JP2015146397A - 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】 本発明の半導体発光素子１は、量子井戸構造を有する活性層３０と、当該活性層３０において光出射端面とは逆の端面側に配置される反射部材５０とを備える。この反射部材５０は、最小の反射率となる波長が活性層３０で生じる光のスペクトルの半値幅内にあり、かつ、その半値幅内では最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の少なくとも一方側の反射率が最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となる反射スペクトルを有する。
【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、インジウムまたはアルミニウムの少なくとも一方の組成を含んだ多重井戸構造の活性層を有し、その活性層における障壁層の層数が４以下とされ、障壁層の厚みが１．５ｎｍ〜３．０ｎｍとされている。

このようなスーパールミネッセントダイオードによれば、多重量子井戸における第１量子準位と第２量子準位との発光スペクトルが重ね合わせられて、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、第２量子準位の発光が優位となるため、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の半導体発光素子は、量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層における光出射端面とは逆の端面側に配置される反射部材とを備え、前記反射部材は、最小の反射率となる波長が前記活性層で生じる光のスペクトルの半値幅内にあり、かつ、前記半値幅内では前記最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の少なくとも一方側の反射率が前記最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となる反射スペクトルを有することを特徴とする。

このような半導体発光素子では、活性層にキャリアが注入された場合、光出射端面側に進む前進光と、その光出射端面とは逆の端面側に進む後進光とが生じ、当該後進光の一部の光は反射部材によって反射される。
この反射部材の反射スペクトルは、最小の反射率となる波長が活性層で生じる光のスペクトルの半値幅内にあり、かつ、その半値幅内では最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の少なくとも一方側の反射率が最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となっている。
このため、反射部材で反射する反射光のスペクトルにおいては、半値幅内の一部の波長間の強度差が小さくなってなだらかとなり、当該半値幅が広がる。また、ピーク波長が反射前のピーク波長と異なる波長にもできる。そして、この反射光は活性層を光出射端面側に進み前進光と重なり合った後、光出射端面から出射される。
このように、反射膜により半値幅が広がり、かつ、ピーク波長が異なる後進光を前進光と重ね合わせて光出射端面から発光させるようにしたことで、活性層に注入すべきキャリアの注入量にかかわらず、当該発光波長を広帯域化することができる。こうして、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。

また、前記反射部材は、前記活性層における光出射端面とは逆の端面に設けられる反射膜であることが好ましい。

通常、スーパールミネッセントダイオードに反射膜が用いられる場合、その反射膜は素子端面に誘電体膜で形成される。前記反射部材も誘電体膜にて形成可能なため、活性層における光出射端面とは逆の端面への反射部材の形成も同じプロセスを利用できる。また、反射部材を活性層端面近傍に別部材として配置した場合、部品点数の増加や光学位置合わせ等の手間が掛る。よって、活性層における光出射端面とは逆の端面に前記反射部材を簡単に形成することができる。なお、端面に形成できる誘電体膜の厚さには限度があるため、反射の特性が複雑な光学特性の場合、誘電体膜が厚くなることから、複雑な光学特性が必要な場合は、別部材とする方がよい場合もある。

また、前記活性層における光出射端面の前方に設けられ、特定の波長帯の光を選択的に透過するフィルタ膜と、前記フィルタ膜及び前記活性層における光出射端面の間に設けられる１／４波長板とをさらに備えることが好ましい。

このようにした場合、上記の反射部材だけが設けられている場合に比べて、発光波長の対称性を図る等といった発光スペクトルの調整をし易くできる。

なお、前記最小の反射率における波長は、前記活性層で生じる光の最大強度における波長と一致することが好ましい。

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。 活性層の断面構造を示す図である。 活性層で生じる光のスペクトルを示す図である。 反射膜の反射スペクトルを示す図である。 光導波路の様子を概念的に示す図である。 反射膜で反射した反射光のスペクトルを示す図である。 光導波路から出射した出射光のスペクトルを示す図である。 第２実施形態におけるスーパールミネッセントダイオードを図６と同じ視点で示す図である。 変形例を示す図である。

（１）第１実施形態
本発明を実施するために好適となる第１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および図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、活性層３０、反射防止膜４０および反射膜５０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および光導波層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１５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およびコンタクト層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。この第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。また、第２クラッド層２４は屈曲部位を有し、当該屈曲部位はエッチングストッパ層２３における短手方向の一端と他端との間の途中に位置している。

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およびコンタクト層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２６が設けられており、当該絶縁膜２６一面とコンタクト層２５の頂面とを覆うように第２電極層２７が設けられる。

すなわち第２電極層２７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、複数の井戸層およ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３１Ａ〜３１Ｄと５つの障壁層３２Ａ〜３２Ｅとを交互に積層した多重の量子井戸構造を有するものとされ、当該井戸層３１Ａ〜３１Ｄで発光される光の波長はそれぞれ異なるものとされる。

また、図３に示す活性層３０ではキャリアブロック層３３および３４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３３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３４上にｐ型半導体層２０が配置される。

このような活性層３０ではｐ型半導体層２０におけるリッジ部に沿って光導波路が形成され、当該活性層３０の一側面が光出射端面となる。

反射防止膜４０は、活性層３０の側面のうち、当該活性層３０で生じる光を出射すべき光出射端面に成膜される。この反射防止膜４０の形成手法としては、例えば、Ａｌ２０３、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２などを単層または多層に蒸着、スパッター、化学気相成長（CVD：Chemical Vapor Deposition）等の手法が挙げられる。

反射膜５０は、活性層３０における光出射端面とは逆の側面に成膜される。この反射膜５０の形成手法としては、例えば、金属、誘電体あるいは金属と誘電体を組み合わせたものなどを単層または多層に蒸着、スパッター、ＣＶＤ等の手法が挙げられる。

図４は活性層３０で生じる光のスペクトルを示す図であり、図５は反射膜５０の反射スペクトルを示す図である。図４および図５に示すように、本実施形態における反射膜５０の反射スペクトルは、最小の反射率となる波長が活性層３０で生じる光のスペクトルの半値幅ＨＷ内にあり、かつ、半値幅ＨＷ内では最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の双方の反射率が最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となっている。

すなわち、活性層３０で生じる光はピーク（極大部）から短波長側および長波長側に向かって減少し続けるスペクトル線Ｌ１を有しているのに対し、反射膜５０はボトムピーク（極小部）から短波長側および長波長側に向かって増加し続けるスペクトル線Ｌ２を有する。いいかえると、活性層３０で生じる光のスペクトル線Ｌ１の向きと、反射スペクトルのスペクトル線Ｌ２の向きとが上下反転した関係となっている。これらスペクトル線Ｌ１およびＬ２のスペクトル形状（単位波長あたりの変化量）は異なっていても同じであっても良い。

なお、活性層３０で生じる光のスペクトルは、本実施形態では、各井戸層３１Ａ〜３１Ｄで発光される光の合成光のスペクトル分布を意味する。また、半値幅ＨＷはスペクトル分布において相対強度がピーク値から５０％となる波長の幅（波長帯域）を意味し、スペクトル線Ｌ１およびＬ２はスペクトル分布に近似する曲線（回帰曲線）または直線（回帰直線）のことを意味する。

＜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１５および第２電極層２７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る。第２電極層２７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される。

したがってリッジ部下方領域のみが発光に寄与し、また井戸層３１Ａ〜３１Ｄで発光した光はｎ型半導体層１０のクラッド層１３およびｐ型半導体層２０の第１クラッド層２２に閉じ込められる。これにより活性層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。

＜作用・効果＞
図６は光導波路の様子を概念的に示す図である。また、図７は反射膜で反射した反射光のスペクトルを示す図であり、図８は光導波路から出射した出射光のスペクトルを示す図である。なお、図６の活性層３０において太実線で描かれる曲線は光導波路の中心部分を概略的に示すものである。

図６に示すように、光導波路では光出射端面側に進む前進光と、当該光出射端面側とは逆の端面側に進む後進光とが生じ、当該後進光は反射膜５０で反射する。反射膜５０の反射スペクトルは、上述したように、最小の反射率となる波長が活性層３０で生じる光のスペクトルの半値幅ＨＷ内にあり、かつ、半値幅ＨＷ内では最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の双方の反射率が最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となっている。

このため、反射膜５０を反射した反射光のスペクトルにおいては、図７に示すように、半値幅内の一部の波長間の強度差が小さくなってなだらかとなり、当該半値幅が広がることになる。また、ピーク波長は、反射前のピーク波長と異なる波長になる。

そして、この反射光は活性層３０を光出射端面側に進みながら前進光と重なり合って合成波が形成される。この合成波は、図８に示すように、活性層３０の光出射端面から出射される。

このように本実施形態のスーパールミネッセントダイオード１は、反射膜５０により半値幅が広げられ、かつ、ピーク波長がずれた後進光を前進光と重ね合わせて発光させるようにしたことで、活性層３０に注入すべきキャリアの注入量にかかわらず、当該発光波長を広帯域化することができる。

なお、広帯域化を図る観点では、反射スペクトルにおける最小の反射率をとる波長は、活性層３０で生じる光の最大強度における波長と一致することが好ましい。

ところで、本実施形態における活性層３０では、光出射端面に対して垂直ではなく斜めに光導波路が形成される。このため、光導波路内での光の往復による増幅作用が抑制され、レーザ発振を抑制している。これにより波長帯域を広く保ったままの発光とすることができる。

（２）第２実施形態
次に、本発明を実施するために好適となる第２実施形態について図面を用いながら詳細に説明する。ただし、第２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構成要素のうち第１実施形態と同一又は同等の構成要素については、同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図９は、第２実施形態におけるスーパールミネッセントダイオードを図６と同じ視点で示す図である。図９に示すように、本実施形態のスーパールミネッセントダイオードは、第１実施形態の反射膜５０を反射防止膜４０に変更した点、および、反射素子６０を新たに備える点において、第１実施形態のスーパールミネッセントダイオード１と相違している。

この反射素子６０は、活性層３０における光出射端面とは逆の側面に対向される反射面を有し、当該側面に接する配置、または、所定距離を隔てて配置される。また、反射素子６０の反射スペクトルは、上記第１実施形態の反射膜５０の反射スペクトルと同じとされる。

このようなスーパールミネッセントダイオードであっても、上記第１実施形態の場合と同様に、当該反射素子６０により半値幅が広げられた後進光を前進光と重ね合わせて発光させることができる。したがって、上記第１実施形態の場合と同様に、活性層３０に注入すべきキャリアの注入量にかかわらず、当該発光波長を広帯域化することができる。

なお、反射部材として、本実施形態では活性層３０における光出射端面とは別部材として設けているため、該端面に対して直接的に反射膜５０を設ける第１実施形態に比べて反射素子６０を所望の反射特性で作製し易い。したがって、反射特性のバリエーションを増やすことが要求される場合などにおいては、第１実施形態の場合に比べて本実施形態の場合のほうが好ましい。

（３）変形例
第１実施形態および第２実施形態が一例として挙げられた。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、４つの井戸層３１Ａ〜３１Ｄと５つの障壁層３２Ａ〜３２Ｅとを交互に積層した多重の量子井戸構造を有する活性層３０が適用された。しかしながら、井戸層の層数と障壁層の層数とは上記実施形態以外の層数としても良く、また、単層の量子井戸構造を有する活性層が適用されても良い。

また上記実施形態では、反射部材としての反射膜５０または反射素子６０の反射スペクトルが、最小の反射率の波長を基準として短波長側および長波長側の双方の反射率が最小の反射率から離れるにつれて増加し続けるスペクトル形状を有していた。しかしながら、少なくとも、最小の反射率の波長を基準として短波長側および長波長側のいずれか一方側の反射率が半値幅ＨＷ内において最小の反射率から離れるにつれて増加していれば良い。

また上記実施形態では、光出射面に反射防止膜４０のみが形成されたが、光出射面の前方に、特定の波長帯の光を選択的に透過するフィルタ膜（ＢＰＦ膜）が備えられていても良い。図１０に構成例を示す。
図１０に示す例では、スーパールミネッセントダイオード１の活性層３０における光出射面の前方に光学部品７０が備えられる。この光学部品７０は、基台ＰＤを有し、当該基台ＰＤにおいて活性層３０の光出射面と対向する面に１／４波長板７１が備えられる。また、基台ＰＤにおいて１／４波長板７１が備えられる面と逆側の面にはＢＰＦ膜７２が備えられる。この光学部品７０は、例えば、ガラス等の基台ＰＤにおける一面に１／４波長板７１貼り付け、当該基台ＰＤにおける一面とは反対側の面に多層薄膜にてＢＰＦ膜７２を形成することで得られる。
ＢＰＦ膜７２は、活性層３０における光出射端面から出射する光の波長特性に応じた波長選択性を有している。なお、ＢＰＦ膜７２は、ピークとなる波長が活性層３０で生じる光のスペクトルの半値幅ＨＷ内にあり、かつ、その半値幅ＨＷ内ではピークとなる波長を基準として短波長側および長波長側の少なくとも一方側の反射率がピークから離れるにつれて増加するスペクトル形状となるスペクトルを有していることが好ましい。つまり、反射スペクトルのスペクトル線Ｌ２の向きに対し、ＢＰＦ膜７２におけるスペクトル線の向きが上下反転した関係となっていると良い。このＢＰＦ膜７２におけるスペクトル線とスペクトル線Ｌ２とのスペクトル形状（単位波長あたりの変化量）は異なっていても同じであっても良い。
１／４波長板７１は、ＢＰＦ膜７２を透過せずに活性層３０の光出射端面側に戻る光の偏波面を４５°回転させる。これにより光出射面側に戻る光は、当該光出射面から出射した光に対して９０°偏波面が回転することになるため、活性層３０に光が戻ることが防止される。
なお、１／４波長板７１とＢＰＦ膜７２とは光学部品７０として一体に形成されているが、当該１／４波長板７１とＢＰＦ膜７２とが別体とされていても良い。

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が断面凸状のリッジ型とされた。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のリッジ部分が屈曲部位を有する曲がり導波路型とされたが、当該屈曲部位を有さない直線導波路型とされても良い。

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
３１Ａ〜３１Ｄ・・・井戸層
３２Ａ〜３２Ｅ・・・障壁層
３３，３４・・・キャリアブロック層
４０・・・反射防止膜
５０・・・反射膜
６０・・・反射素子
７０・・・光学部品
７１・・・１／４波長板
７２・・・ＢＰＦ膜

Claims (4)

1. 量子井戸構造を有する活性層と、
   前記活性層における光出射端面とは逆の端面側に配置される反射部材と
   を備え、
   前記反射部材は、
   最小の反射率となる波長が前記活性層で生じる光のスペクトルの半値幅内にあり、かつ、前記半値幅内では前記最小の反射率となる波長を基準として短波長側および長波長側の少なくとも一方側の反射率が前記最小の反射率から離れるにつれて増加するスペクトル形状となる反射スペクトルを有する
   ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記反射部材は、前記活性層における光出射端面とは逆の端面に設けられる反射膜である
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記活性層における光出射端面の前方に設けられ、特定の波長帯の光を選択的に透過するフィルタ膜と、
   前記フィルタ膜及び前記活性層における光出射端面の間に設けられる１／４波長板と
   をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記最小の反射率における波長は、前記活性層で生じる光の最大強度における波長と一致する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか１項に記載の半導体発光素子。

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