TWI460879B - 垂直共振器型發光二極體 - Google Patents
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Description
本發明係有關使用於塑膠光纖用之光源等的垂直共振器型發光二極體。
以作為塑膠光纖(Plastic Optical Fiber，簡稱POF)用的光源而言，係注意到比雷射二極體更便宜的發光二極體。但是，為了實現更高出力、高速應答性，以往的發光二極體係不足的，故需要一種具有使光共振之共振器的垂直共振器型發光二極體。
垂直共振器型發光二極體係具有垂直共振器，該垂直共振器係以用以使從活性層發出的光共振的反射層將包含有活性層的雙異質接面構造(double heterojunction)從上下予以挾持，使從活性層所發光的光共振於對活性層為垂直之方向。該反射層係藉由將高折射率膜與低折射率膜交互積層的黑反射層予以多對積層而提高反射率。該反射層之反射率係使光射出側之反射率比另一方之反射率更低，藉此可使在活性層發光的光從反射層選擇性的射出。
該垂直共振器型發光二極體係考慮到在100℃之高溫度區域下的使用，而謀求因溫度而致之發光輸出之變化較小的二極體。於專利文獻1，揭示了在垂直共振型發光二極體中，藉由使光射出側(亦即二極體表面側之反射層)具有複數的反射帶域特性，而防止高溫區域中的發光輸出降低的技術。
(專利文獻1)日本特開2003－332615號公報
然而，如專利文獻1所揭示，為了使光射出側之反射層具有複數的反射帶域特性，反射層之設計變得複雜。此外，因將反射層設為黑反射層而使其配對數例如為18對以上，故存有用以形成光射出側之反射層的結晶成長時間變長的課題。
本發明係有鑑於上述課題而研發者，其目的為提供在垂直共振器之構造中使光射出側之反射層構造更簡單、在高溫側也不易有發光輸出降低的新垂直共振器型發光二極體。
在本發明者等不斷精心研究的結果之下，得出了在垂直共振器型發光二極體之共振器構造中，使光射出側之反射層的配對數量相對於光反射層側之反射層的配對數量為1/10以上、1/3以下，藉此即可改善發光輸出之溫度依存性的結論，而完成了本發明。
為了達成上述目的，本發明之垂直共振器型發光二極體係具有做為發光層的活性層、以及挾持該活性層而形成的光反射側之第1反射層與光射出側之第2反射層，其中，第1及第2反射層係具有以折射率彼此相異的半導體交互層為1對且將前述配對予以複數積層的構造；且第2反射層之配對數量為第1反射層之配對數量的1/10以上、1/3以下。
依據前述構成，使光射出側之第2反射層的配對數量為光反射側之第1反射層之相對數量的1/10以上、1/3以下，藉此即可實現室溫下的發光輸出不降低且發光輸出之溫度依存性獲得改善的垂直共振器型發光二極體。
於前述構成中，第1反射層之配對數量較宜為11對以上、41對以下。藉由該構成，第1反射層之反射率會變高，而可獲得高發光輸出的垂直共振器型發光二極體。
依據本發明，可以提供一種光反射側之反射層構造單純、發光輸出因溫度所致之變化較少的高輸出垂直共振器型發光二極體。
以下，依據圖式詳細進行說明本發明之實施形態。於各圖中同一或相對應的構件係使用同一符號。
第1圖為表示本發明之垂直共振器型發光二極體之剖片構造的圖。第2圖為第1圖之俯視圖。亦即，沿著第2圖之X－X線的剖面圖即為第1圖。如第1圖所示，本發明之垂直共振器型發光二極體1係形成為含有：n型基板2；n型之第1反射層3(以下簡稱第1反射層)，係做為光反射側；雙異質接合7，係包含有n型披覆(clad)層4、活性層5、以及p型披覆層6；電流狹窄層8，係於一部份具有開孔部；p型之第2反射層9(以下簡稱第2反射層)，係做為光射出側；p型電極層10，係設置於第2反射層之上部；以及保護膜11，係將包含了電極層10的發光二極體表面予以覆蓋。當p型披覆層上具有電流狹窄層時，第2反射層9係於電流狹窄層8之開孔部與開孔部之上方以及具有開孔部的電流狹窄層8上形成層狀。該電流狹窄層8之開孔部係成為垂直共振器型發光二極體1之電流通路以及光的引出區域。電極層10係形成為夾著第2反射層9而與電流狹窄層8相對向。然後，在基板2及電極層10上分別形成有電極12、13。
在此，電流狹窄層8係n型層或故意不添加雜質的所謂無摻雜(non dope)層。無摻雜層亦可作為i(真性半導體)或n-
般的半絕緣層或高電阻層。又，雖以基板為n型進行說明，但為其相反導電型的p型基板亦可，在該情形中，只要將上述各層之傳導型因應基板予以變更即可。
做為發光部的雙異質接合7中的活性層5亦可為由量子井構造所構成的活性層22。由量子井構造所構成的活性層22可為由將禁止帶寬相異的薄半導體層交互積層而形成者，並可為單一量子井構造或多重量子井構造。只要將此量子井構造最佳化，即可實現相對於第1圖所示的單一層所構成的活性層5能達到更高出力、高速應答的垂直共振器型發光二極體1。
夾著上述活性層5形成有其為黑反射層的第1反射層3與第2反射層9。此時，於第1圖之y方向的第1反射層與第2反射層9間的間隔(亦即，前述雙異質接合7的厚度)即相當於垂直共振器長Lres
。該垂直共振器長Lres
可用下述(1)來表示。
Lres
＝(n×λ)/(2×m0
)………式(1)
其中，n為任意整數，λ為垂直共振器型發光二極體之發光波長，m0
為雙異質接合層之平均折射率。
第1反射層3及第2反射層9係具有彼此相異的折射率，亦即包含有具有相對較高折射之率的層(以下稱高折射率膜)與具有相對較低之折射率的層(以下稱低折射率膜)。若該高折射率膜之折射率為m1
則其膜厚為λ/(4×m1
)，同樣地，若低折射率膜之折射率為m2
則其膜厚為λ/(4×m2
)即可。第1反射層3及第2反射層9係以由高折射率膜與低折射率膜所構成的折射率彼此相異的半導體交互層為1對，且藉由將前述配對予以積層而形成者。
此時，使位於下部的光反射側之第1反射層3之反射率比位於上部的光射出側之第2反射層9之反射率更高，藉此可使以活性層5所發光的光從第2反射層9側有效率地射出。為此，使光反射層之第1反射層3之配對數量(P1
)比光反射層之第2反射層9之配對數量(P2
)更多，藉此可使以活性層5所發光的光從第2反射層9側予以射出。
本發明之特徵為，使光射出側(亦即第2反射層9)之配對數量(P2
)相對於第1反射層3之配對數量(P1
)為1/3以下、1/10以上。也就是說，1/10≦P2
/P1
≦1/3，藉此即可成為因周圍溫度所致之發光輸出變化較小的垂直共振型發光二極體。
在此，若使第2反射層9之配對數量P2
相對於第1反射層3之配對數量P1
為1/3以上，則因伴隨周圍溫度之上升所致的發光輸出低下會變得顯著故較不好。反之，若使第2反射層9之配對數量P2
相對於第1反射層3之配對數量P1
為1/10以下，則因為共振器內由光之共振所致之增幅無法充分被引起，故無法獲得較高的發光輸出。
為了使第1反射層3之反射率提升，較宜使其配對數量為11對以上、41對以下。若使該配對數量為10.5對以下，則因為共振器內由光之共振所致之增幅無法充分被引起，故無法獲得較高的發光輸出與充分的指向性。反之，若使其為41.5對以上，則不但結晶成長時間會變長，且因伴隨活性層5之發光所生的熱之放熱變得不足，故確認到反而引起發光輸出降低。
在此，前述的配對數量中，非整數的10.5對等之記述係表示高折射率膜、低折射率膜之任一方以未成對之狀態被積層一事。例如所謂10.5對，係指第1反射層3係由高折射率膜及低折射率膜所構成的10對配對再加上積層了1層高折射率膜或低折射率膜的膜所構成者。
於第1及第2反射層3、9中，作為高折射率及低折射率層的組合，可使用以Alr
Ga1－r
As(在此，r為Al組成，0<r<1)為高折射率層、以AlAs為低折射率層的交互層。如上所述地交互進行積層的第1及第2反射層3、9係可示為Alr
Ga1－r
As/AlAs。
作為高折射率及低折射率層的組合，亦可以Als
Ga1－s
As(在此，s為Al組成，0<s<1，s>r)代替低折射率層的AlAs、並以Alr
Ga1-r
As為高折射率層。使低折射率層之Al組成s為0.4<s<1、高折射率層之Al組成r為0<r<0.6，且使低折射率層之Al組成s與高折射率層之Al組成r的關係為s≧r+0.4，藉此可形成高反射率的膜。
更且，亦可於n型基板2與第1反射層3之間插入未圖示的緩衝層。藉由插入該緩衝層可以形成結晶性較高的第1反射層3。
垂直共振器型發光二極體1之表面亦可由做為保護膜的絕緣物11予以披覆。保護膜11係可用電漿CVD(Chemical Vapour Deposition，化學氣相沉積)法堆積Si系之氧化膜或氮化膜而予以形成。使該膜之厚度為(n1
/4)×(λ/m3
)(其中，n1
為奇數、m3
為氧化膜或氮化膜的折射率)而成為對於光之穿透率高的膜即可。
以下針對本發明之垂直共振器型發光二極體1之實施例進行說明。
第1實施例之垂直共振型發光二極體1係具有如第1圖所示的電流狹窄層的構造。
首先，作為第1步驟，係先利用MOCVD法於n型GaAs基板2上使未圖示的n型緩衝層、第1反射層3、由n型Al0.5
In0.5
P所形成的第1披覆層4、由含有Inx
Ga1-x
P的量子井層所形成的活性層22、p-Al0.5
In0.5
P所形成的第2披覆層6、n型Al0.5
In0.5
P電流狹窄層8依序成長，而做為第1次的磊晶成長層。設計披覆層4、6之厚度以使活性層7
之發光波長為650nm、共振器長為652nm。於此階段將磊晶晶圓取出。
作為第2步驟，係進行形成射出窗部的圖案化步驟，將成為射出窗部的區域之電流狹窄層8予以部分地去除，且進行再洗淨步驟。
接著，於前述部分地形成有射出窗部的電流狹窄層8上進行埋入磊晶成長。該第2次的成長係與第1次的成長相同，乃使用MOCVD法使第2反射層9與厚度100nm的p型GaAs電極層10依序成長。
其後，經過將由Au/AuSbZn之2層所形成的電極13形成至磊晶成長面之表面及將由AuGeNi合金所形成的電極12形成至基板背面的步驟、保護膜11的形成步驟、以及晶粒切割步驟等，而製造垂直共振器型發光二極體1。
於第1實施例中，第1及第2反射層3、9皆為使成為1對的交互層其高折射率膜為Al0.45
Ga0.55
As(45nm)、低折射率膜為AlAs(52.5)，且為將該交互層多對積層後的構造。具體而言，係使第1反對層3的配對數量(P1
)為20.5對，使第2反射層9的配對數量(P2
)為2.5對。此時，第2反射層9之配對數量與第1反射層3之配對數量的比(亦即P2
/P1
)為1/10。
在此，晶片的大小為320μm×320μm左右，光之射出窗部14之直徑為80μm。
以除了使第2反射層9之配對數量(P2
)為5.5對以，其他皆與第1實施例相同的方式製造第2實施例的垂直共振型發光二極體。此時，第2反射層9之配對數量(P2
)與第1反射層3之配對數量(P1
)的比(亦即P2
/P1
)為5.5/20.5，即為1/4。
其次，針對比較例1進行說明。
以除了使第2反射層9之配對數量(P2
)為10.5對以外，其他皆與第1實施例相同的方式製造第1比較例的垂直共振型發光二極體。此時，第2反射層9之配對數量(P2
)與第1反射層3之配對數量(P1
)的比(亦即P2
/P1
)為10.5/20.5，即為1/2。
在此，第1表係表示第1及第2實施例與第1比較例之垂直共振器型發光二極體中的第1反射層之配對數量(P1
)、第2反射層9之配對數量(P2
)、相對於該第1反射層的比(P2
/P1
)以及後述的發光輸出之溫度依存性(%/℃)。
其次，針對第1及第2實施例與第1比較例之垂直共振器型發光二極體之發光特性進行說明。
第3圖係表示第1及第2實施例與第1比較例的垂直共振器型發光二極體之發光輸出的周圍溫度依存性的圖表。於第3圖中，橫軸係表示周圍溫度(℃)，縱軸係以25℃之發光輸出予以規格化後的規格化發光輸出。通電的電流為10mA。關於發光輸出，係將第1及第2實施例與第1比較例之各垂直共振器型發光二極體裝載於TO－18桿(stem)並測定者。其發光輸出係使垂直共振器型發光二極體最接近於長度1m的塑膠光纖(三菱麗陽製，EskaMega)而傳送光，並受光而進行測定後的值。關於在－40℃、－30℃、0℃、25℃、50℃、80℃、100℃、105℃之各溫度的發光輸出，係設定成各測定溫度、且1小時等溫保持後，將電流通電至垂直共振器型發光二極體而使其發光。此時的全發光波長強度係利用功率計予以測定。又，25℃的實施例及比較例中的垂直共振器型發光二極體之發光強度為最大的波長係皆為652nm。
從第3圖可明顯看出，第1實施例之使P2
/P1
為1/10的垂直共振器型發光二極體1之周圍溫度從25℃變化至105℃時發光輸出有減少，但其減少比例為－0.14%/℃。第2實施例之使P2
/P1
為1/4的垂直共振器型發光二極體1之前述溫度依存性為－0.21%/℃，可知無論在任一情形中，隨著溫度上升的發光輸出降低皆較小。
另一方面，第1比較例之使P2
/P1
為1/2的垂直共振器型發光二極體1之周圍溫度從25℃變化至105℃時發光輸出有減少，且其減少比例為較大的－0.64%/℃，可知其隨著溫度上升的發光輸出降低較顯著。
依據前述第1及第2實施例與第1比較例，可知於第1及第2實施例之垂直共振器型發光二極體中，藉由使第2反射層9之配對數量相對於第1反射層3之配對數量為1/4以下，即可改善發光輸出的溫度依存性，而證明可獲得即使周圍溫度上升其發光輸出也不易減低的垂直共振器型發光二極體1。
其次，針對第3實施例進行說明。
作為第3實施例，係以除了使第1反射層3之配對數量(P1
)為10.5對、第2反射層9之配對數量(P2
)為40.5對以外，其他皆與第1實施例相同的方式製造第3實施例的垂直共振型發光二極體。此時，第2反射層9之配對數量(P2
)與第1反射層3之配對數量(P1
)的比(P2
/P1
)為1/4，雖與第2實施例的情形為相同比率，但相對於第1及第2實施例，第1反射層3之配對數量(P1
)較大。
其次，針對第2比較例進行說明。
以除了使第1反射層3之配對數量(P1
)為10.5對、第2反射層9之配對數量(P2
)為2.5對以外，其他皆與第1實施例相同的方式製造第2比較例的垂直共振型發光二極體。此時，第2反射層9之配對數量(P2
)與第1反射層3之配對數量(P1
)的比(P2
/P1
)為1/4，雖與第2及第3實施例的情形為相同比率，但相對於第2及第3實施例，係使第1反射層3之配對數量(P1
)較小。
第2及第3實施例與第2比較例之垂直共振型發光二極體，皆為使第2反射層9之配對數量(P2
)與第1反射層3之配對數量(P1
)的比(P2
/P1
)為1/4，但將第1反射層3之配對數量予以變化的情形。以與前述第1實施例相同的測定方法，測定流過順方向電流20mA時之發光輸出及順方向電流10mA時之發光輸出的溫度依存性。第2表係表示第2及第3實施例與第2比較例之發光輸出以及發光輸出之溫度依存性的表，其係一併示有第1及第2反射層之配對數量與其配對數量比(P2
/P1
)。該配對數量比(P2
/P1
)於第2、第3實施例及第2比較例中皆為相同值的1/4。
從第2表可明顯看出，當使第2及第3實施例之第1反射層3之配對數量為20.5對、40.5對時的發光輸出係分別為1.78mW、1.63mW。
另一方面，使第2比較例之第1反射層3之配對數量為10.5對時的發光輸出為1.29mW，與第2及第3實施例比較，即可證明發光輸出顯著低下。
使發光輸出之周圍溫度從25℃變化至105℃時的發光強度之溫度依存性於第2實施例及第3實施例中分別為－0.21%/℃、－0.24%/℃。
另一方面，第2比較例使發光輸出之周圍溫度從25℃變化至105℃時的發光強度之溫度依存性為－0.31%/℃，與第2及第3實施例比較，可知在高溫的周圍溫度下發光輸出降低。
由此可知，即使在使配對數量比(P2
/P1
)同為1/4的情形中，將第2及第3實施例與第2比較例比較，即可證明發光輸出之溫度依存性變小，在高溫之周圍溫度下的發光輸出低下有所改善。
將第2及第3實施例與第2比較例的垂直共振型發光二極體比較，可知藉由使第1反射層3之配對數量為11對以上，可使發光輸出變大且發光輸出之溫度依存性也會改善。雖未示於表中，但若第1反射層3之配對數量為40.5對以上，則如上所述地，不但結晶成長時間會變長，且因活性層5之發光所生的熱之放熱也會變得不夠充分，故反而會引起發光輸出的低下而導致發光輸出降低。
本發明並不限定於上述實施例中所記載的垂直共振型發光二極體而可於申請專利範圍中所記載的發明範圍內進行種種變形或變更。例如，第1反射層3及第2反射層9之配對數量的比率係可因應振盪波長和發光輸出而於申請專利範圍所記載的範圍內適當變更乃不在言下。
1．．．垂直共振器型發光二極體
2．．．n型基板
3．．．n型第1反射層
4．．．n型第1披覆層
5．．．活性層
6．．．p型第2披覆層
7．．．雙異質接合(發光部)
8．．．電流狹窄層
9．．．p型第2反射層
10．．．電極層
11．．．保護膜
12、13．．．電極層
14．．．光之射出窗部
15．．．晶粒切割區域
18．．．緩衝層
22．．．由量子井構造所形成的活性層
第1圖係表示本發明之垂直共振器型發光二極體之剖面構造；第2圖為第1圖之俯視圖；第3圖為表示第1及第2實施例與第1比較例的垂直共振器型發光二極體之發光輸出的周圍溫度依存性的圖表。
1．．．垂直共振器型發光二極體
2．．．n型基板
3．．．n型第1反射層
4．．．n型第1披覆層
5．．．活性層
6．．．p型第2披覆層
7．．．雙異質接合(發光部)
8．．．電流狹窄層
9．．．p型第2反射層
10．．．電極層
11．．．保護膜
12、13．．．電極層
14．．．光之射出窗部
22．．．由量子井構造所形成的活性層
Claims (1)
- 一種垂直共振器型發光二極體，其係具有做為發光層的活性層、以及挾持該活性層而形成的光反射側之第1反射層與光射出側之第2反射層，其中，前述第1及第2反射層係具有以折射率彼此相異的半導體交互層做為1對且將前述配對予以複數積層的構造；前述第1反射層之配對數量為11對以上、41對以下；且前述第2反射層之配對數量為前述第1反射層之配對數量的1/10以上、1/4以下。
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