【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面発光型発光ダイオードの改良に関し、特に、その出力特性と応答特性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、パーソナルコンピュータにおける印刷データ伝送やＲＳ−２３２信号の伝送手段の一つとして、発光ダイオードから発生した赤外線を信号受信側機器であるプリンタ等に向かって射出することにより、空間を介して信号を伝送する空間光伝送が行われている。 このような空間光伝送によれば、パーソナルコンピュータ相互やパーソナルコンピュータと周辺機器とを接続するための接続配線が不要となる。 そのため、複雑に配設された接続配線によってオフィス内の作業性が損なわれることや断線による不具合の発生が抑制されると共に、ノート型パーソナルコンピュータ等のように携帯性が重要視される機器をプリンタ等へのデータ伝送が可能な状態で所望の場所に移動することや、パーソナルコンピュータおよび関連機器のレイアウト変更等が容易となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のような空間光伝送においては、高い伝達速度で長距離に信号を伝達できることが望まれる。 そのため、発光素子が十分に高い応答速度（遮断周波数）と十分に高い発光強度を有することが必要である。 しかしながら、従来から空間光伝送に用いられてきた発光ダイオードは、遮断周波数が10(MHz) 程度に過ぎず、そのため、伝送速度も10(M
Bps)程度と低いという問題があった。 ランプ用としてはそれよりも高い例えば30〜50(MHz) 程度の応答速度を有する発光ダイオードも用いられているが、これでも応答速度は十分とはいえない。 空間光伝送には、例えば100
(MHz)程度の更に高い応答速度が望まれるからである。
なお、レーザダイオードは高速応答性および高出力を有するが指向性が高いことから、発光素子と受光素子との厳密な位置合わせを不要としたい上記のような空間光伝送に用いる発光素子としては好ましくないのである。

【０００４】一般に、発光ダイオードの遮断周波数を向上させる場合には、発光層に拡散する不純物量を多くする（ドーピング濃度を高くする）ことや、発光層を薄くし或いは電流狭窄構造を形成して発光領域を狭くすることによってその発光層の電流密度を高めること等が行われている。 しかしながら、何れの方法においても発光出力の低下を招くことから、高い発光強度が望まれる空間光伝送用の発光ダイオードとしては不適切である。

【０００５】一方、図１(a),(b) に示されるような、In
GaAs系の量子井戸から成る発光層１０と、その発光層１
０を挟んで隣接して設けられ、発光層１０に近づくに従ってAlの混晶比が少なくなるように組成が傾斜させられたAlGaAs系の一対の傾斜（graded）層１２，１２とを備えた端面発光型発光ダイオード１４においては、500(MH
z)を越える応答速度が得られている。 例えば、IEEE PHO
TONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.4,NO.1,JANUARY 1992
の27〜28頁に記載されている歪量子井戸発光ダイオードがそれである。 なお、図１(b) において、横軸は化合物半導体の積層方向を、縦軸はAlおよびInの混晶比をそれぞれ示している。 このような構造によれば、上記組成の傾斜によってバンドギャップエネルギの傾斜が形成されるため、信号入力によって注入されたキャリアがその傾斜に沿って速やかに発光層１０に向かって移動させられることから、高い応答速度が得られると考えられるのである。

【０００６】しかしながら、上記のような端面発光型発光ダイオード１４は、数十 (μm)程度の小さい発光径を有することから光ファイバ通信用に適したものであり、
高出力が得られるといっても光ファイバ通信用の素子として十分に高い出力が得られるということに過ぎない。
これに対して、空間光伝送においては、前述のように光軸の厳密な位置合わせを不要とする目的で光が広く拡散することが望まれると共に、そのような拡散光によって長距離の信号伝送を可能とする目的で一層高い出力が望まれる。 そのため、空間光伝送用の発光素子としては、
上記文献に記載されているような端面発光型ではなく、
面発光型の発光ダイオードが好ましいが、上記構造を面発光型発光ダイオードに適用しても、上記文献に記載されている値と同程度の応答速度は得られるものの、空間光伝送に十分な高出力を得ることはできないのである。

【０００７】本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、高い応答速度と高い発光出力とを共に有する面発光型発光ダイオードを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、第１の元素を含む量子井戸から成る発光層と、その発光層を挟んで設けられ、その発光層に近づくに従って第２の元素の混晶比が少なくなるように組成が傾斜させられた一対の傾斜層とを含む複数の化合物半導体層が積層されて、その発光層で発生した光をその発光層に垂直な方向に取り出す形式の面発光型発光ダイオードであって、前記発光層と前記一対の傾斜層の一方および他方との間においてそれら発光層および一対の傾斜層の一方および他方にそれぞれ隣接して設けられ、前記第１の元素および前記第２の元素を含まない所定厚さの一対のスペーサ層を含むことにある。

【０００９】

【発明の効果】このようにすれば、発光層および一対の傾斜層との間に設けられて、それらに含まれている第１
の元素および第２の元素の何れをも含まない所定厚さのスペーサ層を含んで面発光型発光ダイオードが構成される。 そのため、発光層を挟んで傾斜層が設けられていることから、組成の傾斜に対応してバンドギャップエネルギの傾斜が形成されて、信号入力によって注入されたキャリアがその傾斜に沿って速やかに発光層に向かわせられるため、高い応答速度が得られる。 この場合において、発光層と傾斜層との間に第１の元素および第２の元素の何れをも含まないスペーサ層が両者に隣接するように設けられていることから、高い発光出力が得られる。
したがって、高い応答速度と高い発光出力とを共に有する面発光型発光ダイオードが得られるのである。

【００１０】すなわち、前記文献に記載されているように発光層の両側に隣接して傾斜層を設けると、応答速度は飛躍的に高められるが、発光出力はそれほど改善されない。 そこで、本発明者等が傾斜層を備えた発光ダイオードにおいて種々の構造を検討したところ、理由は明らかでないが、発光層に含まれる第１の元素と傾斜層に含まれる第２の元素（混晶比が傾斜させられている元素）
の何れをも含まないスペーサ層をそれらの間に所定の厚さで設けると、組成の傾斜によるキャリア移動速度の向上を大きく妨げることなく、発光出力が高められることが見出された。 本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

【００１１】

【発明の他の態様】ここで、好適には、前記発光層は、
前記第１の元素としてInを含むIn _x Ga _1-x As系化合物半導体から構成されるものであり、前記傾斜層は、前記第２の元素としてAlを含むAl _y Ga _1-y As系化合物半導体から構成されるものであり、前記スペーサ層はGaAsから成るものである。 このようにすれば、In _x Ga _1-x As系材料から成る歪量子井戸によって発光層が構成されるが、このとき、Al _y Ga _1-y As系材料から成る傾斜層がInおよび
Alを何れも含まないGaAsから成るスペーサ層によって発光層から隔てられていることから、Alを含む化合物半導体が発光層に隣接することによる発光効率の低下が抑制されて、高い発光出力が得られる。 これは、In _x Ga _1-x
As系材料とAl _y Ga _1-y As系材料との反応が抑制されて、
発光層中に非発光部が形成されることが抑制されるためと考えられる。

【００１２】また、好適には、前記所定厚さは、2 乃至
10(nm)、更に好適には4 乃至7 (nm)である。 このようにすれば、第２の元素を含む化合物半導体から成る傾斜層が、発光層との反応が生じ難くなる程度にその発光層から離隔させられると共に、応答速度が十分に高められる程度にその傾斜層が発光層に接近させられる。 そのため、応答速度および発光出力が一層高められた面発光型発光ダイオードが得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。 なお、以下の実施例において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。

【００１４】図２は、本発明の一実施例の面発光型発光ダイオード２０（以下、単に発光ダイオード２０という）の構成を示す図である。 図において、発光ダイオード２０は、例えば、よく知られたＭＯＣＶＤ（Metal Or
ganic Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学気相成長）法等のエピタキシャル成長技術によって、基板２
２上に順次結晶成長させられたバッファ層２４、第１クラッド層２６、第１グレーデッド層２８、第１スペーサ層３０、量子井戸層３２、第２スペーサ層３４、第２グレーデッド層３６、第２クラッド層３８、およびキャップ層４０と、基板２２の下面４６およびキャップ層４０
の上面にそれぞれ固着された下部電極４２および上部電極４４とから構成されている。

【００１５】上記基板２２は、例えば厚さが300(μm)程度で下面４６が350 ×350(μm)程度の大きさとされた直方体形状のn-GaAs単結晶から成る化合物半導体であり、
バッファ層２４は、例えば200 (nm)程度の厚さのn-GaAs
単結晶から成る化合物半導体である。 これら基板２２およびバッファ層２４には、ｎ型のドーパントである不純物として例えばSi或いはSeがドーピングされることにより、キャリア密度が1×10 ¹⁸ (cm ^-3 ) 程度にされている。 また、第１クラッド層２６は、例えば500 (nm)程度の厚さのn-Al _0.45 Ga _0.55 As単結晶から成る化合物半導体であり、同様にｎ型のドーパントがドーピングされることにより、キャリア密度が5 ×10 ¹⁷ (cm ^-3 ) 程度にされている。

【００１６】また、第１グレーデッド層２８は、例えば、80(nm)程度の厚さの un-Al _x Ga _{1- x} As単結晶から成る化合物半導体である。 この第１グレーデッド層２８の
Alの混晶比ｘは、図３に示されるように、第１クラッド層２６との界面においては0.6程度、すなわち第１クラッド層２６と同様に、第１スペーサ層３０との界面においては0 、すなわち下記の第１スペーサ層３０と同様にされており、第１クラッド層２６から第１スペーサ層３
０に向かうに従って直線的に少なくされている。 したがって、第１グレーデッド層２８は、第１スペーサ層３０
および量子井戸層３２に向かうに従って、バンドギャップエネルギが低くされている。

【００１７】また、第１スペーサ層３０は、例えば5 (n
m)程度の厚さのun-GaAs 単結晶から成る化合物半導体であり、量子井戸層３２は、例えば12.5(nm)程度の厚さの
un-In _0.17 Ga _0.83 As 単結晶から成る化合物半導体である。 したがって、量子井戸層３２は、第１スペーサ層３
０よりもバンドギャップエネルギが低くされている。 この量子井戸層３２の格子定数は、第１スペーサ層３０を構成するGaAsや第１グレーデッド層２８を構成するAlGa
Asよりも大きいことから、量子井戸層３２は厚み方向に二次元引張応力が作用した状態で積層されて歪量子井戸となっている。 そのため、この量子井戸層３２からの発光波長は、例えば930 〜960 (nm)程度である。

【００１８】また、第２スペーサ層３４は、第１スペーサ層３０と同様に、例えば5 (nm)程度の厚さのun-GaAs
単結晶から成る化合物半導体である。 また、第２グレーデッド層３６は、第１グレーデッド層２８と同様に、例えば、80(nm)程度の厚さの un-Al _x Ga _1-x As単結晶から成る化合物半導体であり、前記の図３に示されるように、その混晶比ｘは、0.6 から0 の範囲で第２スペーサ層３４に向かうに従って直線的に少なくされている。 したがって、第１グレーデッド層２８および第２グレーデッド層３６は、量子井戸層３２に近づくに従ってAlの混晶比が少なくなるように組成が傾斜させられている。

【００１９】なお、上記の図３は、各半導体層の混晶比およびグレーデッド層２８、３６における組成の傾斜を表すものであるが、各化合物半導体のバンドギャップエネルギはAlの混晶比が大きい程高く、Inの混晶比が大きい程低くなる傾向にあるため、同図はバンド構造に対応するものとなっている。 すなわち、発光ダイオード２０
には、歪量子井戸から成る量子井戸層３２（発光層）
と、その量子井戸層３２よりも十分にバンドギャップエネルギが高くされたスペーサ層３０，３４と、クラッド層２６，３８側から量子井戸層３２に近づくに従ってバンドギャップエネルギが低くされて、スペーサ層３０，
３４との界面においてそのスペーサ層３０，３４と同様なバンドギャップエネルギとなるように組成が傾斜させられたグレーデッド層２８，３６とが備えられている。
グレーデッド層２８，３６は、量子井戸層３２に近づくに従ってバンドギャップエネルギが低くなるように組成が傾斜させられているのである。

【００２０】なお、第１グレーデッド層２８乃至第２グレーデッド層３６の各半導体層には、不純物が何らドーピングされていない。 本実施例においては、上記の量子井戸層３２が発光層に、第１グレーデッド層２８および第２グレーデッド層３６が一対の傾斜層に、第１スペーサ層３０および第２スペーサ層３４が一対のスペーサ層にそれぞれ相当し、量子井戸層３２に含まれるInが第１
の元素に、第１グレーデッド層２８および第２グレーデッド層３６に含まれるAlが第２の元素にそれぞれ対応する。

【００２１】また、前記第２クラッド層３８は、例えば、80(nm)程度の厚さのp-Al _0.45 Ga _{0. 55} As単結晶から成る化合物半導体であり、キャップ層４０は、例えば、0.
1(μm)程度の厚さのp-GaAs単結晶から成る化合物半導体である。 第２クラッド層３８には、ｐ型のドーパントである不純物として例えばZnまたはC がドーピングされることにより、キャップ層４０には、ｐ型のドーパントである不純物として例えばZnがドーピングされることにより、それぞれキャリア濃度が5 ×10 ¹⁷ (cm ^-3 ) 程度、1
×10 ¹⁹ (cm ^-3 ) 程度にされている。 なお、バッファ層２
４乃至キャップ層４０は、例えば100 ×100(μm)程度の面積で基板２２の中央の一部に積層されている。

【００２２】また、前記下部電極４２は、例えば1(μm)
程度の厚さであって、例えば基板２２の下面４６の周縁部にその基板２２側から順にAu−Ge合金、NiおよびAuが積層形成されたものである。 なお、基板２２上に積層されたバッファ層２４乃至キャップ層４０の直下には、下部電極４２が設けられていない。 また、上部電極４４
は、キャップ層４０の上面中央部にそのキャップ層４０
側から順にAu−Zn合金およびAuが積層形成されたものである。 これら下部電極４２および上部電極４４は、何れもオーミック電極である。

【００２３】以上のように構成される発光ダイオード２
０は、下部電極４２および上部電極４４間に通電されると、量子井戸層３２が発光させられ、その光が基板２２
の下面４６側から取り出される。 このとき、前述のように量子井戸層３２には厚み方向に二次元引張応力が与えられていることから、その歪の方向であるその量子井戸層３２に垂直な方向に強い光が取り出されることとなるが、量子井戸層３２の発光波長は前述のように930 〜96
0 (nm)程度であるため、基板２２がその発光波長に対して透明となって、その下面４６側から光を取り出すことができるのである。

【００２４】図４は、上記のように構成された発光ダイオード２０において、スペーサ層３０，３４の厚さを異なるものとした場合の遮断周波数と発光出力との関係を示すものである。 この遮断周波数は応答速度に対応する。 なお、発光出力は順方向電流に応じて変化することから、スペーサ層３０，３４の厚さが5 (nm)のときの値を1 とした相対値で表している。 実際の発光出力は、例えばその厚さが5 (nm)の場合には、順方向電流を50(mA)
としたときに8 (mW)程度である。 図から明らかなように、スペーサ層３０，３４の厚さが厚くなるに従って遮断周波数が低くなり、且つ発光出力が高くなる傾向を示すが、グレーデッド層２８，３６と量子井戸層３２との間にスペーサ層３０，３４を設けることにより、比較的高い応答速度を保ちつつ、発光出力を高めることが可能である。 この効果は、図に示されるスペーサ層３０，３
４の厚さが2 〜10(nm)の全範囲で得ることができるが、
特に、7 (nm)程度以下の範囲では、100(MHz)以上の高い応答速度が得られ、4 (nm)程度以上の範囲では極めて高い発光出力（例えば順方向電流50[mA]で8 [mW]程度）が得られる。 このため、例えば4 〜7 (nm)の範囲においては、高い応答速度と高い発光出力とを共に得ることができ、特に5 (nm)程度において最も高い発光出力が得られる。

【００２５】要するに、本実施例においては、発光層として機能する量子井戸層３２および一対のグレーデッド層２８，３６との間に設けられて、それらに含まれているInおよびAlの何れをも含まない例えば5 (nm)程度の厚さのスペーサ層３０，３４を含んで発光ダイオード２０
が構成される。 そのため、量子井戸層３２を挟んでグレーデッド層２８，３６が設けられていることから、図３
に示されるように組成の傾斜に対応してバンドギャップエネルギの傾斜が形成されて、信号入力によって注入されたキャリアがその傾斜に沿って速やかに量子井戸層３
２に向かわせられるため、高い応答速度が得られる。 この場合において、量子井戸層３２とグレーデッド層２
８，３６との間にInおよびAlの何れをも含まないスペーサ層３０，３４が両者に隣接するように設けられていることから、高い発光出力が得られる。 したがって、高い応答速度と高い発光出力とを共に有する面発光型発光ダイオード２０が得られるのである。

【００２６】しかも、本実施例においては、前記量子井戸層３２は、Inを含むIn _x Ga _1-x As系化合物半導体から構成されるものであり、前記グレーデッド層２８，３６
は、Alを含むAl _y Ga _1-y As系化合物半導体から構成されるものであり、前記スペーサ層３０，３４はGaAsから成るものである。 このようにすれば、In _x Ga _1-x As系材料から成る歪量子井戸によって発光層（量子井戸層３２）
が構成されるが、このとき、Al _y Ga _1-y As系材料から成るグレーデッド層２８，３６がInおよびAlを何れも含まないGaAsから成るスペーサ層３０，３４によって量子井戸層３２から隔てられていることから、Alを含む化合物半導体が量子井戸層３２に隣接することによる発光効率の低下が抑制されて、高い発光出力が得られる。

【００２７】また、本実施例においては、スペーサ層３
０，３４の厚さは、2 乃至10(nm)程度、更に好適には4
乃至7 (nm)程度、一層好適には5 (nm)程度とされる。 このようにすれば、Alを含む化合物半導体から成るグレーデッド層２８，３６が、量子井戸層３２との反応が生じ難くなる程度にその量子井戸層３２から離隔させられると共に、応答速度が十分に高められる程度にそのグレーデッド層２８，３６がその量子井戸層３２に接近させられる。 そのため、応答速度および発光出力が一層高められた面発光型発光ダイオード２０が得られる。

【００２８】図５は、本発明の他の実施例の組成を示す図であって、図３に対応する図である。 本実施例においては、スペーサ層３０，３４の間に、バリア層４８，４
８が間に設けられた３つの量子井戸層３２が備えられている。 このバリア層４８は、例えば厚さが2 (nm)程度の
un-GaAs 単結晶から成るものであり、量子井戸層３２
は、例えば、厚さが80(nm)程度のIn _0.2 Ga _0.8 As単結晶から成るものである。 このようにしても、前述の実施例と同様にグレーデッド層２８，３６と量子井戸層３２との間にスペーサ層３０，３４が備えられていることから、
高い応答速度と高い発光出力とを共に有する発光ダイオードが得られる。 すなわち、発光層は単一の量子井戸層３２から構成される他、複数の量子井戸層３２から成る多重量子井戸によって構成されてもよい。

【００２９】以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施される。

【００３０】例えば、実施例においては、Al _x Ga _1-x As
単結晶からグレーデッド層２８，３６が構成されていたが、グレーデッド層２８，３６は他の化合物半導体、例えば、GaAs _1-x P _xから構成されてもよい。

【００３１】また、実施例においては、GaAs単結晶からスペーサ層３０，３４を構成したが、Alを含まない化合物半導体であれば、他の化合物半導体を用いてもよい。
但し、グレーデッド層２８，３６との間の格子不整合を可及的に小さくすることが好ましいことから、実施例のようにグレーデッド層２８，３６がAl _x Ga _1-x Asから構成される場合には、例えば、GaAs _0.95 P _0.05等のP の混晶比の小さい化合物半導体を用いることが好ましい。

【００３２】また、実施例においては、厚さが12.5(nm)
程度で混晶比ｘが0.17或いは0.2 のIn _x Ga _1-x As単結晶から量子井戸層３２が構成されていたが、その混晶比や厚さは目的とする発光波長に応じて適宜変更される。 また、更に他の元素が含まれたInGaAs系単結晶から量子井戸層３２を構成してもよい。

【００３３】また、実施例においては、基板２２の下面（裏面）４６から光を取り出すように構成されていたが、反対にキャップ層４０側から取り出すように構成しても差し支えない。

【００３４】その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の端面発光型発光ダイオードを説明する図であって、(a) は斜視図を、(b) は各半導体層の組成を説明する図である。

【図２】本発明の一実施例の面発光型発光ダイオードの構成を説明する図である。

【図３】図２の発光ダイオードの各半導体層の組成を説明する図である。

【図４】図２の発光ダイオードにおいて、スペーサ層の厚さと特性との関係を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例において各半導体層の組成を説明する図２に対応する図である。

【符号の説明】

２０：面発光型発光ダイオード ｛２８：第１グレーデッド層，３６：第２グレーデッド層｝（一対の傾斜層） ｛３０：第１スペーサ層，３４：第２スペーサ層｝（一対のスペーサ層） ３２：量子井戸層（発光層）

フロントページの続き (72)発明者 ジェー・ウッドヘッド イギリス国 シェフィールド エス１ ３ ジェー・ディー マッピン・ストリート （番地なし） ザ・ユニバーシティー・オ ブ・シェフィールド内 (72)発明者 ピー・エヌ・ロブソン イギリス国 シェフィールド エス１ ３ ジェー・ディー マッピン・ストリート （番地なし） ザ・ユニバーシティー・オ ブ・シェフィールド内 (72)発明者 ティー・イー・セール 神奈川県厚木市森の里若宮３−１ 日本電 信電話株式会社光エレクトロニクス研究所 内 (72)発明者 廣谷 真澄 愛知県東海市加木屋町南鹿持１−６