JPWO2008117527A1

JPWO2008117527A1 - 高輝度発光ダイオード

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Publication number: JPWO2008117527A1
Application number: JP2009506208A
Authority: JP
Inventors: 貴一浜本
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Current assignee: Kyushu University NUC
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Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2010-07-15
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Abstract

特に高い光出力を供するための光導波路構造を有する高輝度発光ダイオードを提供する。この高輝度発光ダイオードは、マルチモード干渉光導波路の一端と光学的に接続された一端と第１の光出射端面を構成する他端とを有する第１の光導波路と、マルチモード干渉光導波路の他端と光学的に接続された一端と第２の光出射端面を構成する他端とを有する第２の光導波路とを含む。第１の光導波路および第２の光導波路は、いずれも、マルチモード干渉光導波路よりも狭い幅を有する。

Description

本発明は、高輝度発光ダイオードに関し、特に高い光出力を供するための光導波路構造に関する。

近年、半導体レーザーとは異なり、発光波長幅が広く（半値幅で数１０ｎｍ程度以上）、かつ、発光出力も大きいと期待される高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ：Super-luminescent light emitting diode）の研究開発が盛んになってきた。これは、光通信等に使われてきた半導体レーザーとは異なり、非干渉光源であること、または幅広い波長域を単一光源でカバーできることが主な理由である。非干渉光源の特徴を利用した代表例としては光コヒーレントトモグラフィー（ＯＣＴ：Optical Coherent Tomography）が挙げられる。また、幅広い波長域を持つ単一光源の特徴を利用した代表例としては、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）伝送が挙げられる。

特に高輝度発光ダイオードは、従来のＬＥＤとは異なり、発光原理に誘導放出が含まれるため、ＬＥＤに比べて高い光出力を得ることが一般的に知られている。なお、上述のＳＬＥＤは、ＯＣＴや光通信などの応用用途から、近赤外光波長域（例えば８５０ｎｍ帯、１３００ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯など）で実用化されてきた。
特開平１１−０６８２４１号公報特開平１１−０６８２４０号公報

上述のＳＬＥＤは、ＬＥＤに比べて発光出力は大きいものの、ＯＣＴやＷＤＭ光源の高性能化という観点から、更なる高光出力化が求められている。ところで一般的に、これまでのＳＬＥＤの光出力の律速要因としては、半導体レーザーと同様に、（１）熱飽和（電流注入に伴う発熱による飽和）、（２）空間的ホールバーニング（自身の光出力に起因する利得減少）、（３）ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）レベル、の３要素が考えられる。このうち、（１）については発光領域（活性層）の面積拡大、（２）については、光導波路内の最大光出力位置における光子密度低減、（３）については発光端面での光子密度低減、が有効な対策である。

半導体レーザーや半導体光アンプ等の光能動デバイスのように、対象とする発光波長（主たる導波モード光）として単一波長もしくは比較的狭い波長帯を持つデバイスの場合で、更にシングルモード光出力が必要とされる場合、上記の３つの課題（１）〜（３）に対する解決手法として、アクティブＭＭＩ構造による高出力化手法が、特許文献１（特開平１１−０６８２４１号公報）や特許文献２（特開平１１−０６８２４０号公報）などの先行技術文献で提案されてきた。

ところが、高輝度発光ダイオードの場合、その重要な特性の一つに広い発光帯域幅（少なくとも数１０ｎｍ程度以上）が挙げられるため、これまでアクティブＭＭＩ構造の適用は困難と考えられていた。何故ならば、マルチモード干渉領域には波長依存性があることが良く知られており、マルチモード干渉領域の中心波長から対象とする発光波長が１０ｎｍ以上存在する場合、その発光波長に対しては完全には自己像結像現象が生じなくなってしまい、結果として、本来は広い発光帯域幅を有することを特徴としていた高輝度発光ダイオードにおいて、そもそもその発光帯域幅が広くならない、という問題が生じてしまうためである。加えて、アクティブＭＭＩ構造を適用する場合に得られる高い光出力が光導波路から供出されると、光導波路両端面に無反射コーティングを施す程度では、内部発振を十分に抑制できない、という課題も存在する。

上記に鑑みて本発明の目的は、特に高い光出力を供するための光導波路構造を有する高輝度発光ダイオードを提供することにある。

本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたマルチモード干渉光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記マルチモード干渉光導波路の一端と光学的に接続された一端を有し、かつ、第１の光出射端面を構成する他端を有する第１の光導波路と、前記半導体基板上に形成され、前記マルチモード干渉光導波路の他端と光学的に接続された一端を有し、かつ、第２の光出射端面を構成する他端を有する第２の光導波路と、を含む高輝度発光ダイオードが提供される。この高輝度発光ダイオードでは、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、いずれも、前記マルチモード干渉光導波路よりも狭い幅を有し、前記第１の光導波路の他端において前記第１の光導波路の光軸に対して前記第１の光出射端面が傾斜しており、前記第２の光導波路の他端において前記第２の光導波路の光軸に対して前記第２の光出射端面が傾斜している。

前記第１および第２の光出射端面に対して、それぞれ、前記第１および第２の光導波路が斜め方向に配置されてもよい。

前記第１および第２の光導波路は、シングルモード導波路であればよい。

あるいは、前記第１および第２の光導波路は、２次モードカットオフ導波路であってもよい。

また、前記マルチモード干渉光導波路の一端と前記第１の光導波路の一端との間に第１および第２のテーパ状光導波路が介在し、これら第１および第２のテーパ状光導波路が、それぞれ、前記第１の光導波路の一端から前記マルチモード干渉光導波路の一端に向かうにつれて漸次増加する幅を有することが望ましい。

また、前記マルチモード干渉光導波路の他端と前記第２の光導波路の一端との間に第３および第４のテーパ状光導波路が介在し、これら第３および第４のテーパ状光導波路が、それぞれ、前記第２の光導波路の一端から前記マルチモード干渉光導波路の他端に向かうにつれて漸次増加する幅を有することが望ましい。

また、前記マルチモード干渉光導波路、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、前記半導体基板上に形成された発光層と、前記発光層上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたコンタクト層とを含み、前記発光層が光導波路構造を有するものとすることができる。

また、前記第１および第２の光出射端面が低反射率端面であってもよい。

本発明による高輝度発光ダイオードは、発光ダイオードとして作用する。特に、従来にない高い光出力が得られるよう作用する。

本発明による第１の効果は、発光効率を損なうことなく高い光出力が得られることである。第２の効果は、高い光出力が得られながらも、発光波長帯域が狭められることなく、高い光出力が得られることである。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図である。図２は、図１のＡ−Ａ'線で示される光導波路断面構造図である。図３は、本発明による光導波路構造の透過度の波長依存性を説明する図である。図４（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の高輝度発光ダイオードの製造方法を示す工程図であり、図４（ａ）はＭＯＣＶＤ工程後の断面図、図４（ｂ）はマスク形成後の断面図である。図５は、本発明の第１の実施形態の高輝度発光ダイオードの製造方法を示す工程図であり、図５（ａ）はＩＣＰエッチング工程後の断面図、図５（ｂ）はマスク除去後の断面図である。図６は、本発明の第２の実施形態を示す、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図である。図７は、本発明の第３の実施形態を示す、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図である。図８は、本発明の第４の実施形態を示す、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図である。

符号の説明

１００基板
１０１第１の光導波路
１０２マルチモード干渉光導波路
１０３第２の光導波路
１０４，１０５テーパ状光導波路
１０６第３の光導波路
１０９光出射端面１２１に対する垂線とのなす角度
１２１光出射端面
２０１ｎ−ＩｎＰ基板
２０２ｎ−ＩｎＰバッファ層
２０３ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層
２０４第１のｐ−ＩｎＰクラッド層
２０５ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層
２０６第２のｐ−ＩｎＰクラッド層
２０７ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０１ｎ−ＩｎＰ基板
４０２マスク
４０３リッジ
４０４ＳｉＯ_２膜

以下、本発明に係る種々の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施形態の高輝度発光ダイオードを概略的に示す上面図である。

図１を参照すると、本発明の第１の実施形態として、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図が示されている。半導体基板１００上に、第１の光導波路１０１と、マルチモード干渉光導波路１０２と、第２の光導波路１０３と、第１のテーパ状光導波路１０４と、第２のテーパ状光導波路１０５とが集積されている。

第１の光導波路１０１は、マルチモード干渉光導波路１０２の一端と光学的に接続された一端を有し、かつ、第１の光出射端面（左方の光出射端面１２１）を構成する他端を有している。第２の光導波路１０３は、マルチモード干渉光導波路１０２の他端と光学的に接続された一端を有し、かつ、第２の光出射端面（右方の光出射端面１２１）を構成する他端を有している。第１の光導波路１０１と第２の光導波路１０３は、いずれも、シングルモード光を生成するために、マルチモード干渉光導波路１０２よりも狭い幅を有する。第１の光導波路１０１の他端においては、第１の光導波路１０１の光軸に対して第１の光出射端面は傾斜しており、第２の光導波路１０３の他端においては、第２の光導波路１０３の光軸に対して第２の光出射端面は傾斜している。

マルチモード干渉光導波路１０２の一端（左側端）と第１の光導波路１０１の一端との間には、２段のテーパ状光導波路（第１および第２のテーパ状光導波路）１０４，１０５が介在している。これらテーパ状光導波路１０４，１０５は、第１の光導波路１０１の一端からマルチモード干渉光導波路１０２の一端に向かうにつれて漸次増加する幅を有している。特に、テーパ状光導波路１０４は、テーパ状光導波路１０５よりも長い導波路長を有しており、テーパ状光導波路１０５のテーパ部とテーパ状光導波路１０４のテーパ部とは互いに異なる傾斜角（光軸とテーパ部とがなす角度）を有する。また、テーパ状光導波路１０５のテーパ部の傾斜角は、テーパ状光導波路１０４のテーパ部の傾斜角よりも大きい。

一方、マルチモード干渉光導波路１０２の他端（右側端）と第２の光導波路１０３の一端との間にも、２段のテーパ状光導波路（第３および第４のテーパ状光導波路）１０４，１０５が介在している。これらテーパ状光導波路１０４，１０５は、第２の光導波路１０３の一端からマルチモード干渉光導波路１０２の他端に向かうにつれて漸次増加する幅を有している。特に、テーパ状光導波路１０４は、テーパ状光導波路１０５よりも長い導波路長を有しており、テーパ状光導波路１０５のテーパ部とテーパ状光導波路１０４のテーパ部とは互いに異なる傾斜角を有する。また、テーパ状光導波路１０５のテーパ部の傾斜角は、テーパ状光導波路１０４のテーパ部の傾斜角よりも大きい。

本実施形態では、第１の光導波路１０１及び第２の光導波路１０３の導波路幅は２μｍ程度、第１のテーパ状光導波路と第２のテーパ状光導波路との接続箇所での光導波路幅は４μｍ程度、マルチモード干渉光導波路１０２の導波路幅は１０μｍ程度としている。

第１の光導波路１０１の長さは２００μｍ程度、マルチモード干渉光導波路１０２の長さは３１０μｍ程度、第２の光導波路１０３の長さは２００μｍ程度、第１のテーパ状光導波路１０４の長さは４０μｍ程度、第２のテーパ状光導波路１０５の長さは５μｍ程度としている。

また、第１の光導波路１０１及び第２の光導波路１０３の光軸と、光出射端面１２１に対する垂線とのなす角度１０９は、θ＝１２度としている。この角度１０９は、３度以上２０度以下、特には５度以上２０度以下が望ましい。さらに、この角度１０９が小さい場合は、内部発振が抑制できず、逆に大きい場合は、出射光を効率よく光ファイバ等に光結合することが困難になる。すなわち、角度１０９が小さすぎると（特に、３度未満になると）、光出射端面１２１で反射した戻り光の量が大きくなるので、内部発振を抑制することができず、リップルの無い良好な発光波長特性を得ることが難しい。他方、角度１０９が大きすぎると（特に２０度を超えると）、光出射端面１２１から出射された光が、屈折して、光ファイバやレンズ等の光学系（図示せず）に効率良く入射することができず、光ファイバやレンズ等の光学系と光出射端面１２１との接続性が悪化する。なお、光出射端面１２１から出射された光を、光ファイバやレンズ等の光学系に導く光学部品を設けてもよい。

また、図１のＡ−Ａ'線で示される光導波路断面構造は、図２の断面図で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。

また、第１の光導波路１０１と、マルチモード干渉光導波路１０２と、第２の光導波路１０３と、第１のテーパ状光導波路１０４と、第２のテーパ状光導波路１０５とは、層構造は同一で、差異はその導波路幅のみである。

図２に示した断面構造は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層２０３、第１のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第２のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７から構成されている。前記ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層２０３は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。

また、各層の厚さは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２０２が１００ｎｍ程度、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層２０３が１００ｎｍ程度、第１のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４が２００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５が１０ｎｍ程度、第２のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６が８００ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７が１５０ｎｍ程度、それぞれ積層された構造となっている。

リッジ構造を構成するため、図２に示されるように、非導波領域においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７および第２のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６がエッチングにより除去された構造となっている。

マルチモード干渉導波路１０２は、たとえば、公知のＭＭＩ（Multimode Interference）理論を用いて以下のように設計することができる。

マルチモード干渉導波路１０２の長さを求める際に必要となるビート長（Ｌ_π）の式は、次の第１式のように示すことができる。

ここで、Ｌ_πはビート長を、Ｗ_１はマルチモード干渉領域の幅を、Ｎｒは導波路の屈折率を、Ｎｃはクラッドの屈折率を、λ_０は光波長を、それぞれ表している。また、σについては、ＴＥモードのときはσ＝０であり、ＴＭモードのときはσ＝１である。

マルチモード干渉領域の長さＬが次の第２式で表されるとき、マルチモード干渉導波路１０２は、１×Ｎ光導波路として動作することができる。

ここで、Ｎは、分岐導波路の数を表す正整数であり、本実施形態では、Ｎ＝１である。また、マルチモード干渉領域は、次の第３式で表されるとき、光入射用のＮ個の分岐導波路と光出射用のＮ個の分岐導波路とを有するＮ×Ｎ光導波路として動作することができる。

ただし、本実施形態では、Ｎ＝１である。

なお、上記第１式あるいは第２式を用いてマルチモード干渉導波路１０２を設計する場合、厳密にこれらの理論式が満たされる必要は必ずしも無い。たとえば、理論式による値から１０％程度マルチモード干渉導波路の長さがずれた程度であれば、マルチモード干渉導波路を実現できることは当業者において良く知られている。

上記第１式〜第３式を用いて、マルチモード干渉領域の長さＬと、マルチモード干渉領域の幅Ｗ_１を最適化することができる。

以下、本発明による第１の実施形態の高輝度発光ダイオードによって、発光効率を損なうことなく高い光出力が得られ、かつ、発光波長帯域が殆ど狭められることなく、高い光出力が得られる原理を説明する。

一般的に、これまでのＳＬＥＤの光出力の律速要因としては、半導体レーザーと同様に、（１）熱飽和（電流注入に伴う発熱による飽和）、（２）空間的ホールバーニング（自身の光出力に起因する利得減少）、（３）ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）レベル、の３要素が考えられる。このうち、（１）については発光領域（活性層）の面積拡大、（２）については、光導波路内の最大光出力位置における光子密度低減、（３）については発光端面での光子密度低減、が有効な対策である。

半導体レーザーや半導体光アンプ等のように、対象とする発光波長（主たる導波モード光）が単一波長もしくは比較的狭い波長帯として使用されるデバイスの場合であれば、上記の３つの課題に対する手法として、アクティブＭＭＩ構造による高出力化手法が、これまで特許文献１、特許文献２などによって提案されてきた。

ところが、高輝度発光ダイオードの場合、その重要な特性の一つに広い発光帯域幅（少なくとも数１０ｎｍ程度以上）が挙げられるため、これまでアクティブＭＭＩ構造の適用は困難と考えられていた。何故ならば、マルチモード干渉領域には波長依存性があることが良く知られており、結果として、本来は広い発光帯域幅を有することを特徴としていた高輝度発光ダイオードにおいて、そもそもその発光帯域幅が広くならない、という問題が生じてしまうためである。

図３はこのことを説明するためのシミュレーション結果を示す図であり、導波路全体で過剰損失が生じるかどうかを透過度（Transmittance）として表現したもので、従来のアクティブＭＭＩ構造（第１のテーパ状光導波路１０４と、第２のテーパ状光導波路１０５とが共に接続されていない構造）における透過度の波長依存性を破線で、本発明による光導波路構造の透過度の波長依存性を実線で示すものである。

図３を見て明らかなように、本発明の適用により、広い波長範囲で高い透過度（すなわち小さい過剰損失）が得られている。この結果、高輝度発光ダイオードの特性である広い発光帯域幅が確保されることになる。特に、２段のテーパ状光導波路１０４，１０５により、広い波長範囲で高い透過度（すなわち小さい過剰損失）を実現することが可能となる。

なお、第１の実施形態の発光層２０３は１．３μｍ帯としたが、これに限るわけではなく、いずれの波長帯においても本発明は適用可能である。材料系も通常のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系としたが、これに限るわけではなく、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ系であってもよいし、可視光帯などその他の波長帯に適した材料系を適用することはもちろん可能である。

また発光層２０３の層構造を通常の多重量子井戸としたが、これに限るわけではなく、ひずみ量子井戸であっても良いし、通常のバルク発光層であっても適用可能である。

また、光導波路構造としてリッジ構造としたが、これに限るわけではなく、例えば埋め込み構造としても本発明は適用可能である。また、第１の光導波路１０１と第２の光導波路１０３は共にシングルモード導波路としているが、必ずしもシングルモード導波路である必要はなく、２次モードカットオフ導波路として構成しても本発明は適用可能である。

また、マルチモード干渉光導波路１０２を導波方向の中心位置に配置しているが、必ずしも中心位置におく必要は無いし、加えてマルチモード干渉光導波路１０２の個数もキャビティ内に１個のみである必要は無い。また、高輝度発光ダイオードは、通常、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３のうちの少なくとも一方の端面から光を出力すれば足りる。このため、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３のうちの他方の端面にモニタ用フォトディテクタを光学的に接続してもよい。このモニタ用フォトディテクタは、高輝度発光ダイオードの外部に配置されてもよいし、あるいは、第１の光導波路１０１または第２の光導波路１０３とモノリシックまたはハイブリッドに連続的に集積されてもよい。

次に、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して第１の実施形態の製造方法を説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）および図５（ｂ）は、高輝度発光ダイオードの製造工程を説明するための断面図である。

始めに、通常のｎ−ＩｎＰ基板４０１上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−ＩｎＰバッファ層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層２０３、第１のｐ−ＩｎＰクラッド層２０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層２０５、第２のｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２０７、を成長する（図４（ａ））。

次に、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いて導波路形状にマスク４０２を形成する（図４（ｂ））。

このマスクを用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）法によりエッチングを施し、リッジ４０３を形成する（図５（ａ））。

この後、熱ＣＶＤ法により全面にＳｉＯ_２膜４０４を堆積し、ステッパ（縮小投影露光）によるフォトリソグラフィ法を用いてリッジ直上のＳｉＯ_２膜４０４を除去し（図５（ｂ））、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上面電極材料を電子ビーム蒸着法により形成する。

この後、ウェハ裏面を研磨しＴｉ／Ａｕからなる裏面電極を形成し、素子の後方端面及び光出射端面位置において端面劈開を行い、素子端面（結晶面）に低反射膜コーティングを施して低反射率端面を形成し、素子の製造を終了する。

低反射膜は、光を透過できるものであれば、特に限定されるものではない。したがって、図１の入射光導波路１０１と出射光導波路１０３との異なる端面に低反射膜が形成されていればよい。

低反射膜の反射率は、たとえば０．１％以下とすることができる。低反射膜は、単層で実現されてもよいし、あるいは、異なった材料からなる薄膜を多層に積層することにより実現されてもよい。低反射膜の性能にとって重要なことは、発光波長帯における反射率が低いことである。

材料は、使用する波長によって適宜設計変更されるものであり、たとえばＳｉＯ_２やＳｉＮＯ_Ｘ，ＡｌＯ_Ｘ，五酸化タンタル等の酸化物、フッ化ランタン等のフッ化物を用いることができる。本実施形態においては、ＳｉＯ_２を好適に用いることができる。

また、低反射率を実現させる観点からは、本実施形態では低反射率特性を得る上で重要な膜厚制御性に優れるスパッタ法を用いて低反射膜コーティングを施すことにより、１／４波長膜として単層ＳｉＯ_２薄膜である低反射膜を形成することが望ましい。

なお、本実施形態では、フォトリソグラフィにステッパを用いているが、これに限るわけではなく、例えば電子ビーム露光であっても適用可能である。またＳｉＯ_２膜４０４形成法に熱ＣＶＤを用いているが、例えばプラズマＣＶＤ法であっても、スパッタ法であっても適用可能である。また、メサ形成工程方法についてもＩＣＰ法に限るわけではなく、例えばＲＩＥ法であっても適用可能であるし、ウェットエッチング法を適用しても良い。また、メサ形成後にはウェハ表面に段差が生じるため、この段差を埋めて平坦化するために、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）やポリイミドなどの材料を用いた埋め込み手法が一般的には知られており、本発明においても、同様の埋め込み手法を適用してもよい。なお、本実施形態では、スパッタ法により低反射コーティングを施すが、これに限るわけではなく、例えば、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）現象を用いるＥＣＲ−ＣＶＤ法により低反射コーティングを施してもよい。

（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図６は、第２の実施形態の高輝度発光ダイオードの概略構成を示す上面図である。

図６を参照すると、本発明の第２の実施形態として、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図が示されている。上記第１の実施形態と同様に、基板１００上に、第１の光導波路１０１と、マルチモード干渉光導波路１０２と、第２の光導波路１０３と、第１のテーパ状光導波路１０４と、第２のテーパ状光導波路１０５とが集積されている。

第２の実施形態の第１の実施形態との差異は、第１の光導波路１０１の長さを１５０μｍ程度、第２の光導波路１０３の長さは５０μｍ程度としている点のみで、その他は全て第１の実施形態と同様である。

また、図６のＡ−Ａ'線に沿った断面図で示される光導波路断面構造も、第１の実施形態と同様に図２で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。

以下、本発明による第２の実施形態の高輝度発光ダイオードによって、発光効率を損なうことなく高い光出力が得られ、かつ、発光波長帯域が殆ど狭められることなく、高い光出力が得られる原理を説明する。

上記第１の実施形態の場合と同様に、一般的に、これまでのＳＬＥＤの光出力の律速要因としては、半導体レーザーと同様に、（１）熱飽和（電流注入に伴う発熱による飽和）、（２）空間的ホールバーニング（自身の光出力に起因する利得減少）、（３）ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）レベル、の３要素が考えられる。このうち、（１）については発光領域（活性層）の面積拡大、（２）については、光導波路内の最大光出力位置における光子密度低減、（３）については発光端面での光子密度低減、が有効な対策である。

上述した通り、高輝度発光ダイオードの場合、その重要な特性の一つに広い発光帯域幅（少なくとも数１０ｎｍ程度以上）が挙げられるため、これまでアクティブＭＭＩ構造の適用は困難と考えられていた。何故ならば、マルチモード干渉領域には波長依存性があることが良く知られており、結果として、本来は広い発光帯域幅を有することを特徴としていた高輝度発光ダイオードにおいて、そもそもその発光帯域幅が広くならない、という問題が生じてしまうためである。

第２の実施形態の高輝度発光ダイオードの光導波路構造も、第１の実施形態と同様に、図３の実線に示される透過度の波長依存性を実現することができる。すなわち、図３を見て明らかなように、広い波長範囲で高い透過度（すなわち小さい過剰損失）が得られている。この結果、高輝度発光ダイオードの特性である広い発光帯域幅が確保されることになる。

加えて第２の実施形態では、特にマルチモード干渉光導波路１０２の導波方向における位置を、光出射端面に近づけた構造としている。このため、光出射端面近傍におけるホールバーニング効果、及びＣＯＤレベルの改善に寄与し、より高い光出力が得られる。

なお、本発明の発光層２０３は１．３μｍ帯としたが、これに限るわけではなく、いずれの波長帯においても本発明は適用可能である。材料系も通常のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系としたが、これに限るわけではなく、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓであってもよいし、他の波長帯に適した材料系を適用することはもちろん可能である。

また、光導波路構造としてリッジ構造としたが、これに限るわけではなく、例えば埋め込み構造としても本発明は適用可能である。

また、第１の光導波路１０１と第２の光導波路１０３は共にシングルモード導波路としているが、必ずしもシングルモード導波路である必要はなく、２次モードカットオフ導波路として構成しても本発明は適用可能である。

また、マルチモード干渉光導波路１０２の個数はキャビティ内に１個のみである必要は無い。また、第２の光導波路１０３を配した構造としているが、仮に第２の光導波路１０３を省いた構造としても、本発明は適用可能である。

（第３の実施形態）
次に本発明の第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図７は、第３の実施形態の高輝度発光ダイオードの概略構成を示す上面図である。

図７を参照すると、本発明の第３の実施形態として、高輝度発光ダイオードの光導波路構成概要図が示されている。第３の実施形態の高輝度発光ダイオードは、半導体基板１００上に、３個のマルチモード干渉光導波路１０２が直列的に連結された構造を有している。言い換えれば、中央に配置されたマルチモード干渉光導波路１０２の一端と第１の光導波路１０１との間にマルチモード光導波路（副マルチモード光導波路）１０２が介在し、中央に配置されたマルチモード干渉光導波路１０２の他端と第２の光導波路１０３との間にマルチモード光導波路（副マルチモード光導波路）１０２が介在している。上記第１の実施形態と同様に、基板１００上に、第１の光導波路１０１と、３個のマルチモード干渉光導波路１０２と、第２の光導波路１０３と、第１のテーパ状光導波路１０４と、第２のテーパ状光導波路１０５、及び第３の光導波路１０６とが集積されている。

第３の実施形態の第１の実施形態との差異は、図７を見てわかるように、マルチモード干渉光導波路１０２とその前後の第１のテーパ状光導波路１０４及び第２のテーパ状光導波路１０５とがそれぞれ３箇所配置されている点、及び第３の光導波路１０６が集積されている点だけで、その他の構成は全て第１の実施形態と同様である。

また、図７のＡ−Ａ'線で示される光導波路断面構造も、第１の実施形態と同様に図２で示されるような、通常の多重量子井戸からなる発光層を用いたリッジ構造となっている。

なお、本発明の第３の光導波路１０６は、第１の光導波路１０１及び第２の光導波路１０３と同様に幅２μｍ程度、長さ５０μｍ程度としている。

以下、本発明による第３の実施形態の高輝度発光ダイオードによって、発光効率を損なうことなく高い光出力が得られ、かつ、発光波長帯域が殆ど狭められることなく、高い光出力が得られる原理を説明する。

上記第１の実施形態の場合と同様に、一般的に、これまでのＳＬＥＤの光出力の律速要因としては、半導体レーザーと同様に、（１）熱飽和（電流注入に伴う発熱による飽和）、（２）空間的ホールバーニング（自身の光出力に起因する利得減少）、（３）ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage ）レベル、の３要素が考えられる。このうち、（１）については発光領域（活性層）の面積拡大、（２）については、光導波路内の最大光出力位置における光子密度低減、（３）については発光端面での光子密度低減、が有効な対策である。

第３の実施形態の高輝度発光ダイオードの光導波路構造でも、広い波長範囲で高い透過度（すなわち小さい過剰損失）が得られる。この結果、高輝度発光ダイオードの特性である広い発光帯域幅が確保されることになる。

加えて第３の実施形態では、特にマルチモード干渉光導波路１０２が複数配置された構造となっている。このため、発光領域の殆どが幅の広い領域として構成されるため、より電気抵抗の小さい構造・より放熱効果に優れる構造・より導波路内の光子密度が小さい構造、となることにより、より高い光出力が得られる。

また、マルチモード干渉光導波路１０２の個数はキャビティ内に３個である必要は無く、２個であってもよいし、４個以上であっても本発明は適用可能である。また、第１の光導波路１０１、第２の光導波路１０３、第３の光導波路１０６を全て同一長さとした構造としているが、必ずしも全て同一である必要は無い。

なお、第３の実施形態では、マルチモード干渉光導波路１０２を３個配置した構造としているが、３個に限るわけではなく、４個以上配置しても、本発明は適用可能である。また、テーパ状光導波路は第１、第２の構造としているが、２個に限るわけではなく、３個以上配置しても、本発明は適用可能である。

（第４の実施形態）
次に、本発明に係る第４の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図８は、第４の実施形態の高輝度発光ダイオードの概略構成を示す上面図である。

図８を参照すると、第４の実施形態の高輝度発光ダイオードは、半導体基板１００上に、２個のマルチモード干渉光導波路１０２，１０２が直列的に連結された構造を有している。言い換えれば、２個のマルチモード干渉光導波路１０２のうちの一方のマルチモード干渉光導波路１０２の一端と第１の光導波路１０１との間に他方のマルチモード光導波路（副マルチモード光導波路）１０２が介在している。その他の構成は、光導波路のサイズや層構造の一部を除いて、上記第１の実施形態の構成と実質的に同じである。

第４の実施形態では、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３の導波路幅は４μｍ程度、第１のテーパ状光導波路１０４および第２のテーパ状光導波路１０５の接続箇所での光導波路幅は７．５μｍ程度、マルチモード干渉光導波路１０２の導波路幅は１０μｍ程度としている。第１の光導波路１０１の長さは７０μｍ程度、マルチモード干渉光導波路１０２の長さは３６０μｍ程度、第２の光導波路１０３の長さは７０μｍ程度、第１のテーパ状光導波路１０４の長さは８０μｍ程度、第２のテーパ状光導波路１０５の長さは５μｍ程度としている。

また、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３の光軸と、光出射端面１２１に対する垂線とのなす角度１０９は、θ＝１５度としている。この角度１０９は、３度以上２０度以下、特には５度以上２０度以下が望ましい。上述の通り、この角度１０９が小さい場合は、内部発振が抑制できず、逆に大きい場合は、出射光を効率よく光ファイバ等に光結合することが困難になる。なお、θ＝１５度とする場合は、光出射端面１２１からの光出射角度がおよそ４５度となるため、素子を実装する際には目視で光軸方向を判断することが比較的容易である、というメリットもある。

さらに、第４の実施形態の高輝度発光ダイオードの断面構造は、発光層の組成を除いて、図２に示した構造と同じである。すなわち、第４の実施形態では、図２に示したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．３μｍ帯発光層２０３の代わりに、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ−１．５５μｍ帯発光層が形成される。このＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ−１．５５μｍ帯発光層は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure）と多重量子井戸からなる通常の発光層である。また、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ−１．５５μｍ帯発光層は、ＭＯＣＶＤ法により、１００ｎｍ程度の厚みを持つように形成できる。

なお、第４の実施形態の発光層は、１．５５μｍ帯の層としたが、これに限るわけではなく、いずれの波長帯においても本発明は適用可能である。材料系も通常のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ系としたが、これに限るわけではなく、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系であってもよいし、他の波長帯に適した材料系を適用することはもちろん可能である。

また、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｌＡｓ−１．５５μｍ帯発光層の層構造を通常の多重量子井戸としたが、これに限るわけではなく、ひずみ量子井戸であっても良いし、通常のバルク発光層であっても適用可能である。

また、マルチモード干渉光導波路１０２はキャビティ内に２個設けられているが、２個のみである必要は無い。

以上、添付図面を参照しつつ本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本発明は、上記以外の形態でも実施可能であり、特許請求の範囲に記載された技術的思想に基づいて、上記実施形態の種々の変形例があり得ることが明らかである。

たとえば、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３は、直線状に形成されているが、これに限定されるものではない。第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３の光軸に対して光出射端面１２１が最適な傾斜角をなすように、第１の光導波路１０１および第２の光導波路１０３がそれぞれ曲率を有していてもよい。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたマルチモード干渉光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記マルチモード干渉光導波路の一端と光学的に接続された一端と第１の光出射端面を構成する他端とを有する第１の光導波路と、
前記半導体基板上に形成され、前記マルチモード干渉光導波路の他端と光学的に接続された一端と第２の光出射端面を構成する他端とを有する第２の光導波路と、
を含み、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、いずれも、前記マルチモード干渉光導波路よりも狭い幅を有し、
前記第１の光導波路の他端において前記第１の光導波路の光軸に対して前記第１の光出射端面が傾斜しており、
前記第２の光導波路の他端において前記第２の光導波路の光軸に対して前記第２の光出射端面が傾斜している、高輝度発光ダイオード。
請求項１記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第１の光出射端面に対して前記第１の光導波路が斜め方向に配置されている、高輝度発光ダイオード。
請求項１または２記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第２の光出射端面に対して前記第２の光導波路が斜め方向に配置されている、高輝度発光ダイオード。
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第１および第２の光導波路はいずれもシングルモード導波路である、高輝度発光ダイオード。
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第１および第２の光導波路はいずれも２次モードカットオフ導波路である、高輝度発光ダイオード。
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記マルチモード干渉光導波路の一端と前記第１の光導波路の一端との間に介在し、かつ、前記第１の光導波路の一端から前記マルチモード干渉光導波路の一端に向かうにつれて漸次増加する幅を有するテーパ状光導波路を更に含む高輝度発光ダイオード。
請求項６記載の高輝度発光ダイオードであって、前記テーパ状光導波路は、第１及び第２のテーパ状光導波路を含み、前記第１のテーパ状光導波路のテーパ部と前記第２のテーパ状光導波路のテーパ部とは互いに異なる傾斜角を有する、高輝度発光ダイオード。
請求項７記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第１のテーパ状光導波路は、前記第２のテーパ状光導波路よりも長い導波路長を有する、高輝度発光ダイオード。
請求項１から８のうちのいずれか１項に高輝度発光ダイオードであって、前記マルチモード干渉光導波路の他端と前記第２の光導波路の一端との間に介在し、かつ、前記第２の光導波路の一端から前記マルチモード干渉光導波路の他端に向かうにつれて漸次増加する幅を有するテーパ状光導波路を更に含む高輝度発光ダイオード。
請求項９に記載のテーパ状光導波路が、前記テーパ状光導波路は、第３及び第４のテーパ状光導波路を含み、前記第３のテーパ状光導波路のテーパ部と前記第４のテーパ状光導波路のテーパ部とは互いに異なる傾斜角を有する、高輝度発光ダイオード。
請求項１０記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第３のテーパ状光導波路は、前記第４のテーパ状光導波路よりも長い導波路長を有する、高輝度発光ダイオード。
請求項１から１１のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、
前記マルチモード干渉光導波路、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、前記半導体基板上に形成された発光層と、前記発光層上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたコンタクト層とを含み、
前記発光層が光導波路構造を有する、高輝度発光ダイオード。
請求項１から１２のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記第１および第２の光出射端面がいずれも低反射率端面である、高輝度発光ダイオード。
請求項１から１３のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記マルチモード干渉光導波路の一端と前記第１の光導波路との間に介在する少なくとも１つの副マルチモード干渉光導波路を更に含む高輝度発光ダイオード。
請求項１から１４のうちのいずれか１項に記載の高輝度発光ダイオードであって、前記マルチモード干渉光導波路の他端と前記第２の光導波路との間に介在する少なくとも１つの副マルチモード干渉光導波路を更に含む高輝度発光ダイオード。