように、このＬＥＤの基本的な
構成は図２に示したＬＥＤと同じであり、半導体層２は
InＰにより、活性層はInGaAsＰによりそれぞれ形成され
ている。尚、ここでは、発光波長 1.3μｍにバンドギャ
ップを合わせるために、活性層は４元系となっている。
また、活性層１の直上および直下には、格子定数を合わ
せるためのInGaAsＰ層２ａが形成されている。

【００３６】上述のようなＬＥＤの製造工程を、波長
1.3μｍで発光するＬＥＤを例に挙げて説明する。

【００３７】前半のプロセスは、InＰ、InGaAsＰ等のウ
ェハに対して、図４に示した層構成を上下反転させた状
態で、エピタキシャル成長または拡散により行われる。
まず、ウェハと活性層との格子定数を合わせるための層
が堆積される。即ち、例えば長波長で発光するＬＥＤの
場合、発光層はInGaAsＰにより形成されるが、そのバン
ドギャップエネルギーを発光波長に合わせておく必要が
ある。更に、実際には、室温の熱エネルギー分を補正す
る必要がある。そこで、実際のプロセスでは、ウェハと
活性層との間に例えばInGaAsＰ層等を堆積させる。次
に、活性層を堆積させた後、再び格子定数を合わせるた
めの層を堆積させ、次いでｐ層を形成する。更に、電極
層の装荷およびそのパターニングを行う。前述したモニ
タ用の穴もこのとき形成される。

【００３８】次に、ウェハを上下反転させて、下部電極
となる金属層をウェハの上面に装荷する。このとき、パ
ッシベーション膜、導波路に面した領域への無反射コー
ティング膜、ダイボンドのためのハンダ層などを下部電
極の直上または直下に必要に応じて形成する。また、使
用する光学系によっては、電極形成以前の段階でウェハ
の薄化処理を行う場合がある。

【００３９】尚、上述のようなプロセスは、従来のＳ−
ＬＥＤの製造プロセスとほぼ同じである。また、従来の
Ｅ−ＬＥＤの製造プロセスでは、上述のプロセスに加え
て、端面処理、導波路構造、導波に伴う活性層の形成方
法の変更などがある。即ち、本発明に係るＬＥＤは、側
面放射型であるにもかかわらず、製造プロセスはＳ−Ｌ
ＥＤと同等に簡素である。

【００４０】上述のようなプロセスで作製できる本発明
に係るＬＥＤは、室温において、ピーク波長1.28〜1.36
μｍ、スペクトル半値幅60〜200 mm、50ｍＡの駆動電流
を印加したときの総発光パワー（素子の外部に放射され
る光パワー）が 100〜700 μＷ程度である。

【００４１】尚、上述のようなプロセス並びに仕様で作
製したＬＥＤについて、ＬＥＤチップ表面に透明樹脂に
よりマイクロボールレンズを装着し、ＧＩ−ファイバ
（コア径 2.5μｍ、ＮＡ＝0.29）、ＳＭ−ファイバ等を
接続して結合効率を測定した。50ｍＡの駆動電流で発光
させた状態でＳＥＬＦＯＣ（商品名）により測定したと
ころ、特にＳＭ−ファイバのようにコア径の小さなファ
イバに対しては、従来のＳ−ＬＥＤに比較して数倍以上
の結合効率が確認された。

【００４２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
ＬＥＤは、Ｅ−ＬＥＤにせまる高い結合効率を有してい
る一方で、Ｓ−ＬＥＤと同じ製造プロセスで製造するこ
とができる。従って、廉価で取り扱いが容易であるにも
かかわらず専ら結合効率の点で利用が制限されていたＬ
ＥＤを広く応用することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＬＥＤの基本的に構成を示す図で
ある。

【図２】本発明に係るＬＥＤの他の態様を示す図であ
る。

【図３】本発明に係るＬＥＤの更に他の態様を示す図で
ある。

【図４】本発明に係るＬＥＤの製造プロセスと、その結
果得られるＬＥＤのより具体的な構成を示す図である。

【図５】従来のＳ−ＬＥＤの構成を示す図である。

【図６】従来のＥ−ＬＥＤの構成を示す図である。

【符号の説明】

１・・・活性層、１ａ・・発光領域、
２・・・半導体層、３・・・下面電極、４、４ａ、
４ｂ・・・上面電極、５・・・絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層を含む半導体層と、該半導体層を挟
む上面電極および下面電極とを備えた発光ダイオードに
おいて、該活性層の一部である発光領域が該発光ダイオ
ード素子の外部に露出しないように埋設されており、且
つ、該発光領域において発生した光が該素子の側面から
外部に放射されるように構成されていることを特徴とす
るサイドエミッティング型発光ダイオード。
【請求項２】請求項１に記載された発光ダイオードにお
いて、前記発光領域から所定の光取り出し口までの間に
形成された光導波路を備えることを特徴とする発光ダイ
オード。
【請求項３】請求項２に記載された発光ダイオードにお
いて、前記光導波路の直下に前記下面電極が形成されて
いることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】請求項２に記載された発光ダイオードにお
いて、前記発光領域の周辺に絶縁体層が形成されてお
り、且つ、該絶縁層が前記光導波路を兼ねていることを
特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１項
に記載された発光ダイオードにおいて、前記発光領域で
発生した光の一部を、該発光ダイオードの上面からモニ
タ光として取り出すことができるように構成されている
ことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項６】請求項５に記載された発光ダイオードにお
いて、前記上面電極に、前記モニタ光を通過させること
ができる穴が形成されていることを特徴とする発光ダイ
オード。
【請求項７】請求項１から請求項６までのいずれか１項
に記載された発光ダイオードにおいて、前記発光領域
が、該発光ダイオードの側方端面に対して平行にならな
い辺を含む平面形状を有することを特徴とする発光ダイ
オード。
【請求項８】請求項１から請求項７までのいずれか１項
に記載された発光ダイオードにおいて、該発光ダイオー
ドを構成する各層の界面の一部が、該発光ダイオードの
側面に対して直角にならない形状を有することを特徴と
する発光ダイオード。