JP4273431B2 - 垂直共振器型発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、プラスチック光ファイバー用の光源などに使用される垂直共振器型発光ダイオードに関する。

プラスチック光ファイバー（ＰＯＦ）用の光源として、レーザーダイオードより安価である発光ダイオードが注目されている。より高出力、高速応答性を実現するためには、従来の発光ダイオードでは不十分であり、光を共振させる共振器を有する垂直共振器型発光ダイオードが必要となっている。

垂直共振器型発光ダイオードは、活性層を含むダブルヘテロ構造の上下から、活性層からの光を共振させるための反射層で挟み込み、活性層から発光された光を活性層に対して垂直方向に共振させる垂直共振器を有している。この反射層は、高屈折率膜と低屈折率膜が交互に積層したブラック反射層を多対積層することで反射率を高めている。この反射層の反射率は、光出射側の反射率を他方の反射率よりも低くすることで、活性層で発光した光を反射層から選択的に出射することができる。

この垂直共振器型発光ダイオードは、１００℃の高温度領域での使用が考えられており、温度による発光出力の変化が小さいダイオードが求められている。特許文献１には、垂直共振器型発光ダイオードにおいて、光出射側、つまり、ダイオード表面側の反射層に複数の反射帯域特性をもたせることで、高温領域における発光出力の低下を防ぐことが開示されている。

特開２００３−３３２６１５号公報

しかしながら、特許文献１で開示されているように、光出射側の反射層に複数の反射帯域特性をもたせるためには、反射層の設計の複雑さと、そのブラッグ反射層の対数を例えば１８対以上としているので、光出射側の反射層を形成するための結晶成長時間が長くなるという課題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、垂直共振器の構造において、光出射側の反射層の構造をより簡単にし、高温側でも発光出力の低下し難い、新規な垂直共振器型発光ダイオードを提供することを目的としている。

本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、垂直共振器型発光ダイオードの共振器構造において、光出射側の反射層の対数を、光反射層側の反射層の対数に対して、１／１０以上、かつ、１／４以下とすることで、発光出力の温度依存性が改善されるという知見を得て、本発明を完成するに至った。

上記目的を達成するため、本発明の垂直共振器型発光ダイオードは、発光層となる活性層と、この活性層を挟んで形成された光反射側の第１反射層及び光出射側の第２反射層と、を有する垂直共振器型発光ダイオードであって、第１反射層は、高屈折率のＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ膜と低屈折率のＡｌＡｓ膜とからなる半導体交互層を１対として、この対数を１１対以上、かつ、４１対以下に積層した構造を有し、第２反射層は、第１反射層と同じ高屈折率のＡｌ _０．４５ Ｇａ _０．５５ Ａｓ膜と低屈折率のＡｌＡｓ膜とからなる半導体交互層を１対として、この対数を、第１反射層の対数の１／１０以上、かつ、１／４以下に積層した構造を有していることを特徴とする。
上記構成によれば、光出射側の第２反射層の対数を、光反射側の第１反射層の対数の１／１０以上で１／４以下とすることにより、室温における発光出力が低下せず、かつ発光出力の温度依存性が改善される垂直共振器型発光ダイオードを実現することができる。

上記構成において、好ましくは、さらに、垂直共振器型半導体発光ダイオード表面を覆う保護膜を備えており、保護膜の厚さは、（ｎ_１／４）×（λ／ｍ_３）（ここで、ｎ_１：奇数、ｍ_３：保護膜の屈折率）となる光に対して透過率の高い膜である。
第１反射層の対数が、好ましくは、２０．５対以上、かつ、４０．５対以下である。
好ましくは、第１反射層の対数が２０．５対であり、第２反射層の対数が２．５対であり、垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．１４％／℃である。
第１反射層の対数が２０．５対であり、第２反射層の対数が５．５対であり、垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．２１％／℃であってもよい。
第１反射層の対数が４０．５対であり、第２反射層の対数が１０．５対であり、垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．２４％／℃であってもよい。この構成によれば、第１反射層の反射率が高くなり、高発光出力の垂直共振器型発光ダイオードとすることができる。

本発明によれば、光出射側の反射層の構造が単純で、かつ、発光出力の温度による変化の少ない高出力の垂直共振器型発光ダイオードを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明に係る垂直共振器型発光ダイオードの断面構造を示す図であり、図２は図１の平面図である。即ち、図２のＸ一Ｘ線に沿った断面図が図１である。図１に示すように、本発明の垂直共振器型発光ダイオード１は、ｎ型基板２と、光反射側であるｎ型の第１反射層３（以下、適宜第１反射層と呼ぶ）と、ｎ型クラッド層４と活性層５とｐ型クラッド層６とを含むダブルヘテロ接合７と、一部に開孔部を有する電流狭窄層８と、光出射側であるｐ型の第２反射層９（以下、適宜第２反射層と呼ぶ）と、その上部に設けられるｐ型電極層１０と、電極層１０を含む発光ダイオード表面を覆う保護膜１３と、を含み形成されている。第２反射層９は、ｐ型クラッド層上に電流狭窄層を有する場合、電流狭窄層８の開孔部と開孔部の上方及び開孔部を有する電流狭窄層８上とに、層状に形成されている。この電流狭窄層８の開孔部は、垂直共振器型発光ダイオード１の電流通路及び光の取り出し領域となる。電極層１０においては、電流狭窄層８と対抗した位置に形成されている。そして、基板２及び電極層１０には、それぞれ、電極１２，１３が形成されている。
ここで、電流狭窄層８は、ｎ型層又は故意には不純物を添加しない所謂、ノンドーブ層である。ノンドープ層は、ｉ（真性半導体）又はｎ^- のような半絶縁層や高抵抗層としてもよい。なお、基板をｎ型として説明したが、その反対導電型のｐ型基板でもよく、その場合には、上記各層の伝導型を基板に応じて変更すればよい。

発光部となるダブルヘテロ接合７中の活性層５は、量子井戸構造からなる活性層２２としてもよい。量子井戸構造からなる活性層２２は、禁制帯幅の異なる薄い半導体層を交互に積層して形成できる、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造とすることができる。この量子井戸構造を最適化すれば、図１に示した単一層からなる活性層５に対して、より高出力で、高速応答ができる垂直共振器型発光ダイオード１を実現することができる，

上記活性層５を挟んで、ブラッグ反射層である第１反射層３と第２反射層９が形成されている。この場合、図１のｙ方向における、第１反射層３と第２反射層９との間隔、すなわち、上記ダブルヘテロ接合７の厚さが、垂直共振器長Ｌ_res に相当する。この垂直共振器長Ｌ_res は、下記（１）式で与えられる。
Ｌ_res ＝（ｎ・λ）／（２・ｍ₀ ） （１）
ここで、ｎは任意の整数、λは垂直共振器型発光ダイオードの発光波長、ｍ₀ はダブルヘテロ接合層の平均屈折率である。

第１及び第２反射層３，９は、互いに相違する屈折率、すなわち、相対的に高い屈折率を有する層（以下、高屈折率膜と呼ぶ）と相対的に低い屈折率を有する層（以下、低屈折率膜と呼ぶ）を有している。この高屈折率膜の膜厚は、その屈折率をｍ₁ とすると、λ／（４・ｍ₁ ）とし、同様に、低屈折率膜の屈折率をｍ₂ とすると、その膜厚をλ／（４・ｍ₂ ）とすればよい。第１及び第２反射層３，９は、互いに屈折率が異なる半導体交互層を１対として、この対を多対積層することで、第１及び第２反射層３，９を形成している。

この場合、第１反射層３の反射率を上部にある光出射側の第２反射層９の反射率よりも高めることで、活性層５で発光した光を第２反射層９側から効率良く出射することができる。このためには、反射側である第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）を光出射側の第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）よりも多くすることで、活性層５で発光した光を第２反射層９側から出射することができる。

本発明の特徴は、光出射側、即ち第２反射層９の対数Ｐ₂ を、第１反射層３の対数Ｐ₁ に対して１／３以下、１／１０以上としたことである。つまり、１／１０≦Ｐ₂ ／Ｐ₁ ≦１／３とすることで、周囲温度による発光出力の変化が小さい垂直共振型発光ダイオードとすることができる。
ここで、第２反射層９の対数Ｐ₂ を、第１反射層３の対数Ｐ₁ に対して１／３以上とすると、周囲温度の上昇に伴い発光出力の低下が顕著になるので好ましくない。逆に、第２反射層９の対数Ｐ₂ を、第１反射層３の対数Ｐ₁ に対して１／１０以下とすると、共振器内で光の共振による増幅が十分に起こらないため、高い発光出力が得られないので好ましくない。

第１反射層３の反射率を向上させるためには、その対数を、１１対以上、かつ、４１対以下にすることが好ましい。この対数を１０．５対以下とすると、共振器内で光の共振による増幅を十分に生起できないために、高い発光出力と十分な指向性が得られないので好ましくない。逆に、４１．５対以上とすると、結晶成長の時間も長くなる上に、活性層５の発光により生じた熱の放熱が不十分となり、逆に発光出力の低下を引き起こしてしまうので好ましくない。
ここで、上記の対数で、整数ではない１０．５対などの表記は、高屈折率膜、低屈折率膜のどちらか一方が対となっていない状態で積層されていることを示している。例えば１０．５対とは、第１反射層３が、高屈折率膜及び低屈折率膜からなる対が１０対と、さらに、高屈折率膜又は低屈折率膜が１層積層された膜と、から構成されている。

第１及び第２反射層３，９において、高屈折率及び低屈折率の層の組合せとしては、高屈折率の層をＡｌ_r Ｇａ_1-r Ａｓ（ここで、ｒはＡｌ組成であり、０＜ｒ＜１である）、低屈折率の層をＡｌＡｓとからなる交互層が使用できる。このような交互に積層する第１及び第２反射層３，９を、Ａｌ_r Ｇａ_l-r Ａｓ／ＡｌＡｓとして示す。

高屈折率及び低屈折率の層の組み合わせとしては、低屈折率層のＡｌＡｓの代わりに、Ａｌ_s Ｇａ_1-s Ａｓ（ここで、ｓはＡ１組成であり、０＜ｓ＜１であり、ｓ＞ｒ）とし、高屈折率の層をＡｌ_r Ｇａ_1-r Ａｓとしてもよい。低屈折率層のＡｌ組成ｓを、０．４＜ｓ＜１とし、高屈折率層のＡｌ組成ｒを、０＜ｒ＜０．６とし、かつ、低屈折率層のＡｌ組成ｓと高屈折率層のＡｌ組成ｒとの関係を、ｓ≧ｒ＋０．４とすることで、高い反射率の膜を形成することができる。

さらに、ｎ型基板２と第１反射層３との間には、図示しないバッフア層を挿入してもよい。このバッフア層を挿入することにより、結晶性の高い第１反射層３を形成することができる。

垂直共振器型発光ダイオード１の表面を保護膜となる絶縁物１３で被覆してもよい。保護膜１３は、プラズマＣＶＤ法で、Ｓｉ系の酸化膜又は窒化膜などを堆積して形成することができる。この膜の厚さは、（ｎ₁ ／４）×（λ／ｍ₃ ）（ｎ₁ ：奇数、ｍ₃ ：酸化膜又は窒化膜の屈折率）とし、光に対して透過率の高い膜とすればよい。

以下、本発明の垂直共振器型発光ダイオード１の実施例について説明する。
実施例１の垂直共振器型発光ダイオード１は、図１に示す電流狭窄層を備えた構造を有している。
先ず、第１工程として、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ型ＧａＡｓ基板２上に第１回目のエピタキシャル成長層として、図示していないｎ型バッファ層、第１反射層３、ｎ型Ａｌ_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐから成る第１クラッド層４、ＩｎｘＧａ１−ｘＰを含む量子井戸層からなる活性層、ｐ−Ａｌ_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐから成る第２クラッド層６、ｎ型Ａｌ_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ電流狭窄層８を、順に成長させた。活性層７の発光波長は６５０ｎｍとし、共振器長は６５２ｎｍとなるようクラッド層４，６の厚みを設計した。この段階で、エピタキシャルウェハを取り出した。

第２の工程として、出射窓部を形成するパターニング工程を行い、出射窓部となる領域の電流狭窄層８を部分的に除去し、再洗浄工程を行った。
続いて、上記部分的に出射窓部が形成された電流狭窄層８上に埋込エピタキシャル成長を行った。この２回目の成長は、１回目の成長と同様、ＭＯＣＶＤ法を用いて、第２反射層９と、厚さが１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ電極層１０と、を順に成長させた。
その後、エピタキシャル成長面の表面へのＡｕ／ＡｕＳｂＺｎの２層から成る電極１３及び基板裏面へのＡｕＧｅＮｉ合金から成る電極１２を形成する工程と、保護膜の形成工程、ダイシング工程などを経て、垂直共振器型発光ダイオード１を製造した。

実施例１においては、第１及び第２反射層３，９は、何れも１対となる交互層を、高屈折率膜をＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ（４５ｎｍ）とし、低屈折率膜をＡｌＡｓ（５２．５ｎｍ）とし、この交互層を多対積層した構造とした。具体的には、第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）を２０．５対とし、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）を２．５対とした。この場合、第２反射層９の対数と第１反射層３の対数の比、つまり、Ｐ₂ ／Ｐ₁ は、１／１０である。
ここで、チップの大きさは、３２０μｍ×３２０μｍ程度であり、光の出射窓部１４の直径を８０μｍとした。

第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）を５．５対とした以外は、実施例１と同様にして、実施例２の垂直共振器型発光ダイオードを製造した。この場合、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）と第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）の比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）は、５．５／２０．５であり、１／４である。

（比較例１）
次に、比較例１について説明する。
第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）を１０．５対とした以外は、実施例１と同様にして、比較例１の垂直共振器型発光ダイオードを製造した。この場合、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）と第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）の比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）は、１０．５／２０．５であり、１／２である。
ここで表１は、実施例１及び２と比較例１の垂直共振器型発光ダイオードにおける第１反射層の対数（Ｐ₁ ）、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）、その第１反射層に対する比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）及び後述する発光出力の温度依存性（％／℃）を示す表である。

次に、実施例１及び２と比較例１の垂直共振器型発光ダイオードの発光特性について説明する。
図３は、実施例１及び２と比較例１における垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の周囲温度依存性を示す図である。図３において、横軸は周囲温度（℃）を示し、縦軸は２５℃の発光出力で規格化した規格化発光出力である。通電した電流は１０ｍＡである。発光出力は、実施例１及び２と比較例１の各垂直共振器型発光ダイオードをＴＯ−１８ステムにマウントして測定した。その発光出力は、垂直共振器型発光ダイオードに長さ１ｍのプラスチックファイバー（三菱レーヨン製、ＥｓｋａＭｅｇａ）に最近接させて光を伝送し、受光して測定した値である。−４０℃、−３０℃、０℃、２５℃、５０℃、８０℃、１００℃、１０５℃の各温度での発光出力は、各測定温度に設定し、１時間等温保持した後、垂直共振器型発光ダイオードに電流を通電して発光させた。このときの全発光波長強度を、パワーメーターを用いて測定した。なお、２５℃における実施例及び比較例における垂直共振器型発光ダイオードの発光強度が最大となる波長は、何れも６５２ｎｍであった。

図３から明らかなように、実施例１のＰ₂ ／Ｐ₁ を１／１０とした垂直共振器型発光ダイオード１の、２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は−０．１４％／℃であり、実施例２のＰ₂ ／Ｐ₁ を１／４とした垂直共振器型発光ダイオード１の上記温度依存性は−０．２１％／℃とであり、何れの場合も、温度上昇に伴う発光出力の低下が小さいことが分かった。

一方、比較例１のＰ₂ ／Ｐ₁ を１／２とした垂直共振器型発光ダイオードの２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は−０．６４％／℃と大きく、温度上昇に伴う発光出力の低下が著しいことが分かった。

上記実施例１及び２及び比較例１によれば、実施例１及び２の垂直共振器型発光ダイオードにおいては、第２反射層９の対数を第１反射層３の対数に対して、１／４以下とすることにより、発光出力の温度依存性が改善されることが分かり、周囲温度が上昇しても発光出力が低減し難い垂直共振器型発光ダイオード１が得られることが判明した。

次に、実施例３について説明する。
実施例３として、第１反射層３の対数（Ｐ_１）を４０．５対とし、第２反射層９の対数（Ｐ_２）を１０．５対とした以外は、実施例１と同様にして、実施例３の垂直共振器型発光ダイオードを製造した。この場合、第２反射層９の対数（Ｐ_２）と第１反射層３の対数（Ｐ_１）の比（Ｐ_２／Ｐ_１）は、１／４であり、実施例２の場合と同じ比率であるが、実施例１及び２に対して、第１反射層３の対数（Ｐ_１）を大きくした。

（比較例２）
次に、比較例２について説明する。
第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）を１０．５対とし、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）を２．５対とした以外は、実施例１と同様にして、比較例２の垂直共振器型発光ダイオードを製造した。この場合、第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）と第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）の比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）は、１／４であり、実施例２及び３の場合と同じ比率であるが、実施例２及び３に対して、第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）を小さくした。

実施例２及び３と比較例２の垂直共振器型発光ダイオードは、何れも第２反射層９の対数（Ｐ₂ ）と第１反射層３の対数（Ｐ₁ ）の比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）を、１／４とし、第１反射層３の対数を変化させた場合である。上記の実施例１と同じ測定方法で、順方向電流を２０ｍＡ流したときの発光出力及び順方向電流が１０ｍＡの場合における発光出力の温度依存性を測定した。表２は、実施例２及び３と比較例２の発光出力及び発光出力の温度依存性を示す表であり、第１及び第２反射層の対数と、その対数比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）も併せて示している。この対数比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）は、実施例２，３及び比較例２において、何れも１／４と同じ値である。

表２から明らかなように、実施例２及び３の第１反射層３の対数を２０．５対、４０．５対とした場合の発光出力は、それぞれ、１．７８ｍＷ、１．６３ｍＷであった。
一方、比較例２の第１反射層３の対数を１０．５対とした場合の発光出力は、１．２９ｍＷであり、実施例２及び３に比較して、著しく発光出力が低下することが判明した。

発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、実施例２及び実施例３において、それぞれ、−０．２１％／℃，−０．２４％／℃であった。
一方、比較例２の発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は−０．３１％／℃であり、実施例２及び３に比較して、高温の周囲温度において発光出力が低下することが分かった。
これから、対数比（Ｐ₂ ／Ｐ₁ ）を同じ１／４とした場合においても、実施例２及び３は比較例２と比べると、発光出力の温度依存性が小さくなり、高温の周囲温度における発光出力の低下が改善されることが判明した。

実施例２及び３と比較例２の垂直共振器型発光ダイオードの比較によれば、第１反射層３の対数を１１対以上とすることで、発光出力が大きくなり、さらに、発光出力の温度依存性も改善されることが分かった。表には示していないが、第１反射層３の対数が４０．５対以上では、上述したように、結晶成長の時間も長くなる上に、活性層５の発光により生じた熱の放熱が不十分となり、逆に発光出力の低下を引き起こしてしまうので発光出力が低下した。

本発明は、上記実施例に記載の垂直共振器型発光ダイオードに限定されることなく、発振波長や発光出力に応じて、第１及び第２反射層３，９の対数の比率は、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

本発明に係る垂直共振器型発光ダイオードの断面構造を示す図である。 図１の平面図である。 実施例１及び２と比較例１における垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の囲温度依存性を示す図である。

符号の説明

１：垂直共振器型発光ダイオード
２：ｎ型基板
３：ｎ型の第１反射層
４：ｎ型の第１クラッド層
５：活性層
６：ｐ型の第２クラッド層
７：ダブルヘテロ接合（発光部）
８：電流狭窄層
９：ｐ型の第２反射層
１０：電極層
１１：保護膜
１２，１３：電極層
１４：光の出射窓部
１５：ダイシング領域
１８：バッファ層
２２：量子井戸構造からなる活性層

Claims (6)

1. 発光層となる活性層と、該活性層を挟んで形成された光反射側の第１反射層及び光出射側の第２反射層と、を有する垂直共振器型発光ダイオードであって、
   上記第１反射層は、高屈折率のＡｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ膜と低屈折率のＡｌＡｓ膜とからなる半導体交互層を１対として、この対数を１１対以上、かつ、４１対以下に積層した構造を有し、
   上記第２反射層は、上記第１反射層と同じ高屈折率のＡｌ _０．４５ Ｇａ _０．５５ Ａｓ膜と低屈折率のＡｌＡｓ膜とからなる半導体交互層を１対として、この対数を、上記第１反射層の対数の１／１０以上、かつ、１／４以下に積層した構造を有していることを特徴とする、垂直共振器型発光ダイオード。
2. さらに、前記垂直共振器型発光ダイオード表面を覆う保護膜を備えており、
   上記保護膜の厚さは、（ｎ_１／４）×（λ／ｍ_３）（ここで、ｎ_１：奇数、ｍ_３：保護膜の屈折率）となる光に対して透過率の高い膜であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光ダイオード。
3. 前記第１反射層の対数が、２０．５対以上、かつ、４０．５対以下であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光ダイオード。
4. 前記第１反射層の対数が２０．５対であり、前記第２反射層の対数が２．５対であり、前記垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．１４％／℃であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光ダイオード。
5. 前記第１反射層の対数が２０．５対であり、前記第２反射層の対数が５．５対であり、前記垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．２１％／℃であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光ダイオード。
6. 前記第１反射層の対数が４０．５対であり、前記第２反射層の対数が１０．５対であり、前記垂直共振器型発光ダイオードの発光出力の２５℃に対する１０５℃における発光強度の減少割合は、−０．２４％／℃であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光ダイオード。

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