JPS621285A - 高輝度発光ダイオ−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】 （産業上の利用分野） 本発明は、米国特許出願第６３２．７６４号（１９８４
年７月２０日出願、発明の名称「阻止層を有する半導体
レーザ」および同第５５６．８７９号（１９８３年１２
月１日出願、発明の名称「２チヤンネル・レーザ」に関
連するものである。

本発明は、一般には発光素子、詳細には高輝度発光ダイ
オードに関するものである。

（発明が解決しようとする抽題点） 発光ダイオードは、ダイオードの接合部に電流が流れる
と、接合部の半導体材料の中で光の放出が起る周知の半
導体素子である。光が放出される素子の少なくとも１面
は反射防止膜で被覆されている。これは、光の誘導放出
が起り通常２つの対向する反射面を有しコヒーレント・
レーザ光が発生する前に２つの反射面の間で反射が繰り
返されるレーザ・ダイオードとは、きわだった対照をな
している。発生したレーザ光は、通常、非常に狭いスペ
クトル幅を有し、実質上単色光である。

比較的高いパワーで動作し、比較的広いスペクトル幅を
有する発光ダイオードは、高輝度発光ダイオードと呼ば
れる。

低いモード・ノイズを必要とする光フヤイバ装置、たと
えば、光フヤイバ・ジャイロスコープには、このような
素子が必要である。市販されている高輝度発光ダイオー
ドは、４−６ｄ（ミリワット）の高いパワーで光を放出
する。しかし、これらの素子において、パワーを約１〜
２以上に増大すると、周波数スペクトルがかなり狭くな
る。素子をより大きなパワーで駆動すれば、反射防止膜
があるにもかかわらず、遂には、誘導放出（ｌａｓｉｎ
ｇ）を起すことがある。これは、パワーが十分に高いレ
ベルまで増大すれば、最良の反射防止膜であっても当っ
た光の一部が反射して、最後には、誘導放出が起るため
である。この理由により、高輝度発光ダイオードの反射
防止膜は、高いパワーレベルでも動作できるようにその
品質を慎重に制御しなけれ“ばならない。

高輝度発光ダイオードのパワーを増大させ、その結果そ
のスペクトル幅が減少すると、素子から放出される光の
コヒーレンス長さが増大する。このコヒーレンス長さは
、光のスペクトル純度のもう１つの尺度である。スペク
トル幅が狭くなるのにつれて、コヒーレンス長さは増大
する。高輝度発光ダイオードのある利用、たとえば光フ
ァイバ・ジャイロスコープは、低いモード・ノイズを必
要とする。これは、光源が短かいコヒーレンス長さと、
それに対応する広いスペクトル幅を有していなければな
らないことを意味している。本発明以前の入手可能な高
輝度発光ダイオードは、この要求を満すことができなか
った。

以上述べたことから、スペクトル幅の狭小化を伴わずに
、より高いパワーレベルで動作することが可能な高輝度
発光ダイオードが必要とされていることを理解されるで
あろう。本発明は、この要請に応えるものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、スペクトル幅の狭小化なしに高いパワーレベ
ルで動作することが可能な高輝度発光ダイオードとその
製造方法に関するものである。簡潔かつ概括的に述べる
と、本発明の高輝度発光ダイオードは、反対の導電型の
２つの半導体材料の間の接合部に活性半導体層を有する
半導体構造、その構造の少なくとも１面にあって活性層
内の光の誘導放出（ｌａｓｉｎｇ）を阻止し、構造の１
つの縁から光の放出を許す反射防止膜、発光させるため
接合部をはさんで順方向バイアス電圧を加える手段、半
導体構造内で活性層に沿って不均一な利得分布を生じさ
せる手段、から成っている。利得の不均一性により、素
子から放出された光の周波数スペクトルが拡大する。出
力パワーを増していくと、スペクトル幅はさらに増大す
るので、広いスペクトル幅を維持しながら、比較的高い
パワーのの出力が許される。

不均一利得分布を生じさせる手段には、活性層の厚さの
変化がある。代りの手段としては、活性層の不均等な厚
さに組み合せた、素子上の非対称な電気接触層がある。

これにより素子を通る電流が非対称になり所望する不均
等な利得分布が得られる。

もう１つの代わりの手段としては、反対の導電型の半導
体層の一方の厚さの不均一な分布がある。

その典型的構造では、これらの層が発光が生じる１つま
たはそれ以上のチャンネル領域を形成する形状になって
いる。多チヤンネル構造の場合には、所望する不均一な
利得分布を生じさせるため、チャンネルを不均一な形状
にすることができる。

不均一な利得分布を生じさせるため変えることができる
もう１つのパラメータは、温度である。

温度分布は、いずれにせよ、電流密度によって決まるが
、ある構造では直接温度を制御して、所望する不均一な
利得分布を生じさせることが、できる。

本発明の方法は、半導体基板の上に特定の導電型の半導
体材料の第１層を形成すること、前記第１層の上に半導
体材料の活性層を形成すること、前記活性層の上に第１
層とは反対の導電型の半導体材料の第２層を形成するこ
と、および前記第２層の上に電気接触層を形成すること
の、諸ステップから成る。前記の層形成ステップのうち
少なくとも１つにより、高いパワーレベルにおける動作
と広いスペクトル幅を可能にする、活性層に沿った不均
一な利得分布が生じる。

本発明の好ましい実施例の場合には、活性層を形成する
ステップによって、不均一な厚さの活性層が形成され、
この構造が不均一な利得分布を生じさせるのである。同
じ効果を有する別の方法は、第１層と第２層のうち一方
を、たとえば異なる深さの２つのチャンネルのように、
不均一な厚さに形成すること、あるいは半導体層の構造
に対し、電気接触層を非対称に形成することである。

以上述べたことから、本発明は、高輝度発光ダイオード
の分野における重要な進歩であることを理解されるであ
ろう。詳述すると、本発明は、依然として広いスペクト
ル幅を維持しながら、高いパワーレベルでの動作が可能
な高輝度発光ダイオードを提供するものである。本発明
の他の特徴並びに利点は、添付図面に関する以下の詳細
な説明から°明らかになろう。

（実施例） 例示の目的で図面に示したように、本発明は、改良型高
輝度発光ダイオードに関するものである。

本発明以前には、スペクトル幅の狭小化という犠牲を払
わなければ、数ミリワット以上の出力パワーを達成する
たとができなかったし、また、十分高いパワーにおいて
は、光の誘導放出が生じるおそれもある。高いパワーレ
ベルにおける動作が原因の狭いスペクトル幅のために、
これらのダイオードはある種の利用には適していなかっ
た。たとえば、光フヤイバ・ジャイロスコープの場合に
は、比較的広いスペクトル幅が必要とされる。

本発明による高輝度発光ダイオードは、不均一な利得分
布をもつように構成されており、この分布により、出力
パワーの増大と共にスペクトル幅が実際に増大するとい
う独特な成果が生じ、出力パワーの増大と共にスペクト
ル幅が減少する従来の素子とは異なる。

第１図は、ブレーナ端面発光型の高輝度発光ダイオード
の基本構造を示す。この発光素子は、基板１２と、第１
クラッド層１４と、活性層１６と、第１クラッド層とは
反対の導電型の第２クラッド層１８と接触層２０から成
る半導体ダイオード構造１０を有する。構造１０の一面
は、反射防止膜２２、たとえば窒素シリコン（ＳｉＪａ
）または酸化アルミニウム（ＡｌｇＯｉ）のどちらかで
被覆されている。反対側の面は、窒素シリコンまたは酸
化アルミニウムのもう１つの膜２４で被覆され、その膜
自体は、反射金属層２６で被覆されている。

ダイオード構造に使用される半導体は、一般に化学元素
の周期表の■族とＶ族から選ばれる。２種類の共通する
半導体の組合せは（ａ）ガリウム砒素とアルミニウムガ
リウム砒素、および山）インジュウム燐とインジュウム
ガリウム砒素燐である。ガリウム砒素とアルミニウムガ
リウム砒素の組合せの場合には、基板１２はＰ型のガリ
ウム砒素（ＧａＡｓ）　、第１および第２クラッド層１
４．１８はそれぞれＰ型とＮ型のアルミニウムガリウム
砒素（Ａｌｏ、＋ｓ　Ｇａ、、、ｈｓ　Ａｓ）、活性層
１６は非ドーピング・アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ
６．。。

Ｇａ、、、、４Ａｓ）で作られる。接触層２０は、Ｎ型
のガリウム砒素（ＧａＡｓ）である。

接触層２０と基板１２の間に、２つのクラッド層１４．
１８で形成されたＰＮ接合を有効にはさんで順方向バイ
アスを加えると、活性層１６内に光量子が放出される。

反射防止膜２２は２つの対向する反射表面の繰返し反射
によって光の誘導放出（Ｉａｓｉｎｇ）作用が起るのを
阻止する。光は、活性層１６の縁から反射防止膜２２を
通放出される。

この素子の１形態においては、反射防止膜２２が塗布さ
れた面に垂直に１つまたはそれ以上の溝すなわちチャン
ネル３０（第１図には、２つ図示されている）が基板１
２に設けられている。この２チヤンネル構造は、レーザ
・ダイオードに関する前出の米国特許出願に開示されて
いるものである。

本構造は、さらに、基板１２と第１クラッド層１４の間
、チャンネル３０で占有された領域の外側に、阻止層３
２を有する。この実施例の阻止層３２は、Ｎ型ガリウム
砒素であり、実質上電流をチャンネル３０の領域に閉じ
込める。

第１図に示したものと同じ汎用型の発光素子は、４〜６
ＩＩＩＨのパワーを放出する。しかし、１〜２ｄ以上の
パワーについては、素子から放出される周波数スペクト
ルの幅が非常に狭くなり、ついには、レーザ・ダイオー
ドのスペクトル幅に似てくる。

最終的に、反射防止膜２２があるにもかかわらず素子は
誘導放出を起すことがある。これは、最良の反射防止膜
であっても一部の光を反射し、その結果比較的高いパワ
ーレベルで誘導放出が生じることがあるからである。し
たがって、従来は、反射防止膜２２の品質を慎重に制御
することが大切であった。たとえ制御したとしても、素
子のスペクトル幅は、数１以上のパワーになると、受は
入れられない程狭くなろう。

本発明は、基本的には活性層１６内の光学的利得の変化
を有効に用いれば放出光の波長に変化を生じさせること
ができるという認識に立って開発された。言い替えると
、不均一な利得分布により、出力光のスペクトル幅が拡
大化するのである。

利得は、素子の単位長さ当りの増加エネルギー束の尺度
であって、多数の変数の比較的複雑な関数である。利得
は次式で表わすことができる。

ｇ＝ＢｒＪＮ−αｒ　　　　　　　（１）ここで、ＪＮ
　＝正規化した電流密度−７Ｊ／ｄ＾Ｊ＝電流密度、 ｄ＾＝活性層の厚さ、 Ｂ＝利得係数、 α＝損失定数、 ｒ＝横閉込め率、 η＝内部量子効率、 である。

上記および以下検討する諸関係は、次の出版物に記載さ
れている結果から導いたものである。

１、　スターン（Ｆ　、　５ｔｅｒｎ）の論文「Ｎ型非
ドービイグ活性層を有するガリウム砒素レーザの利得電
流」、Ｉ　ＥＥＥＪ、　Ｑｕａｎｔ。

Ｅｌｅｃｔ、、　　Ｖ、　ＱＥ−９，２９０頁、１９７
３年２月。

２、スターン（Ｆ　、５ｔｅｒａ）の論文［励起したガ
リウム砒素における利得の計算上のスペクトル依存性Ｊ
　、Ｊ、　ＡＰＰｌ、　ｐｈｙｓ、、　Ｖ。

４７．５３８２頁、１９７６年。

３、ケージ（Ｈ，Ｃ，Ｃａ５ｅｙ）とパリッシュ（Ｍ。

Ｂ、　Ｐａｒｉｓｈ）の共著「ヘテロ構造のレーザ」、
Ｎ。

Ｙ、＾ｃａｄｅｎ＋ｉｃ　Ｐｒｅｓｓ、　１９７８年。

４、　ワンプ（Ｓ　、　Ｗａｎｇ）他の共著「半導体レ
ーザにおけるモード姿態の１制御」、ＩＥＥＥＪ。

Ｑｕａｎｔ、　Ｅｌｅｃｔ、、　Ｖ、　１７．４５３頁
、１９８１年。

利得が約１００ｃｍ−’と仮定すると、上記の出版物の
結果から、利得の微小変化に対する波長の微小変化（Δ
入／Δｇ）は、約０．４人国であることが結論される。

言い替えると、利得が約２ｃｔａ−’変化すると、波長
が約１人変化する。本発明の構造をさらに説明したあと
、これらの関係を用いて、いくつかの数値計算例を検討
する。

前述の要求、すなわち活性層１６の縦断面に沿って利得
を変化させなければならないことを考えると、不均一な
利得分布の実現には、いくつかの可能性がある。式（１
）から、活性層１６の厚さを変化させることによって、
すなわち活性領域を通る電流密度を変化させることによ
って、利得が影響を受けることがわかるであろう。第２
図は、活性層の厚さを変化させた場合の実施例を示す。

第３図と第４図は、電流密度を変化させる代りの実施例
を示す。

第２図において、図示の２チヤンネル素子は、チャンネ
ルの外側縁の最小値ｄ１からチャンネルの間の最大値ｄ
０まで厚さが変化する活性層１６を有する。実際問題と
して、層をわん曲させずに厚さが変化する、すなわち深
さが変化する活性層を製作することは困難である。層厚
が最小の領域において、正規化した電流密度ＪＮが最大
になり、それが利得になる。

第３図の実施例では、チャンネル幅の差異によって電流
密度の変化を生じさせている。第４図には、上部層２０
の上に金属接触ストリップ４０が示されている。接触ス
トリップ４０の有効区域は、接触ストリップ４０と必要
な有効接触区域を除く上部層２０との間に挿置された周
囲誘電体層４２によって定まる。　通常はこの有効接触
区域ストリップは、素子のチャンネルに対し対称的に中
央に置かれるが、本実施例では、有効接触区域がチャン
ネルの対称軸に対しわざとずらしである。これにより、
素子を通る電流分布が一様でなくなり、不均一な利得分
布が生じるという所望の効果が生じる。

第２図〜第４図に示した構造上の変形態様は、単独で使
用してもよいし、あるいは、所望の効果を生じさせるた
め組み合わせてもよいことはわかるであろう。また、不
均一な電流分布は、活性層に沿って不均一な形の温度分
布をも生じさせる。

他の構造の場合には、他の手段で不均一な温度分布を１
じさせることにより、所望する不均一な利得分布を生じ
させるのがよいであろう。

第５図では、駆動電流の関数として光出力パワーの′変
化を示す。グラフかられかるように、約５Ｏｎ＋Ａの闇
値電流を越えると、出力パワーは、駆動電流の増加によ
り、はとんど直線的に増加する。

説明した構造では、１（１３）０ｌ２の光出力パワーを
容易に実現できる。

第６図は、光出力パワーの関数としてスペクトル幅の変
化を示す。スペクトル幅は、素子のスペクトルの最大高
さの１／２の所の周波数スペクトルの全幅として測定し
た。第６図にグラフで示した独特な性質は、スペクトル
幅が出力パワーの増加と共にはり直線的に増加すること
である。したがって、１（１３）０−ｌ２の比較的高い
パワーであっても、最大高さの１／２の所のスペクトル
幅は、１６０人に近い。

下表の数値は、量子効率（η）を０．９、利得係数（Ｂ
）を０．０４４　ｃｔａ　／　Ａと仮定して、（１）式
から計算したものである。

上表に示した３つの電流密度と、それぞれについて得ら
れた利得の変化に対し、利得の単位変化当り０．４人の
前述の関係を用いて、対応するスペクトル幅を計算すこ
とができる。その結果を下表に示す。

これらの数字は、得られるであろう最小限のスペクトル
幅の拡大を表わしている。不均一な電流密度および不均
一な温度分布はスペクトル幅の拡大をさらに強める作用
をしよう。

以上の説明から、本発明は高輝度発光ダイオードの分野
における重要な進歩を示すものであることが理解される
であろう。詳述すると、本発明によれば、スペクトル幅
の減少なしに、比較的高いパワーレベルで動作すること
ができる発光素子が得られる。実際にはスペクトル幅は
、光出力パワーと共に増加する。例示の目的で本発明の
特定実施例を説明したが゛、発明の精神と範囲の中で種
々の修正をなし得ることは、理解されるであろう。

したがって、本発明は、特許請求の範囲によるものだけ
に限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的なプレーナ型高輝度発光ダイオードの
略分解斜視図、 第２図は、不均一な厚さの活性層を有する高輝度発光ダ
イオードの略断面図、 第３図は、異なる幅の２つのチャンネルを有する高輝度
発光ダイオードの略断面図、 第４図は、発光領域に一致していない電気接触層を有す
る高輝度発光ダイオードの略断面図、第５図は、本発明
に従って構成された高輝度発光ダイオードの光出力パワ
ーと駆動電流との関係を示すグラフ、 第６図は、本発明に従って構成された高輝度発光ダイオ
ードのスペクトル幅と出力パワーとの関係を示すグラフ
、 である。 １０・・・半導体ダイオード構造、 工２・・・基板　　　　１４・・・第１クラッド層、１
６・・・活性層、　　１８・・・第２クラッド層、２０
・・・接触層、　　　２２・・・反射防止膜、２４・・
・窒素シリコン膜または酸化アルミニウム膜、２６・・
・反射金属層、 ３０・・・チャンネル（溝）、 ３２・・・阻止層、　　　４０・・・接触ストリップ、
４０・・・誘電体層。 ！ｊｉａ、４− ；１頁の続き １発゛明　者　　ローレンス　マーチン　　アメリカ合
衆国　力リジンキーウイツズ　　　　パロス　ヴアルデ
スｉ発　明　者　　チャールス　ポーズウ　　アメリカ
合衆国　カリエル　モーリソン　　　　口　ヴイア　ナ
ヴアーフオルニア州　９０２７４　　ランチョーグレー
ヴ　ドライヴ　３６２９ フォルニア州　９０７３２　　サン　ペドラ　　１（１
３）０ 手続補正書（方式） １、事件の表示　　　昭和６１年特許顆第８３１９６号
２、発明の名称　　　　　高輝度発光ダイオード３、補
正をする者 事件との関係　　出願人 名　称　ティアールダブリニー　インコーホレーテッド
４、代理人 顆書に最初に添付した図面の浄書 （内容に変更なし）

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. （１）反対の導電型の２つの半導体間の接合部に活性半
   導体層を有する半導体構造、 前記構造の少なくとも一面にあつて、活性層内の光の誘
   導放出を阻止する反射防止膜、 発光させるため接合部をはさんで順方向バイアス電圧を
   加える手段、 前記構造内にあつて、前記活性層に沿つて不均一な利得
   分布を生じさせる手段、から成り、利得分布の不均一性
   により、パワーの増加に従つて素子から放出される光の
   周波数スペクトルが拡大することを特徴とする高輝度発
   光ダイオード。
2. （２）前記不均一な利得分布を生じさせる手段には、活
   性層の厚さの変化が含まれることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の高輝度発光ダイオード。
3. （３）前記不均一な利得分布を生じさせる手段には、非
   対称の電気接触層が含まれることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の高輝度発光ダイオード。
4. （４）前記不均一な利得分布を生じさせる手段には、反
   対の導電型の２つの半導体層のうち一方の厚さの不均一
   分布が含まれることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の高輝度発光ダイオード。
5. （５）高いパワーにおいて広い出力スペクトルを有する
   高輝度発光ダイオードであつて、 第１の導電型の半導体材料の基板、 前記基板の上に形成され、同じ導電型を有する半導体材
   料の第１クラッド層、 前記第１クラッド層の上に形成された半導体材料の活性
   層、 前記活性層の上に形成され、前記第１クラッド層の導電
   型とは反対の導電型の半導体材料の第２クラッド層、 前記第２クラッド層の上に形成された上部層、前記上部
   層の上に形成され、前記両クラッド層の間の接合部をま
   たいで順方向バイアスを加える導電性接触ストリップ、 から構成され、上記構造は、活性層に沿つて不均一な利
   得分布が得られるような形状になつており、その形状に
   より、比較的高い出力パワーにおいても比較的広いスペ
   クトル幅が得られることを特徴とする前記の高輝度発光
   ダイオード。
6. （６）前記活性層は、不均一な利得分布を生じさせるた
   め不均一な厚さを有することを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載の高輝度発光ダイオード。
7. （７）前記第１クラッド層は、前記基板にある２つの平
   行チャンネルの上に形成されており、前記２つのチャン
   ネルは、素子を通る不均一な電流分布を生じさせるため
   、異なる幅を有していることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載の高輝度発光ダイオード。
8. （８）前記第１クラッド層は、基板にある２つの平行チ
   ャンネルの上に形成されており、前記導電性接触ストリ
   ップは、前記２つのチャンネルに対し非対称であること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の高輝度発光ダ
   イオード。
9. （９）前記基板は、Ｐ型ガリウム砒素、前記第１および
   第２クラッド層はそれぞれＰ型およびＮ型アルミニウム
   ガリウム砒素、前記活性層は非ドーピング・アルミニウ
   ムガリウム砒素で作られていることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の高輝度発光ダイオード。
10. （１０）前記基板は、Ｎ型ガリウム砒素、前記第１およ
    び第２クラッド層はそれぞれＮ型およびＰ型アルミニウ
    ムガリウム砒素、前記活性層は非ドーピングアルミニウ
    ムガリウム砒素で作られていることを特徴とする特許請
    求の範囲第５項記載の高輝度発光ダイオード。
11. （１１）前記上部層は、Ｎ型ガリウム砒素で作られてい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載の高輝度
    発光ダイオード。
12. （１２）前記クラッド層はＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａ
    ｓ、前記活性層はＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ａｓ、で作
    られていることを特徴とする特許請求の範囲第９項記載
    の高輝度発光ダイオード。
13. （１３）半導体基板の上に、特定の導電型の半導体材料
    の第１層を形成すること、 前記第１層の上に、半導体材料の活性層を形成すること
    、 前記活性層の上に、第１層の導電型とは反対の導電型の
    半導体材料の第２層を形成すること、前記第２層の上に
    、電気接触層を形成すること、の諸ステップから成り、
    上記形成ステップのうち少なくとも１つのステップによ
    り、活性層に沿つて不均一な利得分布が生じて高いパワ
    ーにおける動作と広いスペクトル幅が可能になつている
    ことを特徴とする高輝度発光ダイオードを製造する方法
    。
14. （１４）前記活性層を形成するステップにより不均一な
    厚さの活性層が形成され、この構造が不均一な利得分布
    を生じさせることを特徴とする特許請求の範囲第１３項
    記載の方法。
15. （１５）前記第１および第２層の一方を形成するステッ
    プは、異なる深さを有する２つのチャンネルの上に不均
    一な厚さで層を形成するステップを含んでいることを特
    徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。
16. （１６）前記電気接触層を半導体層構造に対し非対称に
    形成することによつて不均一な利得分布を生じさせるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。