JP2011155103A - Semiconductor light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体発光素子に関し、特に低コヒーレンス光を放射する半導体発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device that emits low coherence light.
ファイバジャイロスコープ及び医療用の光干渉断層法（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）等の光計測並びにレーザディスプレイ等の映像投射の分野において必要とされるインコヒーレント光源として、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が注目されている。ＳＬＤは半導体レーザ素子と同様に光導波路を用いた半導体発光素子である。ＳＬＤにおいては、注入キャリアの再結合により生じた自然放出光が、光放射端面方向に進む間に誘導放出による高い利得を受けて増幅され、光放射端面から放出される。ＳＬＤと半導体レーザ素子との相違点は、端面反射による光共振器の形成を抑え、ファブリ・ペロー（ＦＰ）モードによるレーザ発振が生じないようにしている点である。このため、ＳＬＤは通常の発光ダイオードと同様にインコヒーレント性及び広帯域なスペクトル形状を示すと共に、数１０ｍＷ程度までの出力を得ることが可能である。 As an incoherent light source required in the field of optical projection such as fiber gyroscope and medical optical coherence tomography (OCT) and image projection such as laser display, super luminescent diode (SLD) is used. Attention has been paid. The SLD is a semiconductor light emitting device using an optical waveguide as in the semiconductor laser device. In SLD, spontaneous emission light generated by recombination of injected carriers is amplified by receiving a high gain due to stimulated emission while traveling in the direction of the light emission end face, and is emitted from the light emission end face. The difference between the SLD and the semiconductor laser element is that the formation of an optical resonator due to end face reflection is suppressed and laser oscillation in the Fabry-Perot (FP) mode does not occur. For this reason, the SLD exhibits incoherence and a broad spectrum shape like a normal light emitting diode, and can output up to several tens of mW.
ＳＬＤは、光導波路を基板端面に対して５〜１５°傾斜させて形成する（例えば、非特許文献１を参照。）。これにより、モード反射率を低減し、レーザ発振を抑えている。光導波路が基板端面に対して傾斜していること以外は、ＦＰモードによるレーザ発振を利用した半導体レーザ素子とほぼ同一の構造を有している。 The SLD is formed by tilting the optical waveguide by 5 to 15 ° with respect to the end face of the substrate (see, for example, Non-Patent Document 1). This reduces the mode reflectivity and suppresses laser oscillation. Except that the optical waveguide is inclined with respect to the end face of the substrate, it has substantially the same structure as the semiconductor laser element utilizing laser oscillation in the FP mode.
しかしながら、従来のＳＬＤには小型化することが困難であるという問題がある。ＳＬＤを高効率化するためには光導波路長Ｌを長くする必要がある。その理由は、電流密度ＪにおけるＳＬＤの光出力をＰ（Ｊ）は、解析的には以下の式により表すことができ、光導波路長Ｌが長いほど、電流密度が同一の場合には光出力を大きくできるからである（例えば、非特許文献２を参照。）。 However, the conventional SLD has a problem that it is difficult to reduce the size. In order to increase the efficiency of the SLD, it is necessary to lengthen the optical waveguide length L. The reason is that the optical output of the SLD at the current density J can be analytically expressed by the following formula. The longer the optical waveguide length L, the higher the optical output when the current density is the same. (For example, refer nonpatent literature 2).
Ｐ（Ｊ） ∝ Ｅｘｐ［｛Γ・ｇ（Ｊ）−αｉ｝×Ｌ］
ここで、Γは導波光の活性層への光閉じ込め係数、ｇ（Ｊ）はＪにおける光利得、αｉは光導波路の内部光損失である。
P (J) ∝ Exp [{Γ · g (J) −αi} × L]
Here, Γ is the optical confinement factor of the guided light in the active layer, g (J) is the optical gain at J, and αi is the internal optical loss of the optical waveguide.
実際にはＪはＬに反比例するので、Ｌが長いほど同一電流におけるＪは低下するため、実用上問題となる電流−光出力における発光効率には適切なＬの値が存在し、ＳＬＤのチップ長、すなわちＬ×ｃｏｓθを数ｍｍ程度とすることが一般的である。ここでθは、光導波路の接線と端面の法線とがなす角度であり、一般的な半導体レーザ素子のように光導波路が端面に対して垂直に形成されている場合のθは０である。 Actually, since J is inversely proportional to L, the longer the L, the lower the J at the same current. Therefore, there is an appropriate value of L for the luminous efficiency at the current-light output, which is a problem in practical use. In general, the length, that is, L × cos θ is set to about several mm. Here, θ is an angle formed by the tangent line of the optical waveguide and the normal line of the end surface, and θ is 0 when the optical waveguide is formed perpendicular to the end surface as in a general semiconductor laser element. .
一方、光出力が数１０ｍＷ程度の半導体レーザ素子の場合、共振器長はチップ長と等しく、チップ長は１ｍｍ以下とすることが一般的である。ＳＬＤはＬＤとほぼ同一構造のデバイスであるため、チップ長が長くなり同一サイズのウェハから取れるチップ数が小さくなると、コストが上昇する。また、チップ長が長くなるとＳＬＤを用いた機器の小型化が困難となる。特に、映像投射機器を携帯電話又はデジタルカメラ等に搭載したり、映像投射機器そのものを携帯機器化したりする場合、チップ長が半導体レーザ素子よりも長いＳＬＤを光源として採用することが困難となる。 On the other hand, in the case of a semiconductor laser device having an optical output of about several tens of mW, the resonator length is generally equal to the chip length, and the chip length is generally 1 mm or less. Since the SLD is a device having almost the same structure as the LD, the cost increases as the chip length increases and the number of chips that can be taken from a wafer of the same size decreases. Further, when the chip length is increased, it is difficult to reduce the size of the device using the SLD. In particular, when the video projection device is mounted on a mobile phone or a digital camera, or when the video projection device itself is made a portable device, it becomes difficult to employ an SLD having a chip length longer than that of a semiconductor laser element as a light source.
さらに、従来のＳＬＤには発光効率が低く大きな出力を得ることが困難であるという問題もある。半導体レーザ素子の場合には１００％近い高反射率のコート膜を後端面に設けることにより、後端面からの光放射を防止することができる。しかし、従来のＳＬＤの場合には、端面に対して光導波路が傾斜しているため、後端面に平面波に対して高反射率なコート膜を形成しても、光導波路のモード反射率は低いままである。このため、同一出力の光が前端面と後端面とから放射され、発光効率が２分の１程度又はそれ以下となることが避けられない。反射ミラー等を実装パッケージ内部に設けることにより、ＳＬＤの後端面から放射される光をある程度回収することが可能である。しかし、この場合にはパッケージのコストが増大するという問題が生じる。 Further, the conventional SLD has a problem that it is difficult to obtain a large output because of its low luminous efficiency. In the case of a semiconductor laser device, light emission from the rear end face can be prevented by providing a coat film having a high reflectance of nearly 100% on the rear end face. However, in the case of the conventional SLD, since the optical waveguide is inclined with respect to the end face, the mode reflectivity of the optical waveguide is low even if a coating film having a high reflectivity with respect to the plane wave is formed on the rear end face. Until now. For this reason, it is inevitable that light of the same output is emitted from the front end face and the rear end face, and the luminous efficiency is about one half or less. By providing a reflection mirror or the like inside the mounting package, it is possible to collect light emitted from the rear end face of the SLD to some extent. However, in this case, there is a problem that the cost of the package increases.
ＳＬＤにおいて後端面からの光放射を防止するために、後端面においては光導波路を端面に対して垂直となるようにすることも検討されている（例えば、非特許文献３を参照）。このようにすれば、光導波路が垂直に形成されている後端面からの光放射は、高反射率コート膜により防止することができる。しかし、後端面が高反射率となるため、ＦＰモードを抑制することが困難となり、１０ｍＷ程度の出力においてレーザ発振が生じてしまい、ＳＬＤの出力を大きくすることが困難となるという問題が生じる。 In order to prevent light emission from the rear end face in the SLD, it has been studied to make the optical waveguide perpendicular to the end face at the rear end face (see, for example, Non-Patent Document 3). In this way, light emission from the rear end face on which the optical waveguide is formed vertically can be prevented by the high reflectance coating film. However, since the rear end surface has a high reflectance, it is difficult to suppress the FP mode, and laser oscillation occurs at an output of about 10 mW, which makes it difficult to increase the output of the SLD.
本発明は、前記の問題を解決し、小型で且つ大きな出力を得ることが可能な低コヒーレンス光を放射する半導体発光素子を実現できるようにすることを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and to realize a semiconductor light emitting device that emits low-coherence light that is small and can obtain a large output.
前記の目的を達成するため、本発明は半導体発光素子を、光導波路の両方の端面が半導体層積層体の前端面の側に位置する構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention has a semiconductor light emitting device in which both end faces of the optical waveguide are positioned on the front end face side of the semiconductor layer stack.
具体的に、本発明に係る半導体発光素子は、基板の上に形成され、発光層とストライプ状の光導波路とを含み、前端面側から光を放射する半導体層積層体を備え、光導波路は、２つの光出射端を有し且つ互いに間隔をおいて第１の方向に延びる第１の部分及び第２の方向に延びる第２の部分と、第１の部分と第２の部分とを接続する第３の部分とを含み、光導波路の２つの光出射端は、半導体層積層体における前端面側に位置し、光導波の２つの光出射端の法線方向はそれぞれ第１の方向又は第２の方向とずれている。 Specifically, a semiconductor light emitting device according to the present invention is formed on a substrate, includes a light emitting layer and a stripe-shaped optical waveguide, and includes a semiconductor layer stack that emits light from the front end face side. Connecting the first part and the second part, the first part extending in the first direction and the second part extending in the second direction with two light emitting ends spaced apart from each other The two light emitting ends of the optical waveguide are located on the front end face side of the semiconductor layer stack, and the normal directions of the two light emitting ends of the optical waveguide are respectively the first direction or Deviation from the second direction.
本発明の半導体発光素子は、光導波路の２つの光出射端は、半導体層積層体における前端面側に位置し、その法線方向はそれぞれ第１の方向又は第２の方向とずれている。このため、基板の前端面側から放射される光の強度は、光導波路の光出射端の一方が前端面側に位置し、他方が後端面側に位置する場合の２倍となる。また、光導波路の長さを半導体発光素子のチップ長の２倍以上とすることができるため、高効率化と小型化とを両立させることが可能となる。さらに、光導波路の端部のいずれにも高反射率のコーティング等を施す必要がなく、出力を高くした場合にもレーザ発振が生じにくくなるという利点も得られる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the two light emitting ends of the optical waveguide are located on the front end face side of the semiconductor layer stack, and their normal directions are deviated from the first direction or the second direction, respectively. For this reason, the intensity of light emitted from the front end face side of the substrate is twice that when one of the light emitting ends of the optical waveguide is located on the front end face side and the other is located on the rear end face side. In addition, since the length of the optical waveguide can be made twice or more the chip length of the semiconductor light emitting device, it is possible to achieve both high efficiency and downsizing. Further, it is not necessary to provide a coating with high reflectivity on any of the end portions of the optical waveguide, and there is an advantage that laser oscillation hardly occurs even when the output is increased.
本発明の半導体発光素子において、第３の部分は、半円弧状に形成されていてもよい。この場合において、第３の部分は、曲率半径が５００μｍ以上且つ１５００μｍ以下とすればよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the third portion may be formed in a semicircular arc shape. In this case, the third portion may have a radius of curvature of 500 μm or more and 1500 μm or less.
本発明の半導体発光素子において、光導波路は、第１の部分と第３の部分との接続部及び第２の部分と第３の部分との接続部にそれぞれ形成され、入射した光を入射した方向と直交する方向に全反射する第１の反射部及び第２の反射部を有し、第３の部分は、第１の方向と直交する方向に延びている構成としてもよい。このような構成とすれば、第３の部分の長さを短くすることが可能となり、半導体発光素子のサイズをさらに小さくすることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the optical waveguide is formed at the connection portion between the first portion and the third portion and the connection portion between the second portion and the third portion, and incident light is incident. The first reflecting portion and the second reflecting portion that totally reflect in the direction orthogonal to the direction may be provided, and the third portion may extend in a direction orthogonal to the first direction. With such a configuration, the length of the third portion can be shortened, and the size of the semiconductor light emitting element can be further reduced.
本発明の半導体発光素子において、第１の方向と、基板の端面とは直交している構成としてもよい。このような構成とすれば、半導体発光素子のチップ幅をさらに小さくすることができる。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first direction and the end face of the substrate may be orthogonal to each other. With such a configuration, the chip width of the semiconductor light emitting device can be further reduced.
本発明に係る半導体発光素子によれば、小型で且つ大きな出力を得ることが可能な低コヒーレンス光を放射する半導体発光素子を実現できる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, it is possible to realize a semiconductor light emitting device that emits low-coherence light that is small and can obtain a large output.
一実施形態に係る半導体発光素子について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の半導体発光素子であり、（ａ）は平構成を示し、（ｂ）は前端面における断面構成を示している。図１に示すように、本実施形態の半導体発光素子はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であり、基板１０１の上に形成された半導体層積層体１０２を備えている。基板１０１は例えばｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）基板である。半導体層積層体１０２は、基板１０１側から順次形成されたｎ型ＧａＮ層１２１、ｎ型クラッド層１２２、ｎ型光ガイド層１２３、発光層１２４、ｐ型光ガイド層１２５、ｐ型電子ブロック層１２６、ｐ型クラッド層１２７及びｐ型のＧａＮからなるコンタクト層１２８を有している。 A semiconductor light emitting device according to an embodiment will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show the semiconductor light emitting device of this embodiment, where FIG. 1A shows a flat configuration, and FIG. 1B shows a cross-sectional configuration at the front end face. As shown in FIG. 1, the semiconductor light emitting device of this embodiment is a super luminescent diode (SLD), and includes a semiconductor layer stack 102 formed on a substrate 101. The substrate 101 is, for example, an n-type gallium nitride (GaN) substrate. The semiconductor layer stack 102 includes an n-type GaN layer 121, an n-type cladding layer 122, an n-type light guide layer 123, a light-emitting layer 124, a p-type light guide layer 125, and a p-type electron block layer that are sequentially formed from the substrate 101 side. 126, a p-type cladding layer 127, and a contact layer 128 made of p-type GaN.
ｎ型ＧａＮ層１２１は、例えば膜厚が１μｍで、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）濃度を１×１０１８ｃｍ−３とすればよい。ｎ型クラッド層１２２は、例えば膜厚が１、５μｍでＳｉ濃度が５×１０１７ｃｍ−３の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）とすればよい。ｎ型光ガイド層１２３は、例えば膜厚が０．１μｍでＳｉ濃度が５×１０１７ｃｍ−３のＧａＮとすればよい。発光層１２４は、例えば膜厚が３ｎｍのアンドープの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる井戸層と膜厚が７ｎｍのアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる障壁層とが３周期積層された多重量子井戸活性層とすればよい。井戸層のＩｎ組成は、発光波長に応じて設定すればよい。本実施形態においては発光波長が４０５ｎｍとなるように設定した。ｐ型光ガイド層１２５は、例えば、膜厚が０．１μｍでｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）濃度が１×１０１９ｃｍ−３のＧａＮ層とすればよい。ｐ型電子ブロック層１２６は、例えば膜厚が１０ｎｍでＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３のＡｌＧａＮ層とすればよい。ｐ型クラッド層１２７は、例えば膜厚が２ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎと膜厚が２ｎｍのＧａＮとを合計膜厚が０．５μｍでＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３となるように積層した超格子層とすればよい。コンタクト層１２８は、例えば膜厚が２０ｎｍでＭｇ濃度が１×１０２０ｃｍ−３のＧａＮ層とすればよい。 For example, the n-type GaN layer 121 may have a thickness of 1 μm and a silicon (Si) concentration of n-type impurities of 1 × 10 18 cm −3 . For example, the n-type cladding layer 122 may be aluminum gallium nitride (AlGaN) having a thickness of 1, 5 μm and a Si concentration of 5 × 10 17 cm −3 . The n-type light guide layer 123 may be made of GaN having a thickness of 0.1 μm and a Si concentration of 5 × 10 17 cm −3 , for example. The light emitting layer 124 includes, for example, a three-layer stack of a well layer made of undoped indium gallium nitride (InGaN) with a thickness of 3 nm and a barrier layer made of undoped In 0.02 Ga 0.98 N with a thickness of 7 nm. A multi-quantum well active layer may be used. The In composition of the well layer may be set according to the emission wavelength. In this embodiment, the emission wavelength is set to 405 nm. The p-type light guide layer 125 may be a GaN layer having a thickness of 0.1 μm and a magnesium (Mg) concentration of 1 × 10 19 cm −3 as a p-type impurity, for example. The p-type electron blocking layer 126 may be an AlGaN layer having a thickness of 10 nm and an Mg concentration of 1 × 10 19 cm −3 , for example. The p-type cladding layer 127 is made of, for example, Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 2 nm and GaN having a thickness of 2 nm, with a total thickness of 0.5 μm and an Mg concentration of 1 × 10 19 cm −3 . A superlattice layer laminated so as to be formed may be used. The contact layer 128 may be a GaN layer having a thickness of 20 nm and an Mg concentration of 1 × 10 20 cm −3 , for example.
コンタクト層１２８及びｐ型クラッド層１２７の一部は選択的に除去され、光導波路１３１を構成するストライプ状のリッジ部１３３が形成されている。リッジ部１３３以外の部分に残存しているｐ型クラッド層１２７の膜厚は例えば０．１μｍとすればよい。また、リッジ部１３３の下部及び上部の幅は、例えば２μｍ及び１．４μｍとすればよい。本実施形態において、リッジ部１３３の外周に沿った形状はＵ字状に形成されており、光導波路１３１もＵ字状に形成されている。光導波路１３１は互いに間隔をおいて並行に延びる第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂと、第１の部分１３１Ａと第２の部分１３１Ｂとを接続する半円弧状の第３の部分１３１Ｃとを有している。 A part of the contact layer 128 and the p-type cladding layer 127 is selectively removed, and a striped ridge portion 133 constituting the optical waveguide 131 is formed. The film thickness of the p-type cladding layer 127 remaining in the portion other than the ridge portion 133 may be set to 0.1 μm, for example. The width of the lower and upper portions of the ridge portion 133 may be 2 μm and 1.4 μm, for example. In the present embodiment, the shape along the outer periphery of the ridge portion 133 is formed in a U shape, and the optical waveguide 131 is also formed in a U shape. The optical waveguide 131 includes a first portion 131A and a second portion 131B that extend in parallel with a distance from each other, and a semicircular arc-shaped third portion 131C that connects the first portion 131A and the second portion 131B. have.
コンタクト層１２８の上にはパラジウム（Ｐｄ）からなるｐ電極１３５が形成され、基板１０１の半導体層積層体１０２と反対側の面（裏面）にはチタン（Ｔｉ）からなるｎ電極１３６が形成されている。 A p-electrode 135 made of palladium (Pd) is formed on the contact layer 128, and an n-electrode 136 made of titanium (Ti) is formed on the surface (back surface) opposite to the semiconductor layer stack 102 of the substrate 101. ing.
ｎ電極１３６及びｐ電極１３５から注入された電子及び正孔が発光層１２４において再結合することにより、自然放出光が生じる。生じた自然放出光は、光導波路１３１内を端面に向かって進み、その間に誘導放出による高い利得を受けて増幅される。増幅された光は、光導波路１３１の端面から放出される。 The electrons and holes injected from the n-electrode 136 and the p-electrode 135 recombine in the light emitting layer 124 to generate spontaneous emission light. The generated spontaneous emission light travels toward the end face in the optical waveguide 131 and is amplified while receiving a high gain due to stimulated emission. The amplified light is emitted from the end face of the optical waveguide 131.
本実施形態において、光導波路１３１はＵ字状に形成されている。このため、光導波路１３１の２つの端部は、いずれも半導体層積層体１０２の劈開面の一方である前端面１０２Ａの側に位置している。また、光導波路１３１の２つの端部はいずれも光を出射する光出射端である。従って、光導波路の端部の一方が前端面に位置し、他方が後端面に位置している場合と比べて半導体層積層体１０２の前端面から放出される光は約２倍となり、光放射効率は約２倍となる。 In the present embodiment, the optical waveguide 131 is formed in a U shape. For this reason, the two end portions of the optical waveguide 131 are both located on the front end surface 102 </ b> A side which is one of the cleavage surfaces of the semiconductor layer stack 102. Further, the two end portions of the optical waveguide 131 are both light emitting ends that emit light. Therefore, the light emitted from the front end face of the semiconductor layer stack 102 is approximately twice that of the case where one of the end portions of the optical waveguide is located on the front end face and the other is located on the rear end face. The efficiency is approximately doubled.
また、光導波路１３１をＵ字状とすることにより、光導波路長を直線状の光導波路よりも長くすることができる。従来の直線状の光導波路の場合には、光導波路長はチップ長の１．０５倍程度であるが、本実施形態においては光導波路１３１の長さをチップ長ｌの２．６倍程度とすることができる。例えば、チップ長ｌを１．２ｍｍとし、チップ幅ｗを２．１ｍｍとし、第３の部分１３１Ｃの曲率半径Ｒを１ｍｍとした場合には、光導波路１３１の長さは約３．２ｍｍとなる。一方、従来の直線状の光導波路の場合には、光導波路長を３．２ｍｍとするためには、チップ長を約３ｍｍとする必要がある。このように、半導体発光素子のサイズを大きくすることなく光導波路長を長くすることができ、光出力を大幅に向上させることができる。 Further, by making the optical waveguide 131 U-shaped, the length of the optical waveguide can be made longer than that of the linear optical waveguide. In the case of the conventional linear optical waveguide, the optical waveguide length is about 1.05 times the chip length, but in this embodiment, the length of the optical waveguide 131 is about 2.6 times the chip length l. can do. For example, when the chip length l is 1.2 mm, the chip width w is 2.1 mm, and the radius of curvature R of the third portion 131C is 1 mm, the length of the optical waveguide 131 is about 3.2 mm. . On the other hand, in the case of a conventional linear optical waveguide, in order to make the optical waveguide length 3.2 mm, the chip length needs to be about 3 mm. Thus, the optical waveguide length can be increased without increasing the size of the semiconductor light emitting device, and the optical output can be greatly improved.
光導波路１３１をＵ字状とした場合には、損失が生じるおそれがある。例えば、第３の部分１３１Ｃの曲率半径が１００μｍ以下の場合には、光導波路１３１を曲げたことにより１０％程度の損失が生じる。しかし、第３の部分１３１Ｃの曲率半径を１ｍｍ程度とすれば、損失は１％以下となりほとんど無視することができる。但し、曲率半径を大きくするとチップサイズが大きくなるため、第３の部分１３１Ｃの曲率半径は０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とすることが好ましい。 If the optical waveguide 131 is U-shaped, loss may occur. For example, when the radius of curvature of the third portion 131C is 100 μm or less, a loss of about 10% is caused by bending the optical waveguide 131. However, if the curvature radius of the third portion 131C is about 1 mm, the loss is 1% or less and can be almost ignored. However, since increasing the radius of curvature increases the chip size, it is preferable that the radius of curvature of the third portion 131C be about 0.5 mm to 1.5 mm.
本実施形態において、光導波路１３１の２つの光出射端は基板１０１の劈開により形成された端面と一致している。このため、光導波路１３１の２つの光出射端の法線方向と、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂが延びる方向とはずれている。これにより、光導波路１３１の両端部における反射率を小さくすることができ、レーザ発振が生じることを抑えることができる。劈開により形成した基板１０１の端面は、通常（１−１００）面であり、その法線方向は結晶軸の＜１−１００＞方向となる。この場合には第１の部分１３１Ａと第２の部分１３１Ｂとが延びる方向は、＜１−１００＞方向から５°〜１５°程度傾斜させればよい。約１０°傾斜させた場合における光導波路の光出射端における理論的な反射率は、１×１０−６以下となる。特に、本実施形態の半導体発光素子は、光導波路１３１の両方の端部から光を放射させるため、一方の端部にコーティング等を行い反射率を高くする必要がない。従って、光導波路１３１の両方の端部の反射率を低く保つことができ、半導体発光素子の出力を１００ｍＷ程度としてもレーザ発振が生じることを十分抑えることができる。 In the present embodiment, the two light emitting ends of the optical waveguide 131 coincide with the end face formed by cleaving the substrate 101. For this reason, the normal direction of the two light emitting ends of the optical waveguide 131 is deviated from the direction in which the first portion 131A and the second portion 131B extend. Thereby, the reflectance at both ends of the optical waveguide 131 can be reduced, and the occurrence of laser oscillation can be suppressed. The end face of the substrate 101 formed by cleavage is usually a (1-100) plane, and the normal direction thereof is the <1-100> direction of the crystal axis. In this case, the direction in which the first portion 131A and the second portion 131B extend may be inclined by about 5 ° to 15 ° from the <1-100> direction. The theoretical reflectance at the light exit end of the optical waveguide when tilted by about 10 ° is 1 × 10 −6 or less. In particular, since the semiconductor light emitting device of this embodiment emits light from both ends of the optical waveguide 131, it is not necessary to increase the reflectance by coating one end. Therefore, the reflectance of both ends of the optical waveguide 131 can be kept low, and the occurrence of laser oscillation can be sufficiently suppressed even when the output of the semiconductor light emitting element is about 100 mW.
以下に、本実施形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。まず、図２に示すように、ｎ型のＧａＮからなる基板１０１の主面の上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等を用いて、ｎ型ＧａＮ層１２１、ｎ型クラッド層１２２、ｎ型光ガイド層１２３、発光層１２４、ｐ型光ガイド層１２５、ｐ型電子ブロック層１２６、ｐ型クラッド層１２７及びｐ型のＧａＮからなるコンタクト層１２８を順次成長させ、半導体層積層体１０２を形成する。 Below, the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of this embodiment is demonstrated. First, as shown in FIG. 2, an n-type GaN layer 121 and an n-type cladding layer 122 are formed on the main surface of a substrate 101 made of n-type GaN by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method or the like. , An n-type light guide layer 123, a light-emitting layer 124, a p-type light guide layer 125, a p-type electron block layer 126, a p-type cladding layer 127, and a contact layer 128 made of p-type GaN are sequentially grown, and a semiconductor layer stack 102 is formed.
次に、図３に示すようにＳｉＯ２膜１４１を堆積した後、パターニングする。パターニングしたＳｉＯ２膜１４１をマスクとしてドライエッチングを行い、コンタクト層１２８及びｐ型クラッド層１２７の一部を選択的に除去して、ストライプ状のリッジ部１３３を形成する。リッジ部１３３は、互いに並行で長さが５０μｍの２つの直線部分と、２つの直線部分の端部を結ぶ曲率半径が１ｍｍの半円弧状の２つの曲線部分とを有する円環状に形成する。また、２つの直線部分は、基板１０１の＜１−１００＞方向に対して１０°傾斜させる。 Next, as shown in FIG. 3, a SiO 2 film 141 is deposited and then patterned. Using the patterned SiO 2 film 141 as a mask, dry etching is performed to selectively remove portions of the contact layer 128 and the p-type cladding layer 127, thereby forming a stripe-shaped ridge portion 133. The ridge 133 is formed in an annular shape having two straight portions having a length of 50 μm parallel to each other and two curved portions having a semicircular arc shape having a radius of curvature connecting the ends of the two straight portions. Further, the two straight portions are inclined by 10 ° with respect to the <1-100> direction of the substrate 101.
次に、図４に示すように、ＳｉＯ２膜１４１を除去した後、コンタクト層１２８と接するＰｄからなるｐ電極１３５を形成する。続いて、基板１０１をダイシングしやすいように薄膜化した後、基板１０１の裏面に接してＴｉからなるｎ電極１３６を形成する。なお、ｐ電極１３５を覆うボンディングパッド（図示せず）を必要に応じて形成する。 Next, as shown in FIG. 4, after removing the SiO 2 film 141, a p-electrode 135 made of Pd in contact with the contact layer 128 is formed. Subsequently, after the substrate 101 is thinned so as to be easily diced, an n-electrode 136 made of Ti is formed in contact with the back surface of the substrate 101. A bonding pad (not shown) that covers the p-electrode 135 is formed as necessary.
次に、図５に示すように、劈開を行い、円環状のリッジ部１３３の中央において精度よくダイシングする。これにより、直線状の第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂと、半円弧状の第３の部分１３１Ｃとを有する光導波路１３１が形成される。なお、劈開を容易にするため、ｐ電極１３５及びｎ電極１０６等は、劈開面から間隔をおいて形成するようにしてもよい。 Next, as shown in FIG. 5, cleaving is performed, and dicing is accurately performed at the center of the annular ridge portion 133. Thereby, the optical waveguide 131 having the linear first portion 131A and the second portion 131B and the semicircular arc-shaped third portion 131C is formed. Note that in order to facilitate cleavage, the p electrode 135, the n electrode 106, and the like may be formed at a distance from the cleavage plane.
本実施形態は、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂが延びる方向を、基板１０１の劈開により形成した端面の法線の方向から傾斜させることにより、光導波路１３１の端部における反射率を低減している。しかし、図６に示すように、半導体層積層体１０２における光導波路１３１の光出射端となる部分に切り欠き溝１０２ａを形成することにより、光導波路１３１の光出射端の法線方向と、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂが延びる方向とをずらせてもよい。この場合には、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂが延びる方向を、基板１０１の劈開により形成する端面の法線方向と一致させることができる。このため、半導体発光素子のチップ幅をさらに小さくすることができる。切り欠き溝１０２ａは、光導波路１３１の両端部をドライエッチング等により選択的に除去することにより形成すればよい。切り欠き溝１０２ａの深さと幅は、光導波路を伝搬する光分布より大きくすればよく、深さは基板１０１まで達するように、幅はリッジ幅よりも大きくする必要がある。本実施形態においては、深さを５μｍ、幅は１０μｍとしている。 In the present embodiment, the reflectance at the end of the optical waveguide 131 is increased by inclining the direction in which the first portion 131A and the second portion 131B extend from the direction of the normal of the end surface formed by cleaving the substrate 101. Reduced. However, as shown in FIG. 6, by forming a notch groove 102 a in the portion that becomes the light emitting end of the optical waveguide 131 in the semiconductor layer stack 102, the normal direction of the light emitting end of the optical waveguide 131 and the first direction The direction in which the first portion 131A and the second portion 131B extend may be shifted. In this case, the direction in which the first portion 131A and the second portion 131B extend can be made to coincide with the normal direction of the end surface formed by cleaving the substrate 101. For this reason, the chip width of the semiconductor light emitting device can be further reduced. The cutout groove 102a may be formed by selectively removing both ends of the optical waveguide 131 by dry etching or the like. The depth and width of the notch groove 102a may be made larger than the light distribution propagating through the optical waveguide, and the width needs to be larger than the ridge width so as to reach the substrate 101. In this embodiment, the depth is 5 μm and the width is 10 μm.
本実施形態においては、第３の部分１３１Ｃを半円弧状に形成した。しかし、図７に示すように直線状の第３の部分１３１Ｄを有する構成としてもよい。第１の部分１３１Ａと第３の部分１３１Ｄとの接続部に入射した光を入射した方向と直交する方向に全反射する第１の反射部１３１Ｅを形成し、第２の部分１３１Ｂと第３の部分１３１Ｄとの接続部に入射した光を入射した方向と直交する方向に全反射する第２の反射部１３１Ｆを形成する。このようにすれば、第３の部分１３１Ｄを進む光を直角に曲げ、第１の部分１３１Ａ又は第２の部分１３１Ｂに進ませることができる。また、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂを進む光を、それぞれ直角に曲げ第３の部分１３１Ｄに進ませることができる。 In the present embodiment, the third portion 131C is formed in a semicircular arc shape. However, as shown in FIG. 7, it is good also as a structure which has the linear 3rd part 131D. The first reflection part 131E that totally reflects the light incident on the connection part between the first part 131A and the third part 131D in the direction orthogonal to the incident direction is formed, and the second part 131B and the third part 131 A second reflecting portion 131F is formed that totally reflects light incident on the connection portion with the portion 131D in a direction orthogonal to the incident direction. In this way, the light traveling through the third portion 131D can be bent at a right angle and advanced to the first portion 131A or the second portion 131B. Further, the light traveling through the first portion 131A and the second portion 131B can be bent at right angles and advanced to the third portion 131D.
第１の反射部１３１Ｅ及び第２の反射部１３１Ｆは、それぞれ第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂが延びる方向に対して４５°の角度に形成された壁面である。具体的には、第１の反射部１３１Ｅは、半導体層積層体１０２を貫通し基板１０１に達する開口部１０２ｂを、第１の部分１３１Ａと第３の部分１３１Ｄとの接続部に形成する。これにより、リッジ部１３３を含む半導体層積層体１０２に第１の部分１３１Ａが延びる方向に対して４５°の角度の壁面を形成する。開口部１０２ｂは、ドライエッチングにより形成すればよく、例えば深さが５μｍで、幅が１０μｍ、奥行きが５μｍとすればよい。第２の反射部１３１Ｆは、第２の部分１３１Ｂと第３の部分１３１Ｄとの接続部に同様にして形成すればよい。 The first reflecting portion 131E and the second reflecting portion 131F are wall surfaces formed at an angle of 45 ° with respect to the extending direction of the first portion 131A and the second portion 131B, respectively. Specifically, the first reflecting portion 131E forms an opening 102b that penetrates through the semiconductor layer stack 102 and reaches the substrate 101 at the connection portion between the first portion 131A and the third portion 131D. As a result, a wall surface having an angle of 45 ° with respect to the direction in which the first portion 131A extends is formed in the semiconductor layer stack 102 including the ridge portion 133. The opening 102b may be formed by dry etching. For example, the depth may be 5 μm, the width may be 10 μm, and the depth may be 5 μm. The second reflecting portion 131F may be formed in the same manner at the connecting portion between the second portion 131B and the third portion 131D.
直線状の第３の部分１３１Ｄと第１の反射部１３１Ｅ及び第２の反射部１３１Ｆとにより、第１の部分１３１Ａと第２の部分１３１Ｂとを接続した場合には、半円弧状の第３の部分により第１の部分１３１Ａと第２の部分１３１Ｂとを接続した場合よりも半導体発光素子のサイズを小さくすることができる。例えば、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂの長さが１．５ｍｍで、第３の部分１３１Ｄの長さを１０μｍとすれば、光導波路１３１の長さは約３ｍｍとなる。この場合には、チップ長及びチップ幅を１．６ｍｍ及び０．５ｍｍとすることができる。この場合、光導波路長及びチップ長が同じ長さの従来のＳＬＤと比べてチップの面積を約２分の１とすることができるため、同一サイズのウェハから得られるチップの数を約２倍にすることができ、製造コストを大幅に低減できる。 When the first portion 131A and the second portion 131B are connected by the straight third portion 131D, the first reflecting portion 131E, and the second reflecting portion 131F, the semicircular arc-shaped third portion 131D is connected. The size of the semiconductor light emitting element can be made smaller than when the first portion 131A and the second portion 131B are connected by this portion. For example, if the length of the first portion 131A and the second portion 131B is 1.5 mm and the length of the third portion 131D is 10 μm, the length of the optical waveguide 131 is about 3 mm. In this case, the chip length and the chip width can be 1.6 mm and 0.5 mm. In this case, since the area of the chip can be reduced to about one half as compared with the conventional SLD having the same optical waveguide length and the same chip length, the number of chips obtained from a wafer of the same size is approximately doubled. Manufacturing cost can be greatly reduced.
第１の反射部１３１Ｅ及び第２の反射部１３１Ｆにおいて、光導波路１３１を進む光を適切に反射させることができない場合には、反射部における損失が大きくなるおそれがある。しかし、光伝搬をシミュレーションした結果、反射部における伝搬効率は９９％程度であり、光導波路の損失を１％程度に抑えることができることが明らかとなった。 In the first reflection part 131E and the second reflection part 131F, when the light traveling through the optical waveguide 131 cannot be reflected appropriately, the loss in the reflection part may increase. However, as a result of simulating light propagation, it has been clarified that the propagation efficiency in the reflection portion is about 99%, and the loss of the optical waveguide can be suppressed to about 1%.
シミュレーションは、図８に示すような半導体層積層体２０１に直交するリッジ部２０２が形成され、リッジ部２０２の角部に半導体層積層体２０１を切り欠いて角度が４５°の反射部２０３が形成されているモデルを用いて行った。光導波路における水平方向の光閉じ込め効率は、リッジ部２０２と半導体層積層体２０１のリッジ部２０２以外の領域とにおける垂直方向構造の実効的な屈折率差により近似した。等価屈折率法により見積もった波長４０５ｎｍの光に対する実効的な屈折率は、リッジ部２０２では２．５２４８５であり、半導体層積層体２０１のリッジ部２０２以外の領域では２．５１６７４であった。反射部２０３の外側における実効的な屈折率は空気と同じ１とした。また、リッジ部２０２の幅は１．４μｍとした。光導波路に入射する光はＳＬＤにおいて主に増幅される水平方向に電界が偏向しているＴＥ偏光光とした。入射光の真空中における波長は４０５ｎｍであり、光強度の空間分布はガウス分布であり、光導波路の中心における光強度の１／ｅとなる幅（１／ｅ幅）をリッジ部２０２の幅と等しい１．４μｍとした。シミュレーションの結果、図９に示すように、反射部において導波路を伝搬する光が全反射されることが確認できた。 In the simulation, a ridge portion 202 orthogonal to the semiconductor layer stacked body 201 as shown in FIG. 8 is formed, and the semiconductor layer stacked body 201 is cut out at a corner of the ridge portion 202 to form a reflective portion 203 having an angle of 45 °. It was done using the model that has been. The optical confinement efficiency in the horizontal direction in the optical waveguide was approximated by the effective refractive index difference of the vertical structure between the ridge portion 202 and the region other than the ridge portion 202 of the semiconductor layer stack 201. The effective refractive index for light having a wavelength of 405 nm estimated by the equivalent refractive index method was 2.52485 in the ridge portion 202 and 2.51674 in the region other than the ridge portion 202 of the semiconductor layer stack 201. The effective refractive index outside the reflecting portion 203 is 1 which is the same as that of air. The width of the ridge portion 202 was 1.4 μm. The light incident on the optical waveguide was TE polarized light in which the electric field was deflected in the horizontal direction which is mainly amplified in the SLD. The wavelength of the incident light in vacuum is 405 nm, the spatial distribution of the light intensity is a Gaussian distribution, and the width (1 / e width) that is 1 / e of the light intensity at the center of the optical waveguide is the width of the ridge portion 202. Equal 1.4 μm. As a result of the simulation, as shown in FIG. 9, it was confirmed that the light propagating through the waveguide was totally reflected at the reflecting portion.
直線状の第３の部分１３１Ｄを設けた場合にも、図１０に示すように、半導体層積層体１０２における光導波路１３１の光出射端となる部分に切り欠き溝１０２ａを形成し、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂの延びる方向を、基板１０１の劈開により形成した端面の法線方向と一致させてもよい。第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂを基板１０１の端面の法線方向から１０°傾斜させた場合には、光導波路１３１のフットプリントは２６０μｍとなる。しかし、第１の部分１３１Ａ及び第２の部分１３１Ｂの延びる方向と、基板１０１の劈開により形成した端面とを一致させた場合には、光導波路１３１のフットプリントはリッジ部１３３の幅と等しい１．４μｍとなる。従って、半導体発光素子のサイズをさらに低減できる。例えば、光導波路の長さを約３ｍｍとする場合には、チップ長を１．６ｍｍとし、チップ幅を０．２ｍｍとすることができる。 Also in the case where the linear third portion 131D is provided, as shown in FIG. 10, the notch groove 102a is formed in the portion that becomes the light emitting end of the optical waveguide 131 in the semiconductor layer stack 102, and the first groove The extending direction of the portion 131A and the second portion 131B may be made to coincide with the normal direction of the end surface formed by cleaving the substrate 101. When the first portion 131A and the second portion 131B are inclined by 10 ° from the normal direction of the end surface of the substrate 101, the footprint of the optical waveguide 131 is 260 μm. However, when the extending direction of the first portion 131A and the second portion 131B and the end surface formed by cleaving the substrate 101 are matched, the footprint of the optical waveguide 131 is equal to the width of the ridge portion 133. 4 μm. Therefore, the size of the semiconductor light emitting element can be further reduced. For example, when the length of the optical waveguide is about 3 mm, the chip length can be 1.6 mm and the chip width can be 0.2 mm.
本実施形態は、第１の部分及び第２の部分が平行に形成された例を示した。しかし、前方端面に２つの光出射端を形成できれば、第１の部分及び第２の部分は平行に形成されていなくてもよい。 In the present embodiment, an example in which the first portion and the second portion are formed in parallel is shown. However, as long as two light emitting ends can be formed on the front end face, the first portion and the second portion may not be formed in parallel.
なお、窒化物半導体を用いた青紫色ＳＬＤについて説明したが、他のＳＬＤについても同様の構造とすることにより同様の効果を得ることができる。例えば、窒化物半導体を用いた波長４００ｎｍ未満の紫外光を放射するＳＬＤ又は波長４８０ｎｍ付近の青色光若しくは波長５６０ｎｍ付近の緑色光等の可視域の光を放射するＳＬＤについても同様の構造とすることができる。また、窒化物半導体以外の材料を用いた波長が７６０ｎｍ付近の赤色光又は波長が８００ｎｍ以上の赤外光を放射するＳＬＤについても同様の構造とすることができる。 Although the blue-violet SLD using a nitride semiconductor has been described, the same effect can be obtained with other SLDs having the same structure. For example, an SLD that emits ultraviolet light with a wavelength of less than 400 nm using a nitride semiconductor, or an SLD that emits light in the visible range, such as blue light with a wavelength of around 480 nm or green light with a wavelength of around 560 nm, has the same structure. Can do. Further, an SLD that emits red light having a wavelength near 760 nm or infrared light having a wavelength of 800 nm or more using a material other than a nitride semiconductor can have a similar structure.
本発明に係る半導体発光素子は、小型で且つ大きな出力を得ることが可能な低コヒーレンス光を放射する半導体発光素子を実現でき、低コヒーレンス光を放射する半導体発光素子等として有用である。 The semiconductor light-emitting device according to the present invention can realize a semiconductor light-emitting device that emits low-coherence light that is small and can obtain a large output, and is useful as a semiconductor light-emitting device that emits low-coherence light.
１０１ 基板
１０１Ａ 前端面
１０２ 半導体層積層体
１０２ａ 切り欠き溝
１０２ｂ 開口部
１２１ ｎ型ＧａＮ層
１２２ ｎ型クラッド層
１２３ ｎ型光ガイド層
１２４ 発光層
１２５ ｐ型光ガイド層
１２６ ｐ型電子ブロック層
１２７ ｐ型クラッド層
１２８ コンタクト層
１３１ 光導波路
１３１Ａ 第１の部分
１３１Ｂ 第２の部分
１３１Ｃ 第３の部分
１３１Ｄ 第３の部分
１３１Ｅ 第１の反射部
１３１Ｆ 第２の反射部
１３３ リッジ部
１３５ ｐ電極
１３６ ｎ電極
１４１ ＳｉＯ２膜
２０１ 半導体層積層体
２０２ リッジ部
２０３ 反射部
101 Substrate 101A Front end face 102 Semiconductor layer stack 102a Notch groove 102b Opening 121 n-type GaN layer 122 n-type cladding layer 123 n-type light guide layer 124 Light-emitting layer 125 p-type light guide layer 126 p-type electron block layer 127 p Type cladding layer 128 Contact layer 131 Optical waveguide 131A First portion 131B Second portion 131C Third portion 131D Third portion 131E First reflection portion 131F Second reflection portion 133 Ridge portion 135 P electrode 136 n electrode 141 SiO 2 film 201 Semiconductor layer stack 202 Ridge portion 203 Reflection portion
Claims (5)
前記光導波路は、２つの光出射端を有し且つ互いに間隔をおいて第１の方向に延びる第１の部分及び第２の方向に延びる第２の部分と、前記第１の部分と第２の部分とを接続する第３の部分とを含み、
前記光導波路の２つの光出射端は、前記前端面側に位置し、
前記光導波路の２つの光出射端の法線方向は、それぞれ前記第１の方向又は第２の方向とずれていることを特徴とする半導体発光素子。 A semiconductor layer stack is formed on the substrate, includes a light emitting layer and a stripe-shaped optical waveguide, and emits light from the front end face side,
The optical waveguide has two light emitting ends and is spaced apart from each other by a first portion extending in a first direction, a second portion extending in a second direction, the first portion, and a second portion. And a third part connecting the parts of
Two light exit ends of the optical waveguide are located on the front end face side,
2. A semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the normal directions of the two light emitting ends of the optical waveguide are shifted from the first direction or the second direction, respectively.
前記第１の部分と前記第３の部分との接続部及び前記第２の部分と前記第３の部分との接続部にそれぞれ形成され、入射した光を入射した方向と直交する方向に全反射する第１の反射部及び第２の反射部とを有し、
前記第３の部分は、前記第１の方向及び第２の方向と直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。 The optical waveguide is
Total reflection in the direction perpendicular to the direction in which incident light is formed, formed at the connection between the first part and the third part and at the connection between the second part and the third part, respectively. A first reflecting portion and a second reflecting portion,
2. The semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein the third portion extends in a direction orthogonal to the first direction and the second direction.
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