JP2000299493A5

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Publication number: JP2000299493A5
Application number: JP1999107866A
Authority: JP
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2004-07-08

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの半導体面発光素子の改良に関する。

【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、量子井戸から構成される発光層では、温度に応じてその発光スペクトルのピーク波長が変化する性質がある。このため、温度変化が大きい場合には、光共振器の共振波長が上記発光スペクトルの利得幅から外れて、所望の発光波長が得られる使用温度範囲が制限される場合があった。これに対し、相互にバンドギャップの異なる発光層すなわち発光波長の異なる発光層を光共振器内に複数設けた半導体面発光素子が提案されている。たとえば、特開平１０−２７９４５号公報に記載されたものがそれである。これによれば、温度上昇に対して一定の利得を得ることができるので、安定した素子特性を高い温度においても実現できる。

【００１５】
上記第１バリア層１６乃至第４バリア層２８は、何れも例えばｉ−（Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３）_０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から成る化合物半導体であり、第１活性層１８、第２活性層２２、第３活性層２６を厚み方向において挟むようにして配置されている。各層の厚さは、第１バリア層１６および第４バリア層２８が、それぞれ４５（ｎｍ）程度に、第２バリア層２０および第３バリア層２４が、それぞれ９０（ｎｍ）程度とされている。したがって、３つの活性層１８、２２、２６相互の間隔ｄ_１２、ｄ_２３は、何れも９０（ｎｍ）程度にされている。これらの間隔ｄ_１２、ｄ_２３は、後述の光共振器の共振波長の１／２波長程度の値である。

【００１６】
また、第１バリア層１６乃至第４バリア層２８により厚み方向に挟まれた第１活性層１８乃至第３活性層２６（以下、纏めて活性層１８、２２、２６という）は、何れも例えばｉ−Ｇａ_０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から成る化合物半導体によって構成された所謂量子井戸である。すなわち、各活性層の厚さは、不連続のエネルギー準位をもった量子井戸構造となるように、例えば第１活性層１８が６．８（ｎｍ）程度、第２活性層２２が４．９（ｎｍ）程度、第３活性層２６が３．８（ｎｍ）程度とされ、十分に電子波の波長１００（ｎｍ）以下にそれぞれ設定されている。そのため、活性層１８、２２、２６の発光スペクトルの常温におけるピーク波長は、常温（１０℃）においてそれぞれ６３６（ｎｍ）程度、６２７（ｎｍ）程度、６１９（ｎｍ）程度である。本実施例においては、活性層１８、２２、２６が量子井戸から成る発光層を構成している。

【００２４】
ここで、本実施例の発光ダイオード１０において、前述のように、活性層１８、２２、２６は相互に同じ化合物半導体ｉ−Ｇａ_０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から構成されるとともに、それらの厚みが６．８（ｎｍ）、４．９（ｎｍ）、３．８（ｎｍ）程度とされて、それらの発光スペクトルＬ_１８、Ｌ_２２、Ｌ_２６のピーク波長が常温（１０℃）においてそれぞれ６３６（ｎｍ）程度、６２７（ｎｍ）程度、６１９（ｎｍ）程度と順次異なるようにされている。すなわち、発光ダイオード１０の最高使用温度Ｔ_ｍａｘにおいて活性層２６の発光スペクトルＬ _２６のピーク波長が前記光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられ、発光ダイオード１０の最低使用温度Ｔ_ｍｉｎにおいて活性層１８の発光スペクトルＬ _１８のピーク波長が光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられるように、活性層１８、２２、２６の常温のピーク波長がそれらの厚みを調整することにより設定されているのである。

【００２５】
上記最高使用温度Ｔ_ｍａｘは、性能を維持或いは保証するために予め設定された上限値であって、使用環境温度Ｔ_ａで言えばその最高値たとえば１０５℃、発光ダイオード１０のチップ内のジャンクション温度Ｔ_ｊで言えばその最高値たとえば１２０℃である。また、上記最低使用温度Ｔ_ｍｉｎも、性能を維持或いは保証するために予め設定された下限値であって、最高使用環境温度Ｔ_ａで言えばその最低値はたとえば−４０℃、発光ダイオード１０のチップ内のジャンクション温度Ｔ_ｊで言えばその最低値たとえば−２５℃である。量子井戸構造の活性層１８、２２、２６の発光波長λの温度シフト∂λ／∂Ｔは数式１に示す偏微分方程式により表されるように、その発光波長λは発光ダイオード１０の使用温度と共に上昇する性質があり、活性層１８、２２、２６が化合物半導体ｉ−Ｇａ_０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から成る場合の発光波長の温度変化率∂λ／∂Ｔ_ｊは、数式１から０．１２ｎｍ／℃となる。このため、活性層１８、２２、２６のうちピーク波長が最短波長である活性層２６の発光スペクトルＬ _２６のピーク波長は、その常温値（６１９ｎｍ）から最高使用温度Ｔ_ｍａｘとなると６３０ｎｍに増加させられて、図３に示すように前記光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられるのである。また、活性層１８、２２、２６のうちピーク波長が最長波長である活性層１８の発光スペクトルＬ _１８のピーク波長は、その常温値（６３６ｎｍ）から最低使用温度Ｔ_ｍｉｎとなると６３０ｎｍに減少させられて、図４に示すように前記光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられるのである。なお、数式１において、ｈはプランク定数、ｃは光速、Ｅ_ｇは量子井戸材料のバンドギャップである。

【００２７】
上述のように、本実施例によれば、ピーク波長が順次異なる複数の活性層１８、２２、２６のうちの発光スペクトルのピーク波長が最短波長である活性層２６が、予め設定された最高使用温度Ｔ_ｍａｘにおいてそのピーク波長が前記光共振器の光共振波長（６３０ｎｍ）と略一致するように構成され、また、複数の活性層１８、２２、２６のうち発光スペクトルのピーク波長が最長波長である活性層１８が、予め設定された最低使用温度Ｔ_ｍｉｎにおいてそのピーク波長が前記光共振器の光共振波長と略一致するように構成されていることから、使用温度範囲内のいずれの温度においても出力光の利得幅が十分に得られ、使用温度範囲内において安定した光出力が得られるようになる。

【００２８】
また、本実施例によれば、複数の活性層１８、２２、２６は、相互に共通の化合物半導体ｉ−Ｇａ_０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から構成され、且つ相互に異なる厚みを備えることにより、異なるピーク波長とされたものであるので、活性層１８、２２、２６の成長工程において厚みに対応する成長時間の制御が行われることにより、容易に発光波長の順次異なるように形成される利点がある。

【００３２】
例えば、前述の実施例において、複数の活性層１８、２２、２６は、相互に共通の化合物半導体ｉ−Ｇａ _０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐ単結晶から構成され、且つ相互に異なる厚みを備えることにより、順次異なるピーク波長とされたものであるけれども、相互に共通の厚みを備え、且つ相互に混晶比が異なる化合物半導体から構成されることにより順次異なるピーク波長とされてもよい。このようにすれば、活性層１８、２２、２６の成長工程において混晶比を調節するための弁の開閉が行われることにより、容易に発光波長の異なる複数の活性層１８、２２、２６が形成される利点がある。

【００３５】
また、実施例においては、活性層１８等がＧａ _０．５２Ｉｎ _０．４８Ｐから構成されたＧａＩｎＰ系の発光ダイオード１０に本発明が適用された場合について説明したが、各半導体層がＡｌＧａＡｓ単結晶、ＧａＡｓＰ単結晶やＩｎＧａＡｓＰ単結晶等の化合物半導体から構成される場合にも、本発明は同様に適用される。

【００３８】
また、実施例においては、発光ダイオード１０の最高使用温度Ｔ_ｍａｘにおいて活性層２６の発光スペクトルＬ _２６のピーク波長が前記光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられ、発光ダイオード１０の最低使用温度Ｔ_ｍｉｎにおいて活性層１８の発光スペクトルＬ _１８のピーク波長が光共振器の共振波長（６３０ｎｍ）と略一致させられるように、活性層１８、２２、２６の常温のピーク波長がそれらの厚みを調整することにより設定されている。上記の略一致とは、完全に一致するだけでなく、たとえば、活性層１８或いは２６の発光スペクトルＬ_１８或いはＬ_２６の８０％利得が得られる範囲などのように、本発明の一応の効果が得られる範囲である程度ずれた状態を含むことを意味する。