(57)【要約】【課題】共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）において、耐湿性の保護膜を形成しつつ発光特性を劣化させないこと、及び、発光強度を落すことなく発光ピークの半値幅を大幅に減少させること。【解決手段】半導体材料からなる分布反射型ミラー２、６を発光層４の両側に有する共振器型発光ダイオードにおいて、絶縁材料から成る保護膜７を発っせられた光のその内部での波長の１／２の整数倍の膜厚とする。膜厚を最適化することで発光強度や発光スペクトルの半値幅を劣化させないことが可能となる。或いは、保護膜７を２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラー７で構成する。分布反射型ミラー７を構成する２層は酸化ケイ素及び窒化ケイ素とすることで、耐湿性に優れた保護膜とすることができる。分布反射型ミラー（ＤＢＲ）７は電極間の外側に配置することができることから、所望しない電圧降下を生ずることがない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなる分布反射型ミラーを発光層の両側に有し、絶縁材料から成る耐湿性保護膜を有し、当該耐湿性保護膜の膜厚は、発っせられた光のその内部での波長の１／２の整数倍の膜厚であることを特徴とする共振器型発光ダイオード。
【請求項２】
前記絶縁材料は、窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１に記載の共振器型発光ダイオード。
【請求項３】
半導体材料からなる分布反射型ミラーを発光層の両側に有し、更に２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラーを有する共振器型発光ダイオード。
【請求項４】
前記２種の絶縁材料は、酸化ケイ素及び窒化ケイ素であることを特徴とする請求項３に記載の共振器型発光ダイオード。
【請求項５】
前記２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラーは、発光ダイオードを湿度から守る保護膜であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の共振器型発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多重反射層を有した発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する。本発明により、半値幅の狭く、ピーク強度の大きい共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）を得ることができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発光ダイオード（ＬＥＤ）は半値幅が大きく、半値幅の狭い発光素子としてはレーザダイオード（ＬＤ）が必要であった。現在市販されているＬＥＤは、赤色乃至近赤外の発光ピークに対し半値幅が５０ｎｍ程度のものがほとんどで、１０ｎｍを切るものは市販されていない。半値幅が１０ｎｍ未満の発光素子が必要な場合はレーザダイオード（ＬＤ）を用いている。ところで、ＶＣＳＥＬと称される共振器型面発光レーザダイオードや類似の構成のＬＥＤである共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）が有る。共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）はＬＤとＬＥＤの中間的な存在として注目されている（非特許文献１）。
【０００３】
【非特許文献１】
高岡圭児ら、信学技報２０００−１２８、ｐ．５１
【０００４】
共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）は、発光層、クラッド層を挟んで、ｐ電極側及びｎ電極側にそれぞれ配置された、２種の半導体材料を積層した分布反射型ミラー（ＤＢＲ）を有するものである。分布反射型ミラー（ＤＢＲ）は、発光の真空中での波長をλとすると、各層の膜厚を、その屈折率をｎとしてλ／（４ｎ）とし、２種の半導体材料のペアを組ませて多重に積層することで発光層を中心とした共振器を形成する。この共振器に適応した発光波長が強度が強くなり、他の波長の強度が弱くなるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
分布反射型ミラー（ＤＢＲ）の２種の半導体材料のペア数を多くすれば共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の発光ピークの半値幅は減少していくが、トレードオフとして、発光強度が急激に弱くなるという問題があった。図７はＡｌＧａＡｓ系の共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）のピーク強度と半値幅について、ｐ−電極側の分布反射型ミラー（ＤＢＲ）の半導体材料のペア数を、５ペア、１０ペア、１５ペアとしたものである。１０ペアで半値幅（折れ線グラフ）が５．２ｎｍなのに対し１５ペアでは４．５ｎｍと半値幅の改善があまり無いにもかかわらず、発光強度（棒グラフ）は半分以下に落ち込んでいる。
【０００６】
本発明は共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）において、耐湿性の保護膜を形成しつつ発光特性を劣化させないことを目的とする。また、同じく共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）において、発光強度を落すことなく発光ピークの半値幅を大幅に減少させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体材料からなる分布反射型ミラーを発光層の両側に有し、絶縁材料から成る耐湿性保護膜を有し、当該耐湿性保護膜の膜厚は、発っせられた光のその内部での波長の１／２の整数倍の膜厚であることを特徴とする共振器型発光ダイオードである。また請求項２に係る発明は、絶縁材料は、窒化ケイ素であることを特徴とする。
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項３に係る発明は、半導体材料からなる分布反射型ミラーを発光層の両側に有し、更に２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラーを有する共振器型発光ダイオードである。
また、請求項４に記載の発明は、２種の絶縁材料は、酸化ケイ素及び窒化ケイ素であることを特徴とする。ここで「酸化ケイ素」、「窒化ケイ素」のＳｉとＯのモル比、ＳｉとＮのモル比は何ら限定されないものとする。また、請求項５に記載の発明は、２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラーは、発光ダイオードを湿度から守る保護膜であることを特徴とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】
ＬＥＤにおいて絶縁膜は保護膜としての役割を果たすものであるが、以下に示す通り、本願発明者はその膜厚を最適化することで発光強度や発光スペクトルの半値幅を劣化させることのないように構成することが可能であることを見出した。更に、絶縁膜を２種の材料からなる層の積層として、分布反射型ミラー（ＤＢＲ）としての役割を付加させる。これにより、共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）として発光層を挟んでｐ電極側及びｎ電極側にそれぞれ配置された半導体材料からなる分布反射型ミラー（ＤＢＲ）の効果との相乗効果により、発光強度を落すことなく発光ピークの半値幅を大幅に減少させることができる。また、半導体材料からなる分布反射型ミラー（ＤＢＲ）が電極間に存在するのに対し、本願発明の２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラー（ＤＢＲ）は電極間の外側に配置することができることから、所望しない電圧降下を生ずることがない。
【００１０】
２種の絶縁材料は、酸化ケイ素及び窒化ケイ素により構成すると良い。窒化ケイ素は耐湿性にも優れているので、共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の保護膜としての効果を十分果たすことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、通常の共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）を基礎としているので、当該周知の共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の設計事項を全て適用できる。即ち、２つのＤＢＲにはさまれた部分においては光がその部分において１波長、あるいは半波長の整数倍を形成すべき厚さとすべきこと、各ＤＢＲにおいては構成する各単層は光がその部分において１／４波長あるいはその奇数倍を形成すべきことを前提に、任意の半導体材料を用いて屈折率に応じて膜厚、積層数を設計すれば良い。本発明の要部たる２種の絶縁材料を積層した分布反射型ミラーについても、構成する各単層は光がその部分において１／４波長あるいはその奇数倍を形成すべきことを前提に、任意の絶縁材料を用いて屈折率に応じて膜厚、積層数を設計すれば良い。酸化ケイ素及び窒化ケイ素を用いる場合、ストイキオメトリックに各層を形成しても良く、またケイ素を過剰又は不足となるよう形成しても良く、それに合わせて変化する屈折率を考慮して膜厚、積層数を設計すれば良い。
【００１２】
〔実施例〕
図１は本発明の具体的な各実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）１００、２００の要部の構成の概略を示す断面図である。共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の要部１００は８５０ｎｍの波長を発する発光層４を有するものであって表面にｎ−ＧａＡｓバッファを形成したｎ−ＧａＡｓ基板１に、膜厚５６．８ｎｍのｎ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層２１と、膜厚６４．８ｎｍのｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層２２との組を２５ペア積層したｎ−ＤＢＲ２と、膜厚５８ｎｍのｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ及び膜厚５０ｎｍのｉ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるｎクラッド層３と、発光層４と、膜厚５０ｎｍのｉ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ及び膜厚５８ｎｍのｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなるｐクラッド層５と、膜厚５６．８ｎｍのｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層６１と、膜厚６４．８ｎｍのｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層６２との組を１０ペア積層したｐ−ＤＢＲ６と、ＳｉＮＸからなる保護膜７とを順に形成したものである。尚、図１においては要部としたため、ｎ型基板１裏面のｎ電極、ｎ型基板１とｎ−ＤＢＲ２の間のｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｐ−ＤＢＲ６上部のｐ−ＧａＡｓコンタクト層及びｐ電極は省略した。
【００１３】
共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の２００の要部の構成は、９００ｎｍの波長を発する発光層４を有し、ｎ−ＤＢＲ２、ｐ−ＤＢＲ６を構成する層の膜厚を、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層（２１、６１）は６０．３ｎｍ、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（２２、６２）は６８．７ｎｍとしてペア数をｎ側３２、ｐ側５とし、保護膜７をＳｉＯｘ層７１とＳｉＮＸ層７２を１組又は２組とした他は同一である。ＳｉＯｘ層７１とＳｉＮＸ層７２の膜厚は、発っせられる光がその各々の内部を通過する際の波長の１／４となるように設計した。
【００１４】
〔第１実施例〕
上記構成の要部を有する共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）１００を図２（ａ）のように構成した。即ち、素子中央部にＳｉＮＸからなる保護膜７の無いｐ−ＤＢＲ６上のｐ−ＧａＡｓコンタクト層の露出した領域を形成して電極６０を設け、ｎ−ＧａＡｓ基板１裏面に電極１０を設けた。保護膜７の形成面積が大きく、電極パッド形成部分ＥＰは光を透過しない電極パッドを用いたので、発光領域（ＬＡ）は保護膜７を形成した部分である。ここにおいて、ＳｉＮＸからなる保護膜７の膜厚について、その内部における発光層４の発する光の波長の１／４倍、１／２倍、３／４倍、１倍となるよう各々共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）１００を形成して、発光特性を調べた。また、比較のため、ＳｉＮＸからなる保護膜７を設けない他は同様の構成とした共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）についても同様に発光特性を調べた。その結果を図３に示す。棒グラフが発光強度を示し、折れ線グラフが半値幅を示す。ＳｉＮＸからなる保護膜７の膜厚について、その内部での光の波長の１／４倍、３／４倍の場合には半値幅が９ｎｍ前後、発光強度は６（任意単位）以下で、保護膜７を設けない場合の半値幅５．４ｎｍ、発光強度６．４（任意単位）よりも劣化することが分かった。一方、ＳｉＮＸからなる保護膜７の膜厚について、その内部での光の波長の１／２倍、１倍の場合には半値幅が５．６ｎｍ、５．７ｎｍ、発光強度は６．６、６．７（任意単位）で、保護膜７を設けない場合の半値幅５．４ｎｍ、発光強度６．４（任意単位）よりも劣化しないことが分かった。このように、共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）において保護膜を形成する際、その膜厚を内部での光の波長の１／２の整数倍とすることで、保護膜を設けない場合の発光特性を劣化させないことが分かった。保護膜として耐湿性に優れた窒化珪素、酸化珪素を用いる際、この設計手法は極めて有用である。
【００１５】
〔第２実施例〕
上記構成の要部を有する共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）２００を図２（ｂ）のように構成した。即ち、素子中央部に発光領域（ＬＡ）を形成し、電極パッド形成部分ＥＰを素子外周部とするため、発光領域（ＬＡ）のクラッド層３より上層をエッチングにより外周部と遮断して絶縁膜８を形成し、発光領域（ＬＡ）周縁にｐ電極６０が接するようにした上、ＳｉＯｘ層７１とＳｉＮＸ層７２を１組又は２組積層した保護膜７を電極パッド形成部分ＥＰ以外に一様に形成した。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１裏面に電極１０を設けた。こうして発光特性を調べた。また、比較のため、保護膜７をその内部での光の波長と同等膜厚のＳｉＮＸ層のみとした場合、及び保護膜７を設けない場合についても発光特性を調べた。この結果を図４、図５に示す。棒グラフが発光強度を示し、折れ線グラフが半値幅を示す。図４に示す通り、保護膜７において、ＳｉＯＸ層７１とＳｉＮＸ層７２のペアを１ペアとした場合は、ピーク強度（任意単位）は７．９、半値幅は６．１ｎｍであった。これは保護膜７を形成しない場合のピーク強度（任意単位）６．３、半値幅８．２ｎｍと比較し、大幅な特性向上を示すものである。更に、保護膜７において、ＳｉＯＸ層７１とＳｉＮＸ層７２のペアを２ペアとした場合はピーク強度（任意単位）は８．９、半値幅は５．０ｎｍと、さらなる特性向上が得られた。尚、保護膜７を１層のＳｉＮＸ層とした場合は図５のように保護膜７が無い場合と発光特性に変化は無かった。
【００１６】
図６に本実施例の共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）２００の発光スペクトルを示す。保護膜７が無いか１層のＳｉＮＸ層とした場合はほとんど同一であって図６の点線で示したスペクトルである。保護膜７をＳｉＯＸ層７１とＳｉＮＸ層７２のペアとした場合は破線で、ＳｉＯＸ層７１とＳｉＮＸ層７２のペアを２ペアとした場合は実線で示した。図６のように、保護膜７がＤＢＲの役割を果たす場合、その積層が増えるにつれ、発光のピーク以外の成分の強度が抑制されること、即ち発光色の純度が向上することが理解できる。
【００１７】
図６の結果は、ＳｉＯＸ層７１とＳｉＮＸ層７２における屈折率が１．４６と１．９９であって屈折率差が大きい為と考えられる。即ち、例えばｐ−ＤＢＲ６を構成するＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層６１とｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層６２の屈折率は３．０３と３．４５であり、屈折率差を有効屈折率で除すると０．１３程度なのに対し、保護膜７については屈折率差を有効屈折率で除すると０．３程度と倍以上あるからである。ＤＢＲについては屈折率差を有効屈折率で除した値に、反射率の高い波長帯域幅がほぼ比例することが証左となる。
【００１８】
このように本発明により、まず共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の発光特性を劣化させないように保護膜の膜厚を設計することが可能となった。更に、保護膜にＤＢＲとしての機能を加えることで、発光強度が増加し、半値幅が減少し、且つ発光色の純度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の構成の概略を示す断面図。
【図２】（ａ）は本発明の具体的な第１の実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）１００の構成を示す断面図、（ｂ）は本発明の具体的な第２の実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）２００の構成を示す断面図。
【図３】第１の実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）１００の発光特性を比較例と共に示すグラフ図。
【図４】第２の実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）２００の発光特性を比較例と共に示すグラフ図。
【図５】比較例の発光特性を示すグラフ図。
【図６】第２の実施例に係る共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）２００のスペクトルを比較例と共に示すグラフ図。
【図７】従来の共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）の発光特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
１００、２００  共振器型発光ダイオード（ＲＣ−ＬＥＤ）
２  ｎ−ＤＢＲ
６  ｐ−ＤＢＲ
７  保護膜（単層又はＤＢＲ）
７１  ＳｉＯｘ層
７２  ＳｉＮｘ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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