JPS61502086A - 縁端放射型発光ダイオ−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】 縁端放射型発光ダイオード 発明の背景 本発明は、高速光ファイバ通信に用いられるカットオフ導波層を持っ縁端放射型 の高効率半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。

光フアイバ通信に最もよく用いられる半導体ＬＥＤの２つの型は、表面食刻ウェ ル・エミッタ（バラス型）と縁端エミッタである。表面エミッタにおいては、光 はデバイスのｐｎ接合面に直角な通路に沿って、平面ＬＥＤ構造の表面から放射 される。１本の光ファイバが、放射された光を受けるためにこの通路と一線にな るように置かれている。１個のウェルが該構造の上面に食刻されており、それが 光ファイバがデバイスの発光活性領域にできるだけ近接することを可能にしてい る。

縁端エミッタの構造は、二重へテロ接合半導体レーザの構造に極めて似ている。

縁端エミッタにおいては、デバイスはｐｎ接合面を形成するように、不純物がド ープされた半導体材料のいくつかの層がら成っている。

接合面が順方向にバイアスされると、注入されたキャリア（電子と正孔）は活性 層内で再結合して、光を発する。この光は、この活性層の接合面に平行な通路に 沿ってデバイスの縁端から放射される。、１本の光ファイバが、光が放射される デバイスの縁端におけるこの通路と９−線になるように置かれている。

縁端エミッタは、表面エミッタよりも作るのも安価であり、またパッケージする のも容易である可能性がある。しかし、代表的な縁端エミッタ発光総出力は、そ れに相当する表面エミッタの発光総出力よりもはるかに小さい、この低い出力水 準は、デバイスの活性領域内における光の再吸収によって生じる。

従来型の縁端放射型ＬＥＤにおいては、通常活性層は２層の閉じ込め層によって 包まれており、さらにそれらは２層の光誘導層によって包まれており、光は閉じ 込め層と光誘導層との間の接界面で複数回の内面反射を行なった後、該ＬＥＤか ら放射される。活性層を形成している材料が、キャリアが再結合したときに生じ た光エネルギーを吸収するので、デバイスの発光効率を高めるために、その活性 層は通例比較的薄く（約０．１ミクロン）形成されている。しかし、このような 薄い活性層を持つＬＥＤを製造することは困難を伴い。

従って高価につく。

発明の概要 本発明は、デバイスの活性層で発生した光放射が、その活性層を形成する材料に よって大幅に吸収されずにデバイスから出て行く、高効率縁端エミッタ型のＬＥ Ｄに用いられる新しい構造に関するものである。このＬＥＤは、層内でキャリア の再結合が起りその結果光が発生する１層の活性層、および活性層内にキャリア の再結合を閉じ込める。１層のｐ−閉じ込め層とそれとは活性層の反対側にある １層のｎ−閉じ込め層から成るものである。

活性層内における光の発生の効率を高めるために。

活性層内に電荷キャリアを封じ込めておくように、活性層と閉じ込め層との間の 構造上の差異は最小限に保たれている。これを具体例で示すと、Ｍ、ｔＧａｔ− ｘＡｓでできているＬＥＤの場合は、これらの差異は、活性層とｐ−閉じ込め層 との間のエレクトロン障壁のためには少なくともΔＸ＝０．２０であり、活性層 とｎ−閉じ込め層との間の正孔障壁のためにはΔｘ　＝０．１０である。

本発明の好ましい実施例の１つにおいては、この２層の閉じ込め層の構成はそれ ぞれ異なっており、その結果非対称的構造となっており、従って活性層で発生し た光はエネルギーを吸収する活性層内に閉じ込められることはない。この特性の ために、従来型のＬＥＤよりも厚い活性層を持つＬＥＤを、一方で高い発光出力 を保ちながら、作ることを可能にする。より厚みのある活性層を持つＬＥＤを作 ることは、より簡単であり従ってより費用のかからないプロセスによって可能で ある。さらに、活性層および閉じ込め層は１次いで低屈折率の内部反射層、もし くは閉じ込め層および活性層内で発生した光を反射によって閉じ込める１個の光 学的空洞を形成する反射性の金属層によって包まれている。また、デバイスの放 射面は、デバイスからの発光出力強度を高めるために反射防止被覆によって被わ れている。

２層の閉じ込め層の厚さは、活性層で発生した光が、全く反射されないかあるい は１回反射した後にデバイスから出て行くように選択される。この特性は、発生 した光が活性層を形成するエネルギー吸収材料の中の最短距離を通過した後にデ バイスを離れることを可能にし、その結果、高効率なデバイスが得られることに なる。

図面の簡単な説明 本発明の上記およびその他の目的、特性および利点は１本発明の一実施例の下記 の説明からより°容易に明らかとなるだろう。そこで、 第１図は、本発明の非対称縁端放射型ダイオードの説明に役だつ実施例のパラメ ータをグラフに表わしたものである。

第２図は１本発明の縁端放射型発光ダイオードの第］の実施例の概略構造の横断 面図である。

第３図は、本発明の縁端放射型発光ダイオードの第２の実施例の横断面図である 。

第４図は１本発明の縁端放射型発光ダイオードの第３の実施例の横断面図である 。

第５図は、本発明の縁端放射型発光ダイオードの第４の実施例の横断面図であり 、さらに。

第６図は１本発明の縁端放射型発光ダイオードの第５の実施例の横断面図である 。

望ましい実施例の説明 第２ないし５図の横断面に関して、以下本発明の縁端放射型ＬＥＤのいくつかの 実施例について詳細に説明する。各ＬＥＤは、通常平行六面体の形の単結晶半渾 体材料でできた本体として製作される。ＬＥＤの一般的な設計には、非対称導波 層および反射界面が組み込まれているが、これらは半導体材料のＩＩＩ−ＩＶ族 ３成分系化合物、好ましくはＡｌ１ｘ　Ｇ　ａ、−Ｘ　Ａ　ｓ、の大体において 平坦な層によって形成されている。これらの各層は、ドナーおよびアクセプタで ある不純物にドープされているので、これら各層は、ｎ型もしくはｐ型となって いる。

このＬＥＤは以下のものから成る。ｎ型基板１、ｎ型反射層２、ｎ型閉じ込め層 ３、活性層４、ｐ型閉じ込め層５．　ｐ型反射層６、Ｐ型上被層７．オーム接触 線８、および好ましくはＢａＯの吸熱部１５゜活性層４はｐ型もしくはｎ型のい ずれでもよい。図示されているのは、Ｐ型であるから、層３および層４との間に はｐｎ結合が形成されている。オーム接触線８は、ｐ型上被層７を部分的にしか 被っていないが、これはオーム接触線８の長さおよび幅がｐ型上被層７の長さお よび幅よりも小さいためである。キャリアの再結合は、主としてオーム接触線８ の下の活性層４内の出射面９とエンド・ポイント１０との間で起る。活性層４で 生じた光放射は出射面９においてデバイスから出て行き、通常１本の光ファイバ ２０に入射していく。

デバイスによって生起された光放射の輝度を高めるため、出射面９は、ＬＥＤに よって生起された光放射の波長の約４分の１に等しい厚さのＳｉｎ、、Ｓｉ○も しくはＳｉ、Ｎ４のような、反射防止被覆１１によって被われている。デバイス のその他の面（図示せず）は、光の損失を最小限にするために反射被覆で被われ ている。

オーム接触線８は、デバイス電流を供給するために用いられているが、陽子衝撃 、Ｚｎ拡散或は逆方向バイアスルｎ接合などの他の方法を用いることもできる。

活性層４内で生起された光放射は、デバイス内の活性層から、活性層４の平面か ら測った生起時の角度θで放射される。この光放射は、出射面９に対する定位か ら測った出射角度αをもってデバイスから出て行く。

ある特定の層の厚さをｄ、と定め、またその層の屈折率を、ｒ１５と定めるが、 ここでｉはその層の番号である。同様に、ある層の構成をＡｎｘＧａｌ−ｘＡｓ と定め、ここでＸｉはｉ番目の層におけるアルミニウムとガリウムの全量に対す るアルミニウムの割合とする。従って、０くｘｌ〈１となる。

各層の屈折率の相対値は、ガリウムとアルミニウムの相対濃度を様々に変えるこ とによって得られるが、これはニス・エム・ズイー（Ｓ、Ｍ、５ｚｅ）による「 フィズイックス　オブ　セミコンダクタ　デヴアイシイーズ（Ｐｈｙｓｉｃｓ　 ｏｆ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）　Ｊに記述されているよ うに、３成分系化合物ＡｎｘＧａ１−ｘＡｓの屈折率ｎ（ｘ）は、下記の関係式 にしたがってアルミニウムの濃度Ｘが増大するにつれて減少するからである。

ｎ（ｘ）＝３．５９０　０，７１０Ｘ＋０．０９１ｘ”　（１）デバイスのｐｎ 接合面１３に順方向バイアス電圧（図示せず）が加えられると、キャリア（電子 と正孔）が活性層４内に注入され、保持されて１反対の電荷を帯びたキャリアが 再結合するとき光が発生する。

活性層４の厚さおよびｎ型閉じ込め層３、活性層４およびＰ型閉じ込め層５の構 成を注意深く選択することによって、電気的キャリアは、光放射を生起するため にこの電気的キャリアが再結合する活性層４の中に閉じ込められ、一方、光放射 は活性層のエネルギー吸収材料から出て行くことが可能になる。

まず、電気的キャリアを活性層内に閉じ込めるために、活性層と各閉じ込め層と の間に最小限の構成上の相違が保たれていなければならない。Ｘｉをアルミニウ ムとガリウムの全量に対するアルミニウムの割合。

ΔＸｉ＋ｉ＋１を相接する２つの層の間の構成割合の差と仮定すると、ｎ型閉じ 込め層３と活性層４との間の相違はΔｘ、、４＝０．１０であり、活性層４とｐ 型閉じ込め層５との間の相違はΔｘ４．．＝０．２０である。

光が活性層４から逃れることを可能にするためには。

活性層の厚さと閉じ込め層の構成との関数である閉じ込め係数γはほぼゼロでな ければならない。第１図は、これらの条件をグラフによって表わしたものである 。

これらの曲線は、閉じ込め係数γがほぼゼロにまで減少したときの特定値、およ び活性層４内で生起された光のすべてが、ｎ型閉じ込め層３およびｐ型閉じ込め 層５へと逃れる点における特定値を表わしている。このことから明らかなように 、これらの曲線は、ｐ型閉じ込め層５のアルミニウムの濃度ｘ５に対するｎ型閉 じ込め層３のアルミニウム濃度Ｘ、および活性層４のアルミニウム濃度Ｘ４が０ ．０５である場合の活性層４の厚さｄ４との曲線と同族のものである。閉じ込め 係数がゼロであるためには、活性層の厚さｄ４は、２層の閉じ込め層の構成が近 似してくるに従い、減少しなければならない。

これらの曲線は、ＴＥ（トラバース・エレクトリック（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ））モードで測定された光放射に対してほぼゼロに等しい閉じ 込め係数γを示すために座櫟化されたものであるが、導波分析によると、ＴＭ　 （トラバース・マグネチック（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）　）モ ードで測定された閉じ込め係数がほぼゼロに等しいときの曲線をもまた表わして いることを示している（ＴＥモードの電磁放射は、電界Ｅの伝播方向に垂直の方 向における電界Ｅの大きさに等しいが。

同時に７Ｍモードの電磁放射は、磁界Ｍの伝播方向に垂直の方向における磁界Ｍ の大きさに等しい）。

このＬＥＤを製作するに当って、その活性層のアルミニウム濃度ｘ４は図示され ている所では、ｘ４＝０．０５である。電気的キャリアを閉じ込めるためには、 Δｘ１，４は少なくとも０．１０であり、Δｘ４，５は°少なくとも０．２０で なければならない。従って、ｎ型閉じ込め層３のアルミニウム濃度は少なくとも Ｘ、＝Ｘ４＋Δｘ３，４＝０．０５＋０．１０＝０．１５であり、ｎ型閉じ込め 層５のアルミニウム濃度は少なくともｘ、＝ｘ４＋Δに４．、　＝０．０５＋０ ．２０＝０．２５でなければならない。第１図から２これらの値がｄ４＝０．１ ５ミクロンの活性層４の厚さｄいすなわち従来型の発光ダイオードに用いられて いるものよりも大幅に大きい値に対応することがわかるだろう。

光放射が活性層４を通過するに際して活性層４による光放射の吸収を避けるため に、ｎ型閉じ込め層３とｎ型閉じ込め層５のそれぞれの厚さを選択することが有 利である。活性層４による光学的吸収を避けるために、デバイスは活性層４内で 生起された光放射が、ｎ型反射層２とｎ型閉じ込め層３との界面２３、もしくは ｐ型反射層６とｎ型閉じ込め層５との界面２５に、光放射が出射面９でデバイス から出て行くまでに１度だけしか当らないように作られている。この方法によっ て、活性層４を出て行く光放射は出射面９へと通過していくに際して２度と活性 層４に行き当らない。

ＬＥＤによって生起された光放射は、光通信用ファイバに用いられるべく意図さ れたものなので、第２図の光ファイバ２０のようなファイバの光学特性がこのＬ ＥＤデバイスの最善の構造を通常決定するものである。

実施に当っては、線芯が１００ミクロン、開口数（ＮＡ）が０．３のファイバが 通常用いられる。

ファイバの入射面に対して定位から測定したファイバの受容角βは、下記の関係 式に従って、ファイバの入口における媒体（通常は空気）の屈折率ｎ０およびフ ァイバの開口数ＮＡに関係を有している。

ｎ、＝１．０　（空気）、ＮＡ＝０．３であるから、β＝１７．５’である。も しこのファイバが適切なレンズを付けるかあるいはテーパを付けると、得られる 有効開口数は０．５となり、βり３０°の光線がファイバ線芯を伝播していく。

通常、光ファイバの入射面はＬＥＤの出射面に平行に取り付けられており、また その間には何らレンズもしくは焦点を結ばせる装置などは介在していない、その 結果、α＝３０”以下の角度でＬＥＤから放射される光放射のすべてが光学的伝 播のためにファイバによって受容される。

スネルの法則によって、ファイバ２０に受容される光放射がＬＥＤ内を通過する 角度を知ることができる。

ｎ　ｏｇｉｎ　α＝　ｎ　ｃＳｉｎθ　（３）ここにおいて、ｎｃはｎ型閉じ込 め層３およびｎ型閉じ込め層５の平均屈折率である。ｎ型閉じ込め層３およびｎ 型閉じ込め層５の平均アルミニウム組成がｘ０＝０．２０と仮定すると、ｎ　ｃ ＝　３．４５となる。従って、光放射の生起時の角度は θ＝＝　５ｉｎ−１（（ｓｉｎ３Ｑ”　）　／　３．４５３　＝　８．３”　（ ４）このように、θ＝８．３°以下の生起角度θでデバイス中を通過するすべて の光放射は、３０°以下もしくはそれに等しい出射角度でデバイスから出て行き 、従って、光ファイバによって受容されるであろう、平均的組成値Ｘｃの代わり にｎ型閉じ込め層３およびｎ型閉じ込めＪ５の正確な組成値を用いることにより θの計算値の違いはわずかに１度の１０分の２〜３にしか過ぎない。

出射面９とエンド・ポイント１０の間の活性層４内で生起され、光ファイバ２０ によって受容される光放射は、ｎ型閉じ込め層３とｎ型反射層２との界面２３、 あるいはｎ型閉じ込め層５とｐ型反射層６の界面２５に当る前に、もし ｄ〉Ｌｔａｎθ　（５） であるとするならば（ここでｄは閉じ込め層の厚さに等しく、Ｌはオーム接触縞 ８の長さに等しいが）ＬＥＤから出て行く。θ＝８．５”　、　Ｌ＝１００ミク ロンであるので、閉じ込め層の厚さは等式（５）によってｄｃ＝１５ミクロンと 計算される。

ｎ型閉じ込め層３とｎ型反射層２との界面２３およびｎ型閉じ込め層５とｐ型反 射層６との界面２５を、活性層４内において生起される光放射を反射する面とす ることによって、ｎ型閉じ込め層３とｎ型閉じ込め層５の厚さが減らすことが可 能であろう。閉じ込め層の厚さを減らすことは、組成上のグレーディングを減ら し、熱インピーダンスを改善し、またより良い電流の拡散制御を可能にする。も し、活性層４で生起し、光ファイバ２０によって受容される光放射が、閉じ込め 層と反射層との界面でのただ１回の反射を行なっただけで閉じ込め層を通り抜け 、そして活性層に再び入射することなくデバイスを出て行くならば、閉じ込め層 の厚さは、活性層４で生起し光ファイバ２０によって受容される光放射が全く１ 回の反射も行なわずにデバイスから出て行くようなデバイスのために用いられる ものの厚さの２分の１に減らすことが可能である。

光誘導層の反射面を形成するには２通りのやり方がある（１）活性層４に接して いない閉じ込め層の表面の上に極めて反射層の高い金属層を付着させる方法、も しくは（２）活性層４に接していない閉じ込め層の表面の上に半導体反射層を付 着させる方法で、この際反射層の屈折率は閉じ込め層の屈折率よりも小さいから 、内部全反射が起る光学的空洞が形成される。

半導体反射層の組成は、内部全反射に関するスネルの法則を用いて計算すること ができるであろう。上記で算出された最大生起時の角度、θ＝８．５°およびア ルミニウム濃度ｘｃ＝＝０．２５、ｎｃ＝３．４３を用いると、反射層の屈折率 ｎ７は ｎ　ｒ〉ｎ　ｃｓｉｎ　（９０”　−〇）〉（３，４３）ｓｕｎ（９０″″−８ ，５°）〉３．３９　（６） このｎ７の値を用いて、反射層内のアルミニウム濃度は等式（１）からｘ、〉０ ．３２と計算される。

オーム接触線８の幅および長さはデバイスの性能を最適化するように選択される 。通常、オーム接触線８の幅は、７光フアイバの線芯の直径の約半分と選定され る。そこで、オーム接触線８の長さは、受容可能な電流密度を保ち得るように選 定される。

実施例１ 第２図は５本発明の非対称型カットオフ反射縁端放射発光ダイオードの横断面図 （縮尺は合っていないが）である９個々の層は既に同定済みである。光は、オー ム接触線８の下の活性層４の中で、出射面９とエンド・ポイント１０との間で生 起される。エンド・ポイント１０で生起された光放射は、エンド・ポイントＩＯ から反射点へさらに出射点２４に至る光線、およびエンド・ポイント１０から反 射点２２へさらに出射点２４に至る光線によって輪郭付けられだ同乗の中のデバ イスを通過していく。反射点２１および２２において、光反射は内°部会反射に よって反射される。その光放射は、反防止被覆を通り抜けた後出射点２４で出射 面９を通ってデバイスを出て行き、光ファイバ２０によって受容される。

活性層４の厚さおよびｎ型閉じ込め層３．活性層４、並びにｎ型閉じ込め層５の 組成は、上述のごとく選定され、従ってキャリアの再結合は主として活性層４内 で起り、また従ってその中で生起した光は活性層内に閉じ込められることはない 。ｎ型反射層２の組成は、ｎ型反射層２の屈折率がｎ型閉じ込め層３の屈折率よ りも小となるように選定されるから、従って活性層４で生起された光は、反射層 ２で内部全反射を行なう。

同様にして、ｐ型反射層の組成は、ｎ型反射層６の屈折率がｎ型閉じ込め層の屈 折率よりも小になるように選定されるから、従って活性層４内で生起された光は 、ｎ型閉じ込め層５とｎ型反射層６との界面２５において内部全反射を行なう。

ｎ型閉じ込め層３の厚さｄ、とｎ型閉じ込め層５の厚さｄ、とは、エンド・ポイ ント１０で生起された光放射が反射を行なうことなしに閉じ込め層を通過して光 ファイバに受容されるに必要な名目値の半分と選定される。ｎ型反射層２とｎ型 反射層６のアルミニウム濃度は、界面２３と２５とにおいて内部全反射が起る光 学的空洞を作るように選定されるから、名目層厚値のわずか半分しか必要としな い。

実施例２ 第３図は９本発明の第２の非対称対称型カットオフ発光ダイオードの横断面図（ 縮尺は合っていないが）である。実施例１の場合と同じように、活性層４の厚さ およびｎ型閉じ込め層３、活性層４並びにＰ型閉じ込め層５の組成はキャリアの 再結合はその大部分が活性層４内に閉じ込められるが、その層内で生起した光は 活性層に閉じ込められないように選定されている。

ｎ型閉じ込め層３の厚さｄ、およびｎ型閉じ込め層５の厚さｄ、は、オーム接触 線８の後端の下の活性層４内のエンド・ポイント１０で生起された光放射が、再 び半導体層に行き当らないで、デバイス中を通過し得るように選定されている。

従って、実施例２のＬＥＤの場合には、ｎ型反射層２およびｎ型反射層６を設け る必要がない。

このように、エンド・ポイント１０で生起された光放射は、エンド・ポイント１ ０から点３１へおよびエンド・ポイント１０から点３２に至る光線によって輪郭 付けられている同乗内を通ってデバイスを通過していく、その光放射は、そこで 、光ファイバに受容されるべく、出射面９の反射防止被覆１１を通過していく。

実施例３ 第４図は１本発明の非対称型カットオフ単一反射層ＬＥＤの横断面図（縮尺は合 っていないが）である。

実施例１および２におけると同じように、活性層４の厚さ、およびｎ型閉じ込め 層３、活性層４並びにＰ型閉じ込め層５の組成は、キャリア再結合は主として活 性層４内に閉じ込められるが、生起した光放射が活性層内に閉じ込められないよ うに選定される。

実施例３に示されている具体例は、Ｐ型反射層６がないこ、と、およびＰ型閉じ 込め層５の厚さがその最適値よりも薄いことを除いた他は、実施例１の具体例と 同じである。

エンド・ポイント１０で生起される光放射は、エンド・ポイント１０から点４２ へ、およびエンド・ポイント１０から反射点４１を経て点４３に至る光線によっ て輪郭付けられた同乗内を通ってデバイスを通過していく。光放射は、そこで、 光ファイバに受容されるべく出射面９上の反射防止被覆１１を通過していく。

この構造は、光の最大出力をもたらすものではないが、製作するのに簡単であり 、また熱インピーダンスは改善されており、電流拡散は減じられている。

６個のウェファ−からのＬＥＤ２０個の最近のサンプルは下記の出力を、０．２ ｎａ、１２５ｍａで、５０−のファイバの中へと送り込んでいる：平均出力＝１ ９８マイクロワット、最小出力＝１７５マイクロワット、最大出力＝２３２マイ クロワット。

実施例４ 第５図は、非対称型力ットオフ二重反射ＬＥＤ　（反射面の一つは金属）の横断 面図（縮尺は合っていないが）である。Ｐ型反射層６が欠如している以外は、す べての層の厚さおよび組成は実施例１と同じである。

活性層４のエンド・ポイント１０で生起した光放射は、エンド・ポイント１０か ら反射点５１．さらに出射点５３に至る光線、およびエンド・ポイント１０から 反射点５２、さらに出射点５３に至る光線によって輪郭付けられている同乗の中 を通ってデバイス内を通過していく。そこで、光放射は光ファイバに受容される べく、出射面９上の反射防止被覆１１を通過して出て行く。

ｐ型上被層７の組成は、ｐ型上被層のアルミニウムの濃度ｘ７が、活性層４のア ルミニウム濃度ｘ４よりも高くなるように選定されている。このアルミニウム濃 度の関係によって、ｐ型上被層７は、デバイス中を通過していく光放射の大部分 を確実に透過させるので、活性層４で生起した光の周波数では、ｐ型上被層７の 材料のエネルギー吸収係数は極めて低く、従ってその材料は、そのような光をほ とんど吸収しない。活性層４内で生起した光放射は、このようにして金ｉ製オー ム接触縞８によって反射されるべく、ｐ型閉じ込め層５およびｐ型上被層７の中 を通過していく。むしろ、ｐ型上被層７の厚さｄ７がＰ型閉じ込め層５の厚さｄ ７よりも大である方が良いが、しかしｄ７の値を減じ、ｄ、の値を増して、デバ イスの厚さを同一に保つことも可能である。内部全反射の条件が満たされていな いために、ｐ型閉じ込め層５と上被層７との間の界面では反射が起らない。

図示されている構造を形成するために、異なった製作技術を用いることも可能で ある。例えば１分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）もしくは有機金属化合物蒸気蒸着 法（ＭＯＣＶＤ）のような液相エピタキシ法（ＬＰＥ）、あるいは気相エピタキ シ法（ＶＰＥ）を用いることも可能である。

本発明は今までの特定の実施例との関連において説明されてきたが、前記の記述 に鑑みて、当業者にとっては、数多くの代替となる方法、改造された方法および 変形された方法が明らかにあることは明白である。

例えば１本発明は、Ｉ’ｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ　ｘ−ｙのような他の型の材料 を用いて実施することも可能である。この材料を用いたＬＥＤは、光ファイバの 光損失が最低である１、１〜１．６．のスペクトルの範囲内の赤外線を放射する 。本発明の非対称型カットオフ導波発光ダイオード構造にそのような材料を用い ることによって、赤外線を効率よく生起し活性領域から放射することが可能であ る。さらに、標準的な非対称型二重へテロ接合構造に比べて活性層を相対的に厚 くしてデバイスを製作することも可能である。この構造は、ＩｎＧａＡｓＰデバ イスであるがための優位性を有するが、それはこのようなデバイスの内部量子効 率が活性層の厚さに比例することによるものである。より薄い活性層の場合には 、非放射型のオージェ・プロセスがより有望なものとなり、一定の電流密度に対 する光出力は減少する。

このように、カットオフ導波構造に嵌め込まれた厚い活性層を有するＩｎＧａＡ ｓＰデバイスは効率の高い放射をする。

ＩｎＧａＡｓＰ発光ダイオードの有利な構造の１つが第６図に示されている。こ のＬＥＤは＋　ｎ”−型ＩｎＰ層６３と２番目の４成分系Ｐ＋″′型６５に挟ま れた４成分系ｐ型活性層６４を有している。ＩｎＰ層６３はｎ←型基体６２の上 に取り付けられており、その基体６２は、第２図ないし５図のＬＥＤの場合と同 様に、ヒート・シンク１５に取り付けられている。ＩｎＰ層６３は正孔障壁の役 割を果している０層６５は３つの目的に役立っている。

すなわち、（１）電子の封じ込め、（２）オーム接触縞８へのオーム接続、およ び（３）非対称型カットオフ導波構造の形成であり、その後者は、活性層６４で 生起された光子を、透明かつ光を吸収しない層６５．あるいはＩｎＰ層６２へと 、逃がさせている。このデバイスは、第３図に示されているデバイスと同じよう に作動し、活性層６４内で光を生起し、光ファイバ２０の中へと出射面９を通し てその光を放射する。

λ＝　１．３１！ｍでの放射をするデバイスの設計態様は。

本発明のこの実施例をよく説明するものである。この４成分系組成、Ｉｎ１−ｘ ＧａｘＡ５ｙＰｚ−ｙ、の設計等式は、ティー・ピー・バーサル（Ｔ、　Ｐ、　 Ｐｅａｒｓａｌｌ、）によるｒＧａＩｎＡｓＰ合金半専体（ＧａＩｎＡｓＰ　Ａ ｌｌｏｙＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）　Ｊの中に述べられている。すなわち 、 Ｅ　ｇ＝　１．．３５　．７２＋　、１２ｙｚ（７）ｘ　＝　ｙ　／２．１９７ 　（８） 活性層６４のための適切なＥｇの値はＱ、９５ｅＶであり、従って活性層６４の ４成分系組成は、Ｉ　ｎ、７１　Ｇａ４５　Ａｓ、＠２Ｐ、３．となる。この層 の屈折率は３．５２３で、このＩｎＰ閉じ込め層６３は屈折率ｎ＝３．１５５を 有する。この組成層６５は適切な電子障壁を有する必要があり、この層の電子障 壁は、そのバンド・ギャップ・ポテンシャルが、活性層のそれよりほぼ０８２５ ｅνだけ大であることを必要とする。従って、　Ｅｇ”１．２ｅＶであるために は、層６５の組成は５等式（７）および（８）から次の通りであるべきことが判 る。

Ｉ　ｎ、ｓａ　Ｇａ、１゜Ａｓ、ｚ、　Ｐ　、７＠またこの組成の屈折率は ｎ＝３．３０　となる。

既知の電磁波誘導理論、例えばにｒｓｓｓｅｌ　（クレッセル）とＢｕｔｌｅｒ 　（パトラ−）による「半導体レーザおよびヘテロ接合Ｌ　Ｅ　Ｄ　（Ｓｅｍｉ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａ５ｅｒｓ　ａｎｄＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｌ ＥＤｓ）　Ｊ中に述べられている理論を用いて、　０．１１−と同等もしくはそ れより薄い活性層の厚さに対しては、活性層内での電磁波誘導は可能でないこと を示すことができる。このようにして、ＬＥＤの高い外面効率を達成することが できる。これと対照的に、４成分系層６５の代わりにＴ、ｎＰ層を用４）だ標準 的非対称型二重へテロ接合構造では、光を再吸収する活性層で光を捕捉してしま うのである。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の相接する半導体層からなり、その中の１つの層が他の層とｐｎ接合を して１層の活性層を形成し、バイアス電圧が加えらえるとその層内へとキャリア が注入され、その層から電磁的放射が生起する、そのような縁端放射型の発光ダ イオードにおける、上記の結合を横切って電圧が加えられると上記の活性層に平 行な方向に光放射を効率よく拡散させるための横方向の光の空洞を作り、電磁的 放射を上記のデバイスの縁端面から出射させる手段であって、その手段は、 前記の活性層内にキャリアを封じ込めるために上記の光学的空洞内にあって上記 の活性層に相接しているｎ型半導体材料の第１閉じ込め層であって、その層は光 ファイバによって受容されるに十分な狭い角度で上記の第１閉じ込め層をその縁 端面で出て行く電磁的放射が上記第１閉じ込め層を通過していく間に当該ダイオ ードのもう１つの層で１回だけの反射をするのに十分な厚さを有する、そのよう な第１閉じ込め層および前記の活性層内にキャリアを封じ込めるために上記の光 学的空洞内にあって上記の第１閉じ込め層に接していない上記の活性層の１面に 相接しているｐ型半導体材料の第２閉じ込め層であって、その層は光ファイバに よって受容されるに十分な狭い角度で上記第２閉じ込め層をその縁端面で出て行 く電磁的放射が上記第２閉じ込め層を通過していく間に当該ダイオードのもう１ つの層で１回だけの反射をするのに十分な厚さを有する、そのような第２閉じ込 め層から成る発光ダイオード。 ２．上記第１および第２閉じ込め層の組成が、上記活性層で生起した電磁的放射 のほとんど全部が上記活性層を出て上記第１および第２閉じ込め層に入るように 選定されている、請求の範囲第１項記載の発光ダイオード。 ３．上記半導体層が３成分系化合物からなる請求の範囲第１項記載の縁端放射型 発光ダイオード。 ４．上記３成分系化合物がＡｌＧａＡｓであり、ガリウムとアルミニウムの相対 濃度が所望の特徴を得るためにそれぞれの層において異なっている請求の範囲第 ３項記載の発光ダイオード。 ５．上記活性層の厚さが少なくとも０．１５ミクロンであり、上記第１閉じ込め 層の組成がＡｌ０．１５Ｇａ０．０５Ａｓであり、上記第２閉じ込め層の組成が Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓであり、また上記活性層の組成がＡｌ０．０５Ｇ ａ０．９５Ａｓである請求の範囲第４項記載の発光ダイオード。 ６．上記ｎ型半導体層と活性層との間およびｐ型半導体層と活性層との間に、電 気的キャリアを封じ込めるについて、組成上の差異がある請求の範囲第１項記載 の発光ダイオード。 ７．上記半導体層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから形成されており、活性層とｎ型閉 じ込め層とのアルミニウム組成割合ｘが少なくとも０．１であり、活性層とｐ型 閉じ込め層とのアルミニウム組成割合ｘが少なくとも０．２である請求の範囲第 ６項記載の発光ダイオード。 ８．上記ｎ型閉じ込め層を出て、上記光ファイバに受容されるその電磁放射が、 当該ダイオードのいずれの層によっても反射されない請求の範囲第１項記載の発 光ダイオード。 ９．上記ｐ型閉じ込め層を出て、上記光ファイバに受容されるその電磁放射が、 当該ダイオードのいずれの層によっても反射されない請求の範囲第１項記載の発 光ダイオード。 １０．上記の縁端面が反射防止被覆によって被われている請求の範囲第１項記載 の発光ダイオード。 １１．上記の閉じ込め層の中の１つの層を出ていき、また上記光ファイバに受容 されるその電磁的放射が、当該ダイオードの金属上被層によって１度だけ反射さ れる請求の範囲第１項記載の発光ダイオード。 １２．上記の閉じ込め層の１層が４成分系化合物からなる請求の範囲第１項記載 の発光ダイオード。 １３．上記４成分系化合物がＩｎＧａＡｓＰであり、この化合物に含まれている 各元素の相対濃度が、活性層のそれよリも大なる電子バンド・ギャップを有する ように選定されている請求の範囲第１２項記載の発光ダイオード。 １４．上記４成分系化合物がＩｎＧａＡｓＰであり、活性層の組成がＩｎ．７２ Ｇａ．２８Ａｓ．６２Ｐ．３８であり、閉じ込め層の中の１層の組成がＩｎ．９ ０Ｇａ．１０Ａｓ．２２Ｐ．７８であり、また他の１つの閉じ込め層の組成がＩ ｎＰである請求の範囲第１２項記載の発光ダイオード。 １５．１層のｎ型半導体閉じ込め層、 １層のｐ型半導体閉じ込め層、 上記ｎ型とｐ型の閉じ込め層との間に存在し、上記閉じ込め層の中の１つとｐｎ 接合をなしており、当該ダイオードにバイアス電圧が加えられると上記活性層内 にキャリアが注入される活性半導体層、および電気的キャリアを上記活性層に封 じ込める手段、からなる縁端放射型発光ダイオード。 １６．上記半導体層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓから形成されており、また上記の電 気的キャリアを封じ込める手段が、活性層とｎ型半導体閉じ込め層とのアルミニ ウム組成割合の少なくとも０．１の差および活性層とｐ型閉じ込め層とのアルミ ニウム組成割合の少なくとも０．２の差である請求の範囲第１５項記載の発光ダ イオード。 １７．上記活性層の厚さが少なくとも０．１５ミクロンであり、ｎ型半導体閉じ 込め層の組成がＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓであり、ｐ型閉じ込め層の組成が Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓであり、また活性層の組成がＡｌ０．０５Ｇａ０ ．９５Ａｓである請求の範囲第１２項記載の発光ダイオード。 １８．上記閉じ込め層の中の１つが４成分系化合物からできている請求の範囲第 １５項記載の発光ダイオード。 １９．上記４成分系化合物がＩｎＧａＡｓＰであり、この化合物に含まれている 各元素の相対濃度が活性層のそれより大なる電子バンド・ギャップを有するよう に選定された請求の範囲第１８項記載の発光ダイオード・２０．上記４成分系化 合物がＩｎＧａＡｓＰであり、活性層の組成がＩｎ．７２Ｇａ．２８Ａｓ．６２ Ｐ．３８であり、閉じ込め層の中の１つの組成がＩｎ．９０Ｇａ．１０Ａｓ．２ ２Ｐ．７８であり、また他の１つの閉じ込め層の組成がＩｎＰである請求の範囲 第１８項記載の発光ダイオード。 ２１．１層のｎ型半導体閉じ込め層、 １層のｐ型半導体閉じ込め層、 上記ｎ型とｐ型の閉じ込め層との間に存在し、上記閉じ込め層の１つとｐｎ接合 をなしており、当該ダイオードにバイアス電圧が加えられると上記活性層内にキ ャリアが注入される１層の半導体閉じ込め層、および 活性層内で生起した光が活性層内に封じ込められることがないように非対称型構 造を形成するための手段、からなる縁端放射型発光ダイオード。 ２２．非対称型構造を形成するための手段が、上記閉じ込め層の組成の違いであ る請求の範囲第２１項記載の発光ダイオード。 ２３．上記活性層の厚さが少なくとも０．１５ミクロンであり、ｎ型半導体閉じ 込め層の組成がＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓであり、ｐ型閉じ込め層の組成が Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓであり、また活性層の組成がＡｌ０．０５．Ｇａ ０．９５Ａｓである請求の範囲第２１項記載の発光ダイオード。 ２４．上記活性層の組成がＩｎ．７２Ｇａ．２８Ａｓ．６２Ｐ．３８であり、閉 じ込め層の中の１つの組成が１ｎ．９０Ｇａ．１０Ａｓ．２２Ｐ．７８であり、 また他の１つの閉じ込め層の組成がＩｎＰである請求の範囲第２１項記載の発光 ダイオード。