JP2014096513A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力であっても広帯域化を図り得る半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 ガリウムヒ素系材料のｐ型半導体層１０、ｎ型半導体層２０及び活性層３０を備える半導体発光素子１であって、活性層３０は、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層２０との層間に配置され、複数の井戸層３１〜３４及び障壁層３５〜３９を交互に積層した多重量子井戸構造を有する。井戸層で発光される光の波長は井戸層３１〜３４ごとに異なり、各井戸層の量子準位は第１量子準位のみ持つ。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体発光素子に関し、スーパールミネッセントダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）と呼ばれる半導体発光素子に好適なものである。

スーパールミネッセントダイオードは、広い波長帯域のスペクトル分布を有するという発光ダイオードの特徴と、高出力を有するという半導体レーザの特徴とを合わせもつ半導体発光素子であり、医療分野や計測分野における装置用の光源として注目されている。

また、例えばＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)と呼ばれる眼科検診用装置などのように、スーパールミネッセントダイオードを光源として利用した装置が製品化されつつある。

このようなスーパールミネッセントダイオードとして、例えば下記特許文献１に記載されたものが提案されている。この特許文献１におけるスーパールミネッセントダイオードでは活性層が多重井戸構造とされており、各々の井戸層（量子井戸）における第１量子準位と第２量子準位との発光強度が同じとなる部分で、出力光の帯域が広くなるようになっている。

特開２０１０−１４１０３９号公報

ところが、特許文献１におけるスーパールミネッセントダイオードでは、ある一定の出力値を超えると、各井戸層における第１量子準位に比べて第２量子準位の発光強度が大きくなり、出力光の帯域が狭まってしまう。

このため、特許文献１におけるスーパールミネッセントダイオードでは、高出力を維持しながら波長帯域を広げることができず、当該波長帯域が限定的となるという課題があった。

そこで、本発明は、高出力であっても広帯域化を図り得る半導体発光素子を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため本発明は、ガリウムヒ素系材料のｐ型半導体層、ｎ型半導体層及び活性層を備える半導体発光素子であって、前記活性層は、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との層間に配置され、複数の井戸層及び障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有し、前記井戸層で発光される光の波長は前記井戸層ごとに異なり、各前記井戸層の量子準位は第１量子準位のみ持つことを特徴とする。

このようにした場合、各井戸層における発光波長がキャリアの注入量に応じて変化することなく、第１量子準位で決まる波長にキャリアが集中的に消費されるため、当該波長の光に着目して出力を増大させることが可能となる。この結果、本発明の半導体発光素子によれば、高出力であっても広帯域化を図ることができる。

以上のように本発明によれば、高出力であっても広帯域化を図り得る半導体発光素子が提供される。

本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオードの外観を示す図である。 図１のＸ−Ｘ線を通る断面を示す図である。 本実施形態における活性層の断面構造を示す図である。 活性層を構成する各層のエネルギー量を示すグラフである。 ＩｎＧａＡｓ材料における量子井戸の厚さと量子井戸が持つエネルギーの関係を示すグラフである。

（１）実施形態
本発明に好適となる実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。

＜スーパールミネッセントダイオードの構成＞
図１は本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオードの外観を示す図であり、図２は図１のＸ−Ｘ線を通る断面を示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオード１は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系材料のｎ型半導体層１０、ｐ型半導体層２０及び活性層３０を主な構成要素として備える。

ｎ型半導体層１０は、基板１１、バッファ層１２、クラッド層１３及び光導波層１４を有し、当該基板１１の一面上にバッファ層１２、クラッド層１３、光導波層１４の順で積層した構造とされる。また、基板１１の他面には第１電極層５１が設けられる。

ｐ型半導体層２０は、光導波層２１、第１クラッド層２２、エッチングストッパ層２３、第２クラッド層２４及びコンタクト層２５を有し、活性層３０の一面上に光導波層２１、第１クラッド層２２、エッチングストッパ層２３、第２クラッド層２４、コンタクト層２５の順で積層した構造とされる。

第２クラッド層２４は断面凸状のリッジ型とされ、当該第２クラッド層２４の幅はエッチングストッパ層２３の幅よりも小さく、当該第２クラッド層２４の長さはエッチングストッパ層２３の長さと同程度とされる。また、第２クラッド層２４は、エッチングストッパ層２３における短手方向の一端から他端にわたって、当該エッチングストッパ層２３における長手方向の一端に対して斜めに配置される。

コンタクト層２５は、第２クラッド層２４の形状と同じ形状とされ、第２クラッド層２４の頂面に配置される。

第２クラッド層２４及びコンタクト層２５のテーパ面とエッチングストッパ層２３の一面とには絶縁膜５２が設けられており、当該絶縁膜５２一面とコンタクト層２５の頂面とを覆うように第２電極層５３が設けられる。

すなわち第２電極層５３は、ｐ型半導体層２０におけるリッジ部のコンタクト層２５だけに接触するようになっている。

活性層３０は、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層２０との層間に配置され、複数の井戸層及び障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）を有する。

図３は、本実施形態における活性層３０の断面構造を示す図である。図３に示すように、本実施形態における活性層３０は、４つの井戸層３１〜３４と、５つの障壁層３５〜３９とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する。

これら４つの井戸層３１〜３４で発光される光の波長はそれぞれ異なり、各井戸層３１〜３４の厚さは５５ｎｍ以下とされる。

この活性層３０ではキャリアブロック層４１及び４２が最外層として設けられており、当該キャリアブロック層４１上にｎ型半導体層１０が配置され、当該キャリアブロック層４２上にｐ型半導体層２０が配置される。

図４は、活性層３０を構成する各層のエネルギー量を示すグラフである。図４に示すように、各井戸層３１〜３４は、当該井戸層で発光される光の波長が積層方向に沿って（基板側から上層に向かって）順に短くなるよう配置される。このような井戸層３１〜３４は、例えばインジウム（Ｉｎ）が含まれるガリウムヒ素におけるインジウムの割合及び井戸層の厚さを変えることで得ることが可能である。

また、各障壁層３５〜３９は、当該障壁層におけるエネルギー準位が短波長側から長波長側に向かって順に低くなるよう配置される。このような障壁層３５〜３９は、例えばアルミニウム（Ａｌ）が含まれるガリウムヒ素におけるアルミニウムの割合を変えることで得ることが可能である。

具体的には、例えば下記表１のような井戸層３１〜３４及び障壁層３５〜３９の多重量子井戸構造とされる。

なお、キャリアブロック層４１及び４２は、図４に示したように、最外層の障壁層３５及び３９、かつ、ｎ型半導体層１０における光導波層１４及びｐ型半導体層２０における光導波層２１のエネルギー準位よりも大きいエネルギー準位とされる。これにより活性層３０にキャリアが溜まり易くなっている。

＜発光機序＞
このようなスーパールミネッセントダイオード１では、第１電極層５１及び第２電極層５３に電流が印加された場合、活性層３０にキャリアが注入され、当該キャリアの注入によって各井戸層３１〜３４で発光が生じる。

なお、第２電極層５３はｐ型半導体層２０におけるリッジ部のコンタクト層２５だけに接触しているため、活性層３０のなかでリッジ部下方にあたる領域にキャリアが選択的に注入する。これによりリッジ部下方領域のみが発光に寄与するので、活性層３０ではリッジ部に沿って光導波路が形成されることになる。

各井戸層３１〜３４で発光した光はｐ型半導体層２０の第１クラッド層１３及びｎ型半導体層１０のクラッド層２２により閉じ込められ、かつ、ｐ型半導体層２０におけるリッジ部に沿った光導波路が活性層３０に形成される。この結果、光導波路に沿って活性層端面から光が放射される。

なお、ｐ型半導体層２０におけるリッジ部は、素子光出射端面に垂直な方向に対して斜めに配置されているため、活性層３０における光導波路内での光の往復による増幅作用が抑制され、レーザ発振を抑制することができる。

＜効果等＞
以上のとおり、本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオード１は、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層２０との層間に配置される多重量子井戸構造の活性層３０を備えており、この活性層３０における複数の井戸層３１〜３４ごとに発光波長が異なり、当該井戸層３１〜３４の量子準位は第１量子準位のみ持つ。

このようにした場合、各井戸層３１〜３４における発光波長がキャリアの注入量に応じて変化することなく、第１量子準位で決まる波長にキャリアが集中的に消費されるため、第１量子準位で決まる波長の光に着目して出力を増大させることが可能となる。この結果、本実施形態のスーパールミネッセントダイオード１によれば、高出力であっても広帯域化を図ることができる。

また本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオード１の場合、各井戸層３１〜３４の厚さが５５ｎｍ以下とされる。

ここで、ＩｎＧａＡｓ材料における井戸層の厚さと井戸層の持つエネルギー量との関係を計算により求めた結果を図５に示す。なお、この図５は、量子井戸の波長が９００ｎｍ、８５０ｎｍ、８３５ｎｍ及び８００ｎｍのときの計算値である。

図５に示すように、８００ｎｍでは第２量子準位は存在せず、かつ、もっともエネルギー準位の低い波長９００ｎｍ以下では井戸層の厚さが５５ｎｍ以下とされることによって、第１量子準位のみ存在することになる。

したがって、各井戸層３１〜３４の厚さを５５ｎｍ以下とした場合、各井戸層３１〜３４が第２量子準位を確実に持たない状態とすることが可能となり、第１量子準位で決まる波長の光だけを、各井戸層３１〜３４において発光させることができる。なお、ＩｎＧａＡｓ材料における井戸層の厚さを５５ｎｍ以下とした場合、当該井戸層で発光させることが可能な波長帯は、８３５ｎｍ〜９００ｎｍである。

このようにして本実施形態におけるスーパールミネッセントダイオード１によれば、高出力であっても広帯域化を図ることができる。

（２）他の実施形態
上記実施形態が一例として説明された。しかしながら本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば上記実施形態では、井戸層３１〜３４にはインジウムが添加され、障壁層３５〜３９にはアルミニウムが添加された。しかしながら、添加物は、多重井戸構造を構成する各層のエネルギー準位が異なり、かつ、各井戸層が第１量子準位のみ持つのであれば、インジウム又はアルミニウム以外のものを適用しても良く、当該添加物が適用されていなくても良い。

なお、ガリウムヒ素系材料で井戸層３１〜３４を構成し、アルミニウムが添加されるガリウムヒ素系材料で障壁層３５〜３９を構成した場合、当該障壁層３５〜３９と井戸層３１〜３４との間におけるエネルギー差を大きくできず、当該障壁層の層間に配置される井戸層３１〜３４にキャリアを蓄積することが不十分となる傾向がある。このため、井戸層３１〜３４にはインジウムが含まれることが望ましい。

また上記実施形態では、スーパールミネッセントダイオード１におけるｐ型半導体層２０表面の形状がリッジ型とされた。しかしながら、ｐ型半導体層２０の形状は、例えば断面凸状の扇形またはテーパ型などといったように、各種形状を採用することができる。また、ｐ型半導体層２０のリッジ部分が直線に沿って延在するのではなく、所定の曲線に沿って延在する曲がり導波路型していても良い。また、端面の形成を劈開による垂直面形成でなくエッチングにより形成する端面エッチング型としても良い。

なお、半導体発光素子としてのスーパールミネッセントダイオード１の各構成要素は、上記実施形態に示された内容以外に、適宜、本願目的を逸脱しない範囲で組み合わせ、省略、変更、周知技術の付加などをすることができる。

本発明は、医療分野や計測分野などにおいて利用可能性がある。

１・・・スーパールミネッセントダイオード
１０・・・ｎ型半導体層
２０・・・ｐ型半導体層
３０・・・活性層
３１〜３４・・・井戸層
３５〜３９・・・障壁層
４１，４２・・・キャリアブロック層

Claims (3)

1. ガリウムヒ素系材料のｐ型半導体層、ｎ型半導体層及び活性層を備える半導体発光素子であって、
   前記活性層は、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との層間に配置され、複数の井戸層及び障壁層を交互に積層した多重量子井戸構造を有し、
   前記井戸層で発光される光の波長は前記井戸層ごとに異なり、
   各前記井戸層の量子準位は第１量子準位のみ持つ
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 各前記井戸層の厚さは、５５ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 各前記井戸層にはインジウムが含まれる
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。

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