JPS5853873A - 表面発光型発光ダイオ−ド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は表面発光型発光ダイオードの構造に関するも
のである。

Ｉｎ０ａｈ＠Ｐ／ＩｎＰ系の発光素子は、その組成を変
えることによって、光ファイバーの伝送損失の極めて少
なめ　１．３　Ｊｕｎ及び１．５５Ｊｍ近傍の発光波長
が容易に得られ、信頼性が高く安価にできるので、中・
長距離の各種光通信用および光情報処理用光源として実
用化が進んでいる。

表面発光型発光ダイオードを光ファイバー通信用光ｆｌ
ｉＫ用いるのには、その発光面積をファイバーのコア部
と同程度かそれ以下に小さくして、かつ、輝度を上げ光
ファイバーへの結合パワーを増大することが必要である
６発光様がコア経より小さいときには球レンズ中ロッド
レンズ及び光ファイバーの先端を丸めた先球ファイバー
等の光学的結合回路を用いて光ファイバーへの結合効率
を上げることができる。これらのレンズ系は発光ダイオ
ードに近接させる必要があ）、球レンズの場合には、そ
の保持上の問題もあ、て１発光ダイオードの表面に樹脂
で接着固定する方法が採られている。先球ロッドレンズ
及び先球ファイバー結合方式では、発光ダイオードのス
テ真に対して、機械的に近接させる冶具をつくシ、その
冶具を固定させる方法が使われている。

これらの結合回路を通常の表面発光型発光ダイオードに
適用する場合、理論値通〕の高い結合効率を得るためＫ
は、その位置決めを極めて高い精度で行わなければなら
ない。例えば１発光径３５岬φの発光ダイオードとコア
４１５０ＩＢφの先球ファイバーを結合させる場合、±
ｔｏＪ１ｍの位置ずれて結合効率は、０．５〜１ｄＢの
低下が生ずる。こうし廠欠点を除くため、これまでに発
光ダイオードの出射藺をドーム状に加工し、高ｉ結合効
率を得るための位置決め精度を緩和する方法が提案され
ている０発光ダイオード表面をドーム状に加工するため
には、１個１個機械的に新暦する方法とか、化学エツチ
ング或いは、イオンビームエツチング等の方法がある。

しかし、これらの方法は、いずれも量産性や制御性の点
で問題があり、良質の球菌を得ることは非常に難しい。

さらに、従来の表面発光型発光ダイオードでは、発光輝
度を上げるための電流狭ツ機構を主にＰｉｌｌの電極を
小さくすることで行なってｉる九め、発光経は、電極餞
よ）大きくなるのが通例であうた。

この発明の目的は、以上の欠点を解決すゐ丸めになされ
たもので、表面発光型発光ダイオードにお−で、光ファ
イバーへの結合を行なうとき、位置決め精度を緩和しな
がら結合効率の高−結合回路が設置でき、かつ、すそ拡
がシの少な一発光パターンを有する発光ダイオードを提
供することにある。。

この発明によれば１発光波長に対して透明な第１導電臘
のＩＭｌの半導体からなる基板側から光を攻出す表面発
光型発光ダイオードにおいて、活性層と、前記基板との
間に、前記基板より屈折率の大きな第１導電型の第２の
半導体層を有し、かつ、前記第２の半導体層は発光領域
と同一中心軸上で層厚がもっとも厚く、韻方崗に層厚が
減少する部分を有し、かつ、前記基板と前記第２の半導
体層の間で前記９発光領域に対応する部分を除い九領域
に第２導電１！０１１１Ｉの半導体層が形成されて−る
ことｔ特徴とする表面発光型発光ダイオードが得られる
。

この発明は、半導体材料によらず適用できるが、発光波
長に対して、透明な基板を用いる場合にもっとも大きな
効果を与えるので、以下の説明には主として％　Ｉｎｃ
ｈＡｓｐ−Ｉｎｐ系からなるダブルへテロ構造発光ダイ
オードの場合について１図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は、従来提案されて−るドーム付発光ダイオード
の構成を示す概念図で、ｎ−ＩｎＰ−基板１１の上１１
ｃｆｉ−ＩｆｉＰバッファ層ＩＬＩｆｌＧｆｉＡＩＦ活
性層１３及びＰ−ＩｎＰクラッド層１４とダブルへテロ
構造にし、さらにその上に良好なオーミック電極を得る
ためのＰ−ＩｓＱａＡｓｐキャップ層１５を順次成長し
である。ｎ−（ｏｐ基板１１の成長層と反対側にドーム
を形成するためには、発光稈よ勤大きい所定のＩ［＠の
フォトレジストを通常より高い温度でポストベークする
ことによりてフォトレジスト膜表面を球面化する。この
フォトレジスト膜をマスクとして、ムｒイオンビームに
よるエツチングを施す、このとき、イオンビームの入射
角を適肖に選び、試料を回転させることによって、フォ
トレジストの面形状なＩＩＦ基板１１　Ｋ転写すること
ができる。このようにして、η−ＩｎＰ基板ｌｌに所定
の形状のドーム１６を形成し、そのあと１通常のプロセ
スに従って、Ｐ−ＩｎＧＩＡＩＰキ’ｗｙプ＠１５の表
面の中心部には、発光種を限定するための小ｍ積電極１
７を形成する。このＰ電極１７社Ａｕ７．ａ合金を主な
材料として−る。＠定されたＰ電極１７０周辺社、例え
ば８　ｉ０２のような絶縁膜１９を形成し、その後、全
面にｓ　ｔｏ２になじみやす鱒金１ｌＩｉ層２０を蒸着
し、所定のヒートシンクないしは、ステムに固定できる
ようにする。ｍ方、ル基板１１の表面のドーム１６の外
部にはＡｕＧ１１Ｎｉ等のｎｔａｔｓを形成しである。

このようにして、ｎｗ電極１８Ｐ’を極１７間に順方向
電圧を印加すると活性層１３の一部がＰ電極１７より若
干太き一面積で発光する。この光が、上面に取出される
とき、ドーム　１６は、レンズの働きをし、光ファイバ
ーへの結合効率は高くなる。

しかし、このドーム状レンズ１６の形状はそれ程何食で
はなく、通常理論値通妙の結合効率は得られない、そこ
で、先球７アイパーや、先球ロッドレンズ等の第２のレ
ンズを用−て結合効率を更に高めることが行われて−る
。光学的にけ、複数のレンズでレンズ系を組むと各種収
差を改善することができると同時に、それぞれのレンズ
の設計に任意性が生じる。このため、発光ダイオードと
光ファイバーの結合回路において亀、結合効率を最大に
するのに１個のレンズで行なうよ〕２個のレンズで行な
りた方が設計が秦になり、この場合には、位置合せ精度
の緩和をはかることが可能となる。しかし、との従来知
られて−る例では、ドーム状レンズ１６の形成が難しく
沢山の素子が並んだウエリー内での均一性、再現性に問
題があ抄、品質のよいドーム付発光ダイオードを量産す
ることは極めて困離であった。また、ウニＡ＼−表面に
凸凹を形成していると−うことは、プロセス中破壊させ
る等の問題もあり、製作歩留を下げるという欠点もち、
た。

第２図は、この発明の一実施例の概念を示す断面図であ
る。第１図と同一の部材には同一の番号を附しである。

予じめ７２−１１１Ｐ基＠２１の一方の表面ＫＰ形不純
物を全面拡散するか、あるいは、結晶成長によってＰ−
ＩＩＰ　２２を形成し、そのＰ−１１１Ｐ２２の表面に
所定の発光費とはぼ同じ直伸で＾−ＩｆｉＰ基板２１が
現われる程度の凹部２４を化学的エツチング等で形成し
、これを、成長基板として、凹部のある面上にに−Ｉｎ
ＱａＡｓｐ層２３，１−ＴＥＩＦクラッド層１２　＃　
ＩｎＧａＡｓＰ活性層１３及びＰ−ＩＭＰクラッド層１
４　、　Ｐ”−ＩＩＱａＡＳＰ　ｄＦ　ｑ　’ｐプ層１
層管５次成長しである。ここでｆｉ−１１ＩＧＩＡＩＰ
層２３０組成は発光波長に対して透明になりようＫ１ｌ
ｌＧｍＡｌ！’活性層１３のバンドギャップよシ大きく
なる′ように選んでおく必要がある。　Ｐ、Ｘ両電極の
形成は、第１図の場合と同様にしても得られるが、本発
明でけ、Ｐ−ＩｆｉＰ層２２が電流狭窄の役目を果たす
ので、特にＰ電極を小面積にしなくてもすそ拡がシのな
い発光パターンが得られ石のでＰ＋−ＩｆｉＧａＡＩＰ
會ヤップ層１５の全面Ｋｌ’電極１フを形成する仁とが
できる。この丸め接触抵抗が着しく小さくできる他、熱
伝導の悪い絶縁膜が不要となるため、素子の発熱が極め
て少なくなると―う特徴もある。

ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰの屈折率は、波長に対して変化
する。既に知られている値として、波長が１．３μｍ　
（ｒ）光に対する屈折率はｉｎｐで約３．２１１ｆｌＧ
ｍＡＳＰで約３．５となっている。つまりＸ−ＩｎＧａ
ＡＩＰ層２２の屈折層上２その両側にある７Ｚ−ＩｎＰ
２１及び１２よシ大きくなっている。従って、第２図の
実施例のように周囲よシ屈折率の大きい層２３に滑らか
な曲面２４を形成すれば、これは基本的な埋込みレンズ
になっていることがわかる。従って活性層１３の限定さ
れ九領域で発光した光は、レンズ層２３の曲面２４の曲
率を適当に選ぶことによ炒、平行光線束に変換され、効
率よく光取出し面２５から外部に取出すことができる。

また一度千行光にされた光線束は、先球ファイノ（−や
先球ロッドレンズ等の別のレンズ系を用いることによっ
て位置合せ精度を緩和しながら理論値に近い結合効率で
光ファイバーへの結合が可能になる。しかも素子表面に
は凹凸のない構造となや、製造歩留りも着しく改善され
る。

ｉｇ３図は、埋込みレンズの形成方法の具体的−例を示
すものである。第３図Ａのように九−ＴｆｍＰ基板２１
の（ｉｏｏ）面にＰ形不純物を食間拡散するか、または
結晶成長によってＰ−ＩｆｌＰ層２２全２２し、そのｐ
−ｔａｐ層２２０表面に所定Ｏ％光経とほぼ同じＷＬ任
の穴をＨＣ４−Ｈ３ＰＯ４系のエツチング液で選択エツ
チングを行ないカー■鳳Ｐ基板２１の表両を厘出させる
。このとき結晶方位によってエツチングの異方性が現わ
れ、（Ｏｉｒ）断面では、１Ｍ３図Ｂに示すような形状
にな抄、これと垂直な（０１１）断面では、第３図Ｃの
ような形状になる。この状態で通常の要理連続成員ので
きる液相成長装置にセットし、適当な組成のメルトによ
ってメルトバックを行なうことにより再現性よく第３図
りのように異方性が緩和され、かつ滑らか壜形状の凹部
２４が形成される。この上に第３図窮のようにルーＩｎ
ＧａＡ８Ｐ層２３を形成し、その後、第２図に示し九層
構造に形成する。これ以外のエツチング液でも使用でき
るが異方性の現われ方が−１なり、従りてレンズの非対
称性が大きくなる。これらの工程は、通常の液相成長法
によって極めて安定に再現性よく行なうことができる。

第４図は、この発明の別の実施例を示す断面図でおる。

第２図のπ−ＩｆｌＰクラッド層１２を省略しえ場合で
Ｖングル・ヘテロ構造に近くなる０発光ダイオードの発
光効率は、ダブル・ヘテロ構造にＳシ 比べて、若干劣るも夾、暦数が一層減るため製造コスト
が低くなるという特徴を有している。

以上、ＩｎＧａＡｓＰ層　ＩｆｌＰ系の表面発光型発光
ダイオードにつかで詳細に説明してきたが、この発明は
表面発光型発光ダイオードなら他のいかなる半導体材料
の発光ダイオードにも適用できるとともに、導電型を入
れ換ええ構造においても適用できることは一つまでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のドーム付発光ダイオードの一例を示す
断面図、第２図は、この発明の第一の実施例の断面図、
＠３図Ａ〜第３図Ｐ！はこの発明の特徴である糧込みレ
ンズの形成方法を示すための概念図、第４図はこの発明
の第二の実施例の断面図である。 １１．２ｌ−Ｘ−ＩｆｌＦ基板、１２　・ｘ−ｘｎｐ層
、２２　・・・Ｐ−ＩｎＰ層、２３−Ｘ−ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層、１３−ＩｎＧａＡｓＰ活性層、　　１４・”Ｐ−
ＩｎＰり２ラド層、１５−１”−ＩｎＧａＡｓＰキャッ
プ層、１７・・・Ｐ電極、１８・・・π電極、１９・・
・絶縁膜、２０・・・金属層、　１６・・・ドーム状レ
ンズ、２４・・・埋込レンズ用の凹部、２５・・・光取
出し面。 第１図 第２口 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発光波長に対して透明な第１導電濠の第１０牛導体から
   なる基板側から光を取出す表面発光型発光ダイオードに
   おいて、活性層と前記基板との間に前記基板よシ屈折率
   の大きな第１導電−の第２の半導体層を有し、かつ前記
   第２の半導体層は発光領域と同一中心軸上で層厚がもっ
   とも厚く経方向に層厚が減少する部分を有し、かつ前記
   基板と前記第２の半導体層の間で前記発光領ｆｉＫ対応
   する部分の周囲の領域に第２の導電型のＩＩＩの半導体
   層が形成されていることを特徴とする表面発光型発光ダ
   イオード。