JPS59121887A - 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】 本発明は、基板から再放出される輻射を抑制すべく構成
された面発光形発光ダイオードに係わる。

本発明に従う発光ダイオードは、放出層の材料に近い材
料から形成された再放出層を含んでおう、前記再放出層
は、基板に向かうエネルギーを吸Ｊメし放出層の波長に
近い波長で再放出する。

発光ダイオードは本質的に活性Ｊ―と少なくとも１個の
閉じ込めｈＪとから形成される素子であり、素子全体は
基板によって支持され、更に他の潤滑用、接融用等の層
を含み得る。なお、これらの層は本発明の範囲外なので
以下に詳述しない。発光ダイオードは、順方向、？イア
ス接合にキャリアを注入することによって形成される重
子−正孔対の発光再結合から生じる自然放出を使用する
。自然放出光は等方性である。

２通シの場合がある。

放出波長に対して非透過性の基板を有する面発光形発光
ダイオードの場合、放出に伴う光スペクトルは活性ノロ
の性質に応じて１または２個程度の顕著なピークを含ん
でいる。ピークの一方は、活性層から放出されたエネル
ギーを吸収し前記活性層の波長と異なる波長で再放出す
る基板からきている。

他方基板が放出波長に対して透過性の場合、基板はエネ
ルギーを吸収しないので、再放出もしないが、放出光の
約半分は、換言するならダイオードの後面から即ち基板
を通って出る光は失われる。

放出光の分布がほぼランパート分布であるため、特に光
ファイバと結合させた場合発光ダイオードの効率はどち
らかと言うと並である。発光ダイオードの効率を高めよ
υ純粋なスペクトルを得るために、本発明は、活性ＩＣ
，Ｉに非常に近い外装を有しかつ閉じ込め層及び活性層
よシ小さい禁制帯エネルギーを有する鳩を発光ダイオ−
１−″構造に加えるものであり、この付加層は放出光の
後方通路に配ｔｈＭれる。前記付加層は活性１ｍから波
長λで放出された輻射を吸収し、光ルミネセンスにより
λ＋Δλに非常に近い波長で再放出する。従って、得ら
れる光出力は光ルミネセンス放出によシ増加し光スペク
トル線はやや上昇するが、基板からの寄生放出ピークは
著しく低下し、消滅する場合さえある。

よシ峠しくけ、本発明は基板と窓層との間に配置された
少なくとも１個の活性Ｊωを含む面発光形発光ダイオー
ドに係わシ、前記活性層は／？イアス下に等方性光輻射
を放出し、前記輻射の一部は前記窓層を通って放出され
、一部は前記基板の方向に放出される。前記ダイオード
は、活性層の材料の禁制帯幅の近傍でかつ前記禁制帯巾
よシも小さい禁制帯巾を有する材料から形成された層を
含むことを４＋徴とし、当該層は基板の方向に放出され
た輻射を吸収し、この輻射を光ルミネセンスにより前記
活性層の波長（λ）に非常に近い波長（λ＋Δλ）で等
方的に再放出する。

本発明は、基板が放出波長に対して非透過性でおる場合
と透過性である場合の２通りの具体例に関する以下の記
載からよシよく理解されよう。なお以下の記載は添付図
面全参照して行われる。

発光ダイオードには構造または構成材料に従って様々の
タイプがある。発光ダイオードはホモ接合、シンプルま
たはダブルへテロ接合構造であシ得、種々の材料、例え
ばＧａＡｓ、　ＡＪＧａＡｓ、　ＩｎＰ＋ＩｎＧａＡｓ
＋　　ＩｎＧａＡｓＰ等の族から形成され得る。更に詳
しくいうと本発明の説明は特に次のふたつのケースに係
っている。即ち一方は８４０ナノメータ近傍の輻射に対
して非透過性のＧａＡｓ基板を使用するＧａＡｓ　−Ａ
ＡＧａＡｓダイオードの場合であシ、他方は１３００ナ
ノメータ近傍の輻射に対して透過性のＩｎＰ基板を使用
するダイオードの場合である。

第１図は従来技術の発光ダイオードの断面図である。こ
の発光ダイオードは本質的に２個の閉じ込め層２及び３
の間に挾まれ、前記閉じ込め層との間の２界面でダブル
へテロ接合を形成する所間活性層１によ多形成される。

最も簡単な例では、ｈｖ記ダイオードはこの他に少なく
とも１個の基板４と表面ノロ５、所開怒層とを會んでお
ジ、前記基板は基板から堆積される薄層の機械的支持体
として及び第１番目の電気接点として機能し、前記表面
Ｊ−は放出される輻射に対して透過性の第２番目の電気
接点を形成すべく（４成される。活性層ｌは６％のアル
ミニウムを含むＰドープ層ＡＡｘＧａ　１−ＸＡｓから
形成される。２個の閉じ込め鳩２及び３はいずれも３５
チのアルミニウムを含むＡｊ＋ｘ’Ｇａ　１−ｘ’Ａｓ
から形成され、活性／Ｑｊ　１とダイオードの発光表面
との間に配置される閉じ込め層２はｎドープ層であシ、
他方活性島１と基板４との間に配置される閉じ込め層３
はＰドープ層である。基板４はＰ＋型ＧａＡｓから形成
されるので、０チのアルミニウムを含む。更に、基板４
から形成される非透過表面に対し、輻射出力窓とダイオ
ードの発光表面とを構成している接触形成層５は、１５
チのアルミニウム金倉むｎ＋ドープ型Ａｊ＋ｘ’Ｇａ　
１−ｘＩＡａから形成される。

層中のアルミニウム含有率は該当帰のＭ’Ａｊ’Ｊ帝幅
を決定し、従って層に固有の放出波長を与える。

自然発光条件下で作動する発光ダイオードの場合、各放
出点の輻射は空中に等方的に行われる。第１図ではこの
様子を活性層１の要素から空中の全方向に伝播される輻
射として示す。活性層１のアルミニウム濃度は６チに過
ぎないが、閉じ込め層２及び３並びに窓）會のアルミニ
ウム濃度はこれより大きいため活性層の輻射に対して透
過性である。従って、活性層１の容針袈素から放出され
た輻射のうち、一部は窓ＪＣｔ５から放出され、一部は
発光ダイオードの構造に対して８ｊ方向に失われ、一部
は前記波長λに対して非透過性のＧａＡｓ基板にぶつか
る。

基板４に達する輻射部分は前記基板によシ吸収され、こ
の吸収に伴うエネルギー損失の結果、ＧａＡ３基板は光
ルミネセンスによシ基板で固有の波長、例えば８８０ナ
ノメータの近傍で選択された波長で再放出を行いイ４る
。固有の波長λ′で基板から放出されたエネルギーの一
部は、活性層及び閉じ込め層のいずれにも吸収されずに
、ダイオードを通過し、窓層５から外に出る。従って、
発光素子のスペクトル分析時には、活性層に固有の波長
λと共に基板に固有の波長λ′が問題になる。

第２図は、横軸の波長に対して縦軸に発光ダイオードの
光出力を示している。この図から明らかなように、Ｇａ
Ａｓ　＋、υＧａＡｓ型のダイオードの場合、８４０ナ
ノメータ近傍の出力ピークと８８０ナノメータ近傍の小
さい出力ピークとがあシ、後者の出力が、基板から光ル
ミネセンスによシ放出される出力に対応する。前記２ピ
ークを加えると素子のスペクトル分析が得られる。８８
０ナノメータの寄生ピークの光出力は８４０ナノメータ
の主ピークの出力の４０９６以内であシ得る。このよう
にスペクトルが二元性であると、相当数の適用例、特に
波長マルチプレクミングを使用するような適用例に発光
ダイオードを使用することは困難になる。これらの適用
例では、スペクトル線幅はできるだけ小さくまたできる
だけ限定することが必要である。

ところで、一般に寄生放出現象が生じると従来技術のダ
イオードのスペクトルの幅は増加する。従って寄生放出
を抑制する必要がある。

第３図は、非透過性基板を使用する本発明による発光ダ
イオードの断面図である。第１図に示した従来技術の発
光ダイオードと比較すると、本発明のダイオードは、基
板４と基板に近い側の閉じ込め層との間に配置された付
加層６とを含んでおシ、該層は５％の′アルミニウムを
含むＰ型導電性のＡＪｙＧａＩＪ’Ａｓから形成される
。一般に再放出層中のアルミニウム白°分率は、再放出
層の禁制帯幅が放出層ｌの県ｆ［ｉｌＪ帯幅の極めて近
傍であジいずれにせよ閉じ込め層３の禁制桁幅よシ小さ
くなるように、放出層１のアルミニウム百分率のできる
だけ近傍でかつ前記百分率よシイ値かに小さい値に選択
すべきである。

本発明に従う構成に於いて、放出Ｊ鉗１の容督要鍬は窓
層５の方向及び特に基板４の方向に波長λで光を放出す
る。基板に向かう４６）射は層厚が十分な場合再放出層
６により吸収され、光ルミネセンスによシ再放出される
。従って、放出層ｌの波長　　−λに非常に近い波長λ
＋Δλで再放出層６から出る光ルミネセンス輻射のうち
、一部は窓層５に向かって、一部は基板に向かって伝播
される。一基板４によシ吸収された前記輻射部分λ＋Δ
２はこうして寄生波長λ′で等方的に再放出される。

第４図は、本発明に従うダイオードの光出力曲線を波長
の歯数として示した図である。従来技術のダイオードの
光出力を示す第２図の曲線に比較すると、主光出力ピー
クは活性層１のＩ出光に対応するピークと再放出層６の
光ルミネセンスによる再放出光に対応するピークとのふ
たつのピークの和、即ち図例では８４０ナノメータと約
８４５ナノメータとのピークの和により形成されるので
、非常に僅かではあるがピークの幅が広がる。このよう
に前記２個のエネルギーピークの和として得られた主出
力ピークは、光ルミネセンスにょシ再放出された光が加
わる／（め非常に僅かであるがピークの幅が広く、従っ
てピークの頂点がややずれるが、その出力は活性層のみ
の場合よシも大きい。

また、光ルミネセンスを全く除外して考えた場合にも、
再放出層６を介在させると、前記再放出層が基板のれｆ
ｆｔ層として機能し、ＧａＡｓ基板上に第１番目のＧａ
Ａ１Ａｓ閉じ込め層が良好に成長し、従って応力が減少
し、エビタキＦ−中の基板から層への庇の移動が妨げら
れるという利点が生じる。

第５図は、上記と同様の利点を有する変形例として形成
された本発明の発光ダイオードの断面図である。図面を
わかシ易くするために、下方部分、即ち活性層と基板と
の間のダイオード部分のみを示している。

本発明のこの変形例の場合、再放出層は第３図のように
均一材料の単一ノの６によって構成されるのでなく、よ
シ薄い層の集合７によって構成され、前記各薄層のアル
ミニウム含有率、またはよＣ一般的にいうなら禁制帯幅
は、基板から活性Ｎｌの方向に連続的に変化する。よυ
具体゛的にいうなら、基板が８４０ナノメータの非透過
性ＧａＡａから形成される場合、基板に接触するよう配
置される第１番目の層はｌチのアルミニウムを含み、第
２番目のノーは２ｑｂ、以下同様の含有率であシ、活性
層１のアルミニウム含有率が６％であるなら最後の層の
含有率は５％である。

上記のダイオード構造に従うと、活性層１の容景要素か
らＧａＡｓ基板４の方向に波長λで放出された輻射は、
再放出Ｎ７を構成する最後の層、即ち閉じ込め層３に接
触する層によ力吸収される。

前記再放出層に吸収された輻射は、次に光ルミネセンス
によシ前記層中のアルミニウム含有率に対応する波長λ
＋△λで再放出される。全方向に等方向に放出された波
長λ十へλの輻射は次の鳩によシ吸収され、波長λ＋Δ
２λで再放出され、基板に接触している第１番目の鳩ま
で同様に１閾次再放出され、前記第１番目の層の再放出
波長はλ＋△ｎ２となる。基板自体は、実際に活性層と
再放出層７との輻射の混合に相当する所定の輻射を受取
るが、容土波長λ′で榛めて小部分を再放出するに過ぎ
ない。

第６図は、第５図に示した第１番目の変形具体例に従う
発光ダイオードのエネルギースペクトルを示す。第４図
のスペクトルに比較すると、主エネルギ−ピークば、活
性層１に対応するエネルギーーーりと再放出ＮＪ６に対
応する唯１個のエネルギーピークとの結合の→によって
得られるのでなく、放出層１のエネルギービークを再放
出累層７の複数の小さいエネルギービークと結合するこ
とによって得られるので、エネルギービークの幅は非常
に僅かたが広がっている。一方、８８０ナノメータの寄
生エネルギーピークは事実上消滅している。

第７図は従来技術に従う発光ダイオードの第２蚕目の例
として、基板が放出波長に対して透過性である場合を示
した断頭し１である。

このタイプのダイオードは本質的に例えばＧａｘＩｎｌ
−ｘＡｓ３ｒＰＩＪ’から形成される活（ｉｔ／＃１に
よシ４ミ）成され、前記活性層は、いずれもＩｎＰから
形成される２個の閉じ込め帰２及び３のｔ８１のダブル
へテロ接合により構成される。前記層全体は同様にＩｎ
Ｐから形成された基板４により支持される。

活性層のバイアス印加時に該活性層から放出された光は
発光ダイオードの上面の窓層５を通って外に出、ＩｎＰ
基板４が透過性であるためこの光はＩｎＰ基板からも外
に出る。ダイオードがＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰ層、ま
たは他の密接に関連し合う材料の組合わせにより構成さ
れる場合、放出波長は１３００ナノメータ近傍である。

１２００乃至６５０００ナノメータの時Ｇａｘ　Ｉｎ１
−ｘＡｓ７Ｐ１−７化合物中のＸ及びｙは次の関係酸二 （式中、ｏ、５＜ｙ＜１及び０．２２（ｘ＜０．４７）
で与−ｐは、本発明に従う構造、例えば第３図に示した
ｔｊ４込や第５図に示したその変形に適用できる。

その場合、基板及び活性〜１と基板４との間に配置され
た１ろ“づじ込め層３の７ｆｔＪ　Ｋは、第３図の層６
のように厚さが均一でドーピング勾配を伴わないか或い
は第５図の層７のようにドーピング勾配を有する連続薄
層によシ形成され得る再放出層を配置しなければならな
い。Ｍ要な点は、再放出層の禁制帯幅を活性層の禁制帯
幅よシ僅かに小さくすべきだという点である。

一方、基板が放出波長に対して透過性である場合に限シ
、別の例が有益であシ得る。これを第８図に示す。

嬉８図の構造と第３図の構造との差異は、第３図の再放
出層６が放出層から見て基板の手前に配置されるのに対
して第８図の再放出層８が活性層から見て基板の後側に
配置されるという点である。

再放出Ｎ８が基板の後に配置される場合、活性層の容蓋
要紫から放出された光は、再放出層８に吸収されるよシ
以前に閉じ込め層３と基板４とを横切る。前記再放出層
は吸収したエネルギーを変換しノ＋△λに非常に近い波
長の輻射として再放出する。もつとも、再放出層は構造
の外側に配置されるので、光ルミネセンスにより再放出
される輻射の一部は肖初の目的通シ窓鳩５に向かうが、
同時に一部はダイオードの後部に向かう。輻射がダ′イ
オーｒの後部から外に出るという点は、ダイオードから
放出された光を制御し、放出光に応じて例えばフィード
バックを可能にするために、好ましいとされる場合があ
る。

以上、現在最も一般的に使用されている８４０及び１３
００ナノメータの２例、即ち基板が非透過性であるか透
過性であるかという主賛な２例に基づいて本発明を説明
した。しかし乍ら構成材料がｌ−Ｖ族の２元合金である
か３元合金であるかに拘らず本発明はあらゆる発光ダイ
オ−ＦＫ適用される。

本発明は−また、その構造を問わずあらゆる発光ダイオ
ードに適用される。本文中ではわかフ易くするために、
使用範囲にある相当数の補助層について説明を省略する
ととＫよりダイオードの構造を故慧に単純化している。

また、本発明はダブルへテロ接合でなくホモ接合構造ま
たはシングルへテロ接合構造のダイオードの場合にも適
用誉れる。

本発明の概念を要約すると、後面から光を逃散させるか
或いは光の全部を吸収するような部分をダーイオード中
の基板側に配置するかゎシに、再放出体に匹敵するもの
、即ち基板に向かって放出された光を吸収しこの光を窓
層に向がって活性層の波長に非常に近い波長で再放出す
る再放出層を介在させることであり、この再放出層が本
発明のｑ！ｆ徴を構成している。本発明のよシ一般的な
概念は特許請求の範囲

【図面の簡単な説明】

第１図は非透過性基板を使用する従来技術の発光ダイオ
ードの断面図、第２図は第１図の発光ダイオードのエネ
ルギースペクトル図、第３図は非透過性基板を使用する
本発明の発光ダイオードの断面図、第４図は第３図の発
光ダイオードのエネルギースペクトル図、第５因は本発
明に従う発光ダイオードの第１番目の変形例を示す断面
図、第６図は第５図の発光ダイオードのエネルギースペ
クトル図、第７図は透通性基板を使用する従来技術の発
光ダイオードの断面図、及び弟８図は透過性基板を使用
する本発明の発光ダイオードの断面図である。 １・・・活性層、　２．３・・・閉じ込めノー、４　・
・・基　　板、　　　　　　　５　・・・窓　　／Ｖ，
　　　　　　６，７１８　　・・・再放出１Ω。 へ払．ｕｎｉ号　　村　　　元

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１基板と窓層との間に配置された少なくとも１個の
   活性層を含む面発光形発光ダイオード。 であり、前記活性層はバイアス下に等方性輻射を放出し
   、前記輻射の一部は前記窓層を通って放出され一部＃′
   ｉ基板の方向に放出され、前記ダイオードは、前記活性
   層の材料の禁制帯幅の近傍でかつ前記禁制帯幅よ）小さ
   い禁制帯幅を有する材料から構成された層を含んでおシ
   、当該層は、基板の方向に放出された輻射を吸収し、前
   記輻射を光ルミネセンスによｐ前記活性層の波長に非常
   に近い波長で等方向に再放出する、面発光形発光ダイオ
   ード。 （２）前記活性層と前記基板との間に配置された少なく
   とも１個の閉じ込め層を更に含んでおシ、前記再放出層
   は前記閉じ込め層と前記基板との間に配置され、前記再
   放出層の組成は全厚みにおいて均一である、％許蛸求の
   範囲第１項に記載の発光ダイオード。 （３）前記活性層と前記基板との間に配置された少なく
   とも１個の閉じ込め層を宮むダイオードに於いて、前記
   再放出層はＡＩＪ記閉じ込め層と前記基板との間に配置
   され、組成の異なる複数の累層から構成され、前記再放
   出層の禁制帯幅は前記基板に接触する素層から前記閉じ
   込め層に接触する素層に向かって増加する特許請求の範
   囲第１項に記載の発光ダイオード。 （４）前記活性層から放出された光の波長に対して透過
   性の基板を有するダイオードに於いて、前記基板は前記
   閉じ込め層と前記再放出層との間に配置され、前記再放
   出層はダイオードの動作を制御まだはフィートノ上ツク
   すべく先取された光をダイオードの「後」面から放出す
   る、特許請求の範囲第１項に記載の発光ダイオード。 （５）前記基板はＰ＋ドープ型ＧａＡｓから形成され、
   前記再放出層は１１Ｍを含むｐ型、υｙ　Ｇａ　１−ｙ
   Ａｓ（ｙよ０．０５）から形成され、 前記下側閉じ込め層は３５％Ａ７！を含むｐ型んｇｘ’
   Ｇａ１−ｘ’Ａｓ　（ｘ″′：′″’０．３５　）　カ
   ら形成サレ、前記活性層は６％Ａｊ！を含むｐ型ＡＪｘ
   Ｇａ１−ｘＡｓ（Ｘシ０．０６）から形成され、 前記下側閉じ込め層は３５％ＡＪを含むｎ型ＡＪｘ’Ｇ
   ａ１−ｘ’Ａｓ　（ｘ’＝　０．３５　）から形成され
   前記窓層は５％ＡＵを含むｎ“型）Ｊｆ　Ｇａ　１−　
   ｘ’　Ａｓ（ＸｌさＯ，ＯＳ　、）から形成される、特
   許請求の範囲第１項に記載の発光ダイオード。 （６）　　前記基板はＰ＋ドープ型ＧａＡｓから形成さ
   れ、前記再放出層は１％（基板仰ｊ）乃至５チ（閉じ込
   め層側）のＡＪを含む検数の素層から成るｐ型ＡＪｙＧ
   　ａ　１−ｙＡ　ｓから形成され、前記下側閉じ込め層
   は３５−Ａｌ１を含むｐ型ＡＪｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓ　
   （ｘ’＝０．３．５　）から形成され、前記活性層は６
   ％アルミニウムを含むｐ型ＡＪｘＧａ１−ｘＡｓ　（ｘ
   さ０．０６　）から形成され、前記下側閉じ込め層は３
   ５％ＡＪＺを含むｎ型）Ｊｘ’Ｇａ　１−ｘ’Ａｓ　（
   ｘ’：０．３５　）から形成され、前記窓層は５チＢを
   苫む１型）Ｊｘ’Ｇａ　１−ｘ’Ａｓ（ｘ”　ｏ、ｏ　
   ５　）から形成される、特許請求の範囲第１項に記載の
   発光ダイオード。 （力　前記基板はＩｎＰから形成され、前記再放出層は
   Ｇａｘ　Ｉｎ１−ｘＡｓｙＰｌ−ｙから形成でれ、 前記下側閉じ込め層はＩｎＰから形成され、前記活性層
   はＧａｘｌｎｌ−ｘＡｓｙＰｌ−ｙから形成され、 前記下側閉じ込め層はＩｎＰから形成され、前記窓層は
   ＩｎＰから形１．にされ、 前記再放出層と活性層との２層は、式中Ｏ，Ｘ２（Ｘ（
   ０，４７及びｏ、５（ｙ（／７．・４る、特許請求の範
   囲第１項に記載の発光ダイオード。