JP2022140943A - 半導体発光装置および光結合装置 - Google Patents

半導体発光装置および光結合装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2022140943A
JP2022140943A JP2021041036A JP2021041036A JP2022140943A JP 2022140943 A JP2022140943 A JP 2022140943A JP 2021041036 A JP2021041036 A JP 2021041036A JP 2021041036 A JP2021041036 A JP 2021041036A JP 2022140943 A JP2022140943 A JP 2022140943A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
semiconductor layer
semiconductor
light
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021041036A
Other languages
English (en)
Inventor
明 田中
Akira Tanaka
秀人 菅原
Hideto Sugawara
且章 近藤
Katsuaki Kondo
昌伸 岩本
Masanobu Iwamoto
建次 磯本
Kenji Isomoto
洋昭 大塚
Hiroaki Otsuka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Electronic Devices and Storage Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2021041036A priority Critical patent/JP2022140943A/ja
Priority to CN202110965770.XA priority patent/CN115084326A/zh
Priority to US17/466,995 priority patent/US11908972B2/en
Publication of JP2022140943A publication Critical patent/JP2022140943A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0216—Coatings
    • H01L31/02161—Coatings for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by at least one potential or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H01L31/16—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources
    • H01L31/167—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by at least one potential or surface barrier
    • H01L31/173—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the semiconductor device sensitive to radiation being controlled by the light source or sources the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by at least one potential or surface barrier formed in, or on, a common substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system

Abstract

【課題】発光出力を向上させた半導体発光装置および光結合装置を提供する。【解決手段】半導体発光装置は、基板と、第１導電形の第１半導体層と、活性層と、第２導電形の第２半導体層と、を備える。前記基板は、第１エネルギーバンドギャップを有する。前記第１半導体層は、前記基板上に設けられ、前記第１エネルギーバンドギャップよりも広い第２エネルギーバンドギャップを有する。前記活性層は、前記第１半導体層上に設けられ、前記第１および第２エネルギーバンドギャップよりも狭い第３エネルギーバンドギャップを有する量子井戸層と、前記第１半導体層と前記量子井戸層との間に設けられた第１障壁層と、を含む。前記第２半導体層は、前記活性層上に設けられる。前記基板の屈折率は、前記第１半導体層の屈折率よりも大きく、前記第１半導体層の屈折率は、前記第１障壁層の屈折率と同じか、または、前記第１障壁層の屈折率よりも大きい。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体発光装置および光結合装置に関する。
インジウムガリウム砒素混晶を発光層に用いたＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）は、シリコンフォトダイオードが感度を有する波長帯（９００～１０００ｎｍ）の光源として広く用いられている。
特開２００７－２０１０４０号公報
実施形態は、発光出力を向上させた半導体発光装置および光結合装置を提供する。
実施形態に係る半導体発光装置は、基板と、第１導電形の第１半導体層と、活性層と、第２導電形の第２半導体層と、を備える。前記基板は、第１エネルギーバンドギャップを有する。前記第１半導体層は、前記基板上に設けられ、前記第１エネルギーバンドギャップよりも広い第２エネルギーバンドギャップを有する。前記活性層は、前記第１半導体層上に設けられ、前記第１および第２エネルギーバンドギャップよりも狭い第３エネルギーバンドギャップを有する少なくとも１つの量子井戸層と、前記第１半導体層と前記量子井戸層との間に設けられた第１障壁層と、を含む。前記第２半導体層は、前記活性層上に設けられ、前記第３エネルギーバンドギャップよりも広い第４エネルギーバンドギャップを有する。前記基板の屈折率は、前記活性層から放射される光の波長において、前記第１半導体層の屈折率よりも大きく、前記第１半導体層の屈折率は、前記光の波長において、前記第１障壁層の屈折率と同じか、または、前記第１障壁層の屈折率よりも大きい。
第１実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光装置の活性層を示す模式断面図である。 第１実施形態に係る半導体発光装置の特性を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体発光装置を示す模式図である。 第２実施形態に係る半導体発光装置の特性を示すグラフである。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１を示す模式断面図である。半導体発光装置１は、例えば、波長９００～１０００ｎｍの赤外光を放射するＬＥＤである。
図１に示すように、半導体発光装置１は、例えば、基板１０と、発光体ＬＢと、第１電極２０と、第２電極３０と、を備える。基板１０は、例えば、導電性を有する半導体基板である。また、基板１０は、絶縁性基板と、その上に設けられた半導体層と、を含む構造であっても良い。基板１０は、例えば、第１導電形のガリウム砒素（以下、ＧａＡｓ）を含む。ここでは、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形として説明するが、実施形態はこれに限定される訳ではない。
発光体ＬＢは、基板１０上に設けられる。発光体ＬＢは、中間層１１と、第１半導体層１３と、活性層１５と、第２半導体層１７と、第３半導体層１９と、を含む。
中間層１１は、例えば、第１導電形のバッファ層である。中間層１１は、基板１０上に設けられる。中間層１１は、例えば、ＧａＡｓもしくは組成式ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）で表されるアルミニウムガリウム砒素混晶（以下、ＡｌＧａＡｓ）を含む。
第１半導体層１３は、例えば、第１導電形のクラッド層である。第１半導体層１３は、中間層１１上に設けられる。第１半導体層１３は、例えば、ＡｌＧａＡｓを含む。第１半導体層１３のＡｌＧａＡｓは、Ａｌ組成比ｘ１を有する。
活性層１５は、例えば、少なくとも１つの量子井戸を含む。活性層１５は、第１半導体層１３上に設けられる。
第２半導体層１７は、例えば、第２導電形のクラッド層である。第２半導体層１７は、活性層１５上に設けられる。第２半導体層１７は、例えば、ＡｌＧａＡｓを含む。第２半導体層１７のＡｌＧａＡｓは、Ａｌ組成比ｘ２を有する。Ａｌ組成比ｘ２は、例えば、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１と同じか、Ａｌ組成比ｘ１よりも大きい。
第３半導体層１９は、例えば、第２導電形のコンタクト層である。第３半導体層１９は、第２半導体層１７上に設けられる。第３半導体層１９は、例えば、ＧａＡｓを含む。
中間層１１、第１半導体層１３、活性層１５、第２半導体層１７および第３半導体層１９は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、基板１０の上に順次エピタキシャル成長される。発光体ＬＢは、基板１０の上にエピタキシャル成長された各半導体層をメサエッチングすることにより形成される。
第１電極２０は、第３半導体層１９の上に設けられる。第１電極２０は、第３半導体層１９に電気的に接続される。第１電極２０は、活性層１５から放射される光に対する反射率が高い材料を含む。第１電極２０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくは金（Ａｕ）を含む。
第２電極３０は、例えば、メサエッチングにより露出された基板１０上に設けられる。第２電極３０は、基板１０および中間層１１を介して第１半導体層１３に電気的に接続される。また、第２電極３０は、中間層１１の上に設けられても良い。例えば、発光体ＬＢは、第１半導体層１３、活性層１５、第２半導体層１７および第３半導体層１９をメサエッチングすることにより形成されても良い。その場合、中間層１１がメサエッチング後に露出され、第２電極３０は、中間層１１の上に形成される。第２電極３０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）もしくは金（Ａｕ）を含む。
図２は、第１実施形態に係る半導体発光装置１の活性層１５を示す模式断面図である。活性層１５は、第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２を含む。実施形態は、この例に限定されるわけではなく、活性層１５は、１つの量子井戸層もしくは３つ以上の量子井戸層を含んでも良い。
第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２は、例えば、組成式ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）で表されるインジウムガリウム砒素混晶（以下、ＩｎＧａＡｓ）を含む。
図２に示すように、第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２は、第１半導体層１３から第２半導体層１７に向かう方向、例えば、Ｚ方向に並ぶ。
第１量子井戸層ＷＬ１は、第１半導体層１３と第２量子井戸層ＷＬ２との間に設けられる。第１半導体層１３と第１量子井戸層ＷＬ１との間には、第１障壁層ＢＬ１が設けられる。第１量子井戸層ＷＬ１と第２量子井戸層ＷＬ２との間には、第２障壁層ＢＬ２が設けられる。
第２量子井戸層ＷＬ２は、第１量子井戸層ＷＬ１と第２半導体層１７との間に設けられる。第１量子井戸層ＷＬ１と第２半導体層１７との間には、第３障壁層ＢＬ１が設けられる。
第１半導体層１３は、第１障壁層ＢＬ１の不純物よりも高濃度の第１導電形不純物を含む。また、第２半導体層１７は、第３障壁層ＢＬ３の不純物よりも高濃度の第２導電形不純物を含む。
第１障壁層ＢＬ１、第２障壁層ＢＬ２および第３障壁層ＢＬ３は、例えば、組成式ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ１－ｙＰｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で表されるアルミニウムガリウム砒素リン混晶（以下、ＡｌＧａＡｓＰ）を含む。また、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３の少なくともいずれか一方は、ＡｌＧａＡｓを含んでも良い。
第１および第２量子井戸層ＷＬ１、ＷＬ２に用いられるＩｎＧａＡｓは、基板１０および中間層１１に用いられるＧａＡｓの格子定数よりも大きい格子定数を有する。また、ＩｎＧａＡｓの格子定数は、第１半導体層１３および第２半導体層１７に用いられるＡｌＧａＡｓの格子定数よりも大きい。また、ＡｌＧａＡｓは、ＧａＡｓの格子定数に近い格子定数を有する。
第１～第３障壁層ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３に用いられるＡｌＧａＡｓＰは、ＧａＡｓの格子定数よりも小さい格子定数を有する。第１～第３障壁層ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３にＡｌＧａＡｓＰを用いることにより、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓとの格子定数差に起因した応力が補償される。これにより、第２量子井戸層ＷＬ２およびその後に結晶成長される各層において、転移等の結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、ＡｌＧａＡｓＰのＡｌ組成比ｘおよびＰ組成比ｙを制御することにより、第１および第２量子井戸層ＷＬ１、ＷＬ２における格子歪を最適化し、活性層１５の発光効率を向上させることができる。
半導体発光装置１では、第１電極２０と第２電極３０との間に駆動電流を流すことにより、活性層１５に電子と正孔とを注入する。活性層１５は、第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２における電子および正孔の発光再結合により生じた光を放射する。活性層１５から第１電極２０に向かって伝播する光は、第１電極２０で反射され、伝播方向を変えて基板１０の方向に進む。結果として、活性層１５から放射された光は、基板１０の裏面に向かって伝播する（図１参照）。
例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓＰは、ＩｎＧａＡｓのエネルギーバンドギャップ（以下、Ｅｇ）よりも広いＥｇを有する。このため、基板１０、中間層１１、第１半導体層１３、第２半導体層１７および第３半導体層１９は、活性層１５から放射される光に対して、実質的に透明である。したがって、活性層１５において発生した光は、基板１０の発光体ＬＢとは反対側の裏面から放射される。また、ＧａＡｓのＥｇは、ＡｌＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓＰのＥｇよりも小さい。
半導体発光装置１の光出力を向上させるためには、活性層１５から基板１０の裏面に至る光の伝播過程において反射もしくは散乱を受けないことが望ましい。例えば、基板１０の屈折率ｎ０、中間層１１の屈折率ｎ１、第１半導体層１３の屈折率ｎ２および第１障壁層ＢＬ１の屈折率ｎｂは、ｎ０≧ｎ１＞ｎ２≧ｎｂの関係を有することが好ましい。さらに、活性層１５から第１電極２０の方向に伝播し、第１電極２０により反射される光を考慮すれば、第２半導体層１７（屈折率ｎ３）から基板１０の裏面へ向かう方向（－Ｚ方向）において、ｎ３＜ｎｂ≦ｎ２＜ｎ１≦ｎ０であることがさらに好ましい。言い換えれば、活性層１５から基板１０の裏面に至る伝播経路において、隣り合う半導体層間の屈折率差を小さくすることにより、光の反射および散乱を抑制することが望ましい。
（実施例）
第１半導体層１３、第２半導体層１７、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３には、アルミニウムガリウム砒素混晶（ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ）を用いることができる。以下の例では、第１半導体層１３のＡｌ組成比をｘ１、第２半導体層１７のＡｌ組成比をｘ２、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３のＡｌ組成比をｘｂとする。ＡｌＧａＡｓは、Ａｌ組成ｘが大きくなると、屈折率が小さくなり、Ｅｇが広くなる。
例えば、基板１０および中間層１１のＧａＡｓは、約１．４ｅＶのＥｇを有する。第１および第２量子井戸層ＷＬ１、ＷＬ２は、約１．１ｅＶＥｇを有し、波長９００～１０００ｎｍの光を放出する。両者のＥｇの差は、０．３ｅＶ程度である。例えば、ＧａＡｓのＥｇよりも広いＥｇを有するＡｌＧａＡｓをクラッド層（第１半導体層１３および第２半導体層１７）に用いることにより、第１および第２量子井戸層ＷＬ１、ＷＬ２とクラッド層との間のＥｇの差を大きくすることができる。これにより、活性層１５へのキャリア（正孔）の閉じ込め効果を向上させ、活性層１５の発光効率を向上させることが可能となる。
この例では、クラッド層である第１半導体層１３および第２半導体層１７に加えて、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３にもＡｌＧａＡｓを用いることにより、第１および第２量子井戸層ＷＬ１、ＷＬ２へのキャリアの封じ込めをより有意に実現できる。
基板１０は、ＧａＡｓ基板であり、中間層１１は、ＧａＡｓバッファ層である。第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓを含む。第２障壁層ＢＬ２は、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ０．９Ｐ０．１を含む。
図３は、第１実施形態に係る半導体発光装置１の特性を示すグラフである。横軸は、第１半導体層１３（ｎ形クラッド層）のＡｌ組成比ｘ１である。縦軸は、光出力である。図３には、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３のＡｌ組成比ｘｂをパラメータとして、Ａｌ組成比ｘ１に対する光出力を示している。第２半導体層１７のＡｌ組成比ｘ２は、０．５である。
活性層１５から放射される光の波長は、例えば、９５０ｎｍである。ＧａＡｓの屈折率は、３．５４である。ＡｌＧａＡｓの屈折率は、３．４８（Ａｌ組成比ｘ＝０．１）、３．４７（Ａｌ組成比ｘ＝０．１５）、３．４２（Ａｌ組成比ｘ＝０．２）、３．３６（Ａｌ組成比ｘ＝０．３）、３．３１（Ａｌ組成比ｘ＝０．４）、３．２５（Ａｌ組成比ｘ＝０．５）と変化する。
Ａｌ組成比ｘｂ＝０場合、すなわち、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３がＧａＡｓである場合には、ｎ０＝ｎ１＝ｎｂ＞ｎ２となる。すなわち、第１障壁層ＢＬ１および第１半導体層１３の屈折率の大小関係が逆転する。この例では、第１半導体層１３と活性層１５の界面における光反射が大きくなる。また、活性層１５から第１半導体層１３への正孔の漏れが顕著になり発光効率も低下する。このため、光出力は低レベルである。
Ａｌ組成比ｘｂ＝０．１場合、光出力は、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１が０．１の時に最大となり、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１が０．１よりも大きくなるにつれて光出力が低下する。これは、第１半導体層１３とＧａＡｓを含む中間層１１との間の屈折率差が大きくなり、中間層１１と第１半導体層１３との界面における光反射が増えるためである。また、Ａｌ組成比ｘ１が０．１以下になると、活性層１５と第１半導体層１３との間のエネルギー障壁が小さくなる。このため、活性層１５から第１半導体層１３への正孔の漏れが顕著になり、第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２における発光再結合が減少し、光出力が低下する。
Ａｌ組成比ｘｂ＝０．１５の場合、光出力は、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１が０．１５の時に最大となり、Ａｌ組成比ｘ１が０．２よりも大きくなると光出力が低下する。これは、第１半導体層１３とＧａＡｓを含む中間層１１との間の屈折率差が大きくなり、第１半導体層１３と中間層１１との界面における光反射が増加するためである。一方、Ａｌ組成比ｘ１が０．１よりも小さくなると、活性層１５から第１半導体層１３への正孔の漏れにより光出力が低下する。
Ａｌ組成比ｘｂ＝０．２の場合、光出力は、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１が０．１５～０．２の時に最大となり、Ａｌ組成比ｘ１が０．２よりも大きくなると光出力が徐々に低下する。これは、第１半導体層１３とＧａＡｓを含む中間層１１との間の屈折率差が大きくなり、中間層１１と第１半導体層１３との界面における光反射が増えるためである。一方、Ａｌ組成比ｘ１が０．１よりも小さくなると、活性層１５から第１半導体層１３への正孔の漏れにより光出力が低下する。
このように、第１半導体層１３、第１障壁層ＢＬ１および第２障壁層ＢＬ２におけるＡｌ組成比を好適に制御することにより、例えば、第１半導体層１３と中間層１１との界面における光反射を抑制し、光出力を向上させることができる。また、第１半導体層１３のＡｌ組成比ｘ１を０．１以上とすることにより、活性層１５への正孔の閉じ込め効果を向上させ、光出力を増すことができる。例えば、図３中に破線で示す領域内のＡｌ組成比を用いることにより、半導体発光装置１の光出力を向上させることができる。この領域では、Ａｌ組成比はｘ２＞ｘｂ≧ｘ１となり、ｎ０≧ｎ１＞ｎ２≧ｎｂ＞ｎ３の関係を満足することができる。また、第１障壁層ＢＬ１および第３障壁層ＢＬ３のＥｇが第１半導体層１３のＥｇよりも大きくなり、第１量子井戸層ＷＬ１および第２量子井戸層ＷＬ２におけるキャリアの閉じ込め効果を向上させることができる。
（第２実施形態）
図４（ａ）および（ｂ）は、第２実施形態に係る光結合装置２を示す模式図である。図４（ａ）は、光結合装置２を示す斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）中に示す切断面ＣＰに沿った断面図である。光結合装置２は、所謂、フォトカプラである。
光結合装置２は、基板１０と、発光体ＬＢと、第１電極２０と、第２電極３０と、を備える。発光体ＬＢは、基板１０上に設けられる。第１電極２０は、発光体ＬＢの上に設けられる。第２電極３０は、例えば、基板１０の表面上に設けられる。第２電極３０は、例えば、基板１０の四角形の表面の１つの角に設けられる。発光体ＬＢおよび第１電極２０は、基板１０の残りの領域を覆うように設けられる。
図４（ｂ）に示すように、光結合装置２は、受光素子４０をさらに備える。受光素子４０は、樹脂層５０を介して、基板１０の発光体ＬＢとは反対側の裏面に接合される。受光素子４０は、例えば、シリコンフォトダイオードである。樹脂層５０は、例えば、ポリイミドを含む樹脂層である。
樹脂層５０は、絶縁膜５３を介して、基板１０の裏面に接続される。絶縁膜５３は、例えば、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜である。絶縁膜５３は、基板１０と樹脂層５０との接着性を向上させる。また、絶縁膜５３は、基板１０と樹脂層５０との間において反射防止膜として機能する。また、基板１０の裏面は、光取り出し効率を向上させるための凹凸を有しても良い。
受光素子４０は、受光層４３を含む。受光層４３は、例えば、シリコン基板上に設けられたエピタキシャル層である。受光層４３は、樹脂層５０に接続される。
樹脂層５０および絶縁膜５３は、活性層１５（図１参照）から放射される光に対して、実質的に透明である。活性層１５から放射された光は、樹脂層５０および絶縁膜５３を通して、受光層４３に入射する。
光結合装置２は、発光素子と受光素子とを積層した構造を有するため、実装面積を小さくすることができる。また、発光素子と受光素子の間隔を樹脂層５０の層厚により制御し、パッケージを低背化することもできる。
光結合装置２では、受光素子４０の受光層４３に均一に光が照射されることが望ましい。例えば、受光層４３の表面における光強度が局所的に強くなると、その部分の電流密度が上昇し、受光素子４０の出力電圧が不安定になる場合がある。
図５は、第２実施形態に係る光結合装置２の特性を示すグラフである。図５は、図４（ｂ）に示す断面における受光素子４０の受光面上の光強度分布を表している。図５中には、光結合装置２における光強度分布ＥＭと、比較例に係る半導体発光装置の光強度分布ＣＥと、を表している。
図５に示す光強度分布ＥＭおよびＣＥは、例えば、光線追跡法により求めることができる。この例では、樹脂層５０の屈折率を１．７、樹脂層５０の厚さ１０μｍとして計算している。また、受光面から深さ１μｍの光強度分布を求めるため、受光層４３の厚さは１μｍとした。また、シリコンの吸収を考慮するため、波長９５０ｎｍにおける複素屈折率（３．５９、１．１９×１０－３）を用いた。
光結合装置２の発光体ＬＢは、半導体発光装置１の発光体ＬＢと同じ構造を有する。基板１０、中間層１１、第１半導体層１３および活性層１５の屈折率は、ｎ０＝ｎ１＞ｎ２≧ｎｂの関係を有する。
これに対し、比較例に係る半導体発光装置では、第１半導体層１３は、Ａｌ組成ｘ１＝０．５を有する。基板１０、中間層１１、第１半導体層１３および活性層１５における各層の屈折率は、ｎ０＝ｎ１＞ｎｂ＞ｎ２の関係を有する。すなわち、活性層１５から基板１０の裏面に向かう光の伝播経路において、第１導電形のクラッド層（第１半導体層１３）の屈折率が低下し、第１導電形のバッファ層（中間層１１）において屈折率が上昇する構成となっている。
図５に示すように、比較例に係る光強度分布ＣＥは、２つの強度ピークＰ１およびＰ２を有する。強度ピークＰ１は、基板１０（ＧａＡｓ基板）の端に近い位置であって、発光体ＬＢの下方に位置する受光面上に見られる。一方、強度ピークＰ２は、第２電極３０の下方に位置する受光面上に見られる。
これらの強度ピークＰ１およびＰ２は、中間層１１と第１半導体層１３との界面、および、第１半導体層１３と活性層１５との界面における光の多重反射、および、基板１０の側面における反射などの作用により生じたものと考えられる。
発光素子と受光素子とを積層する光結合装置では、例えば、Ｚ方向における基板１０から受光素子４０に至る距離が基板１０の厚さよりも短く、樹脂層５０の屈折率も、通常の透明樹脂や絶縁膜の屈折率（１．４程度)より大きい。このため、発光素子および受光素子の積層構造の最適化などにより、発光体ＬＢ内の屈折率差に起因した反射の影響を低減することは難しい。
これに対し、光結合装置２の光強度分布ＥＭには、強度ピークＰ１およびＰ２が見られず、発光体ＬＢ内の光反射が抑制されていることが分かる。これにより、受光素子４０の出力電圧を安定化できる。また、活性層１５から基板１０の裏面に至る光の伝播経路における反射および散乱を抑制することにより、基板１０から受光素子４０に入射する光量も増加する。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…半導体発光装置、 ２…光結合装置、 １０…基板、 １１…中間層、 １３…第１半導体層、 １５…活性層、 １７…第２半導体層、 １９…第３半導体層、 ２０…第１電極、 ３０…第２電極、 ４０…受光素子、 ４３…受光層、 ５０…樹脂層、 ５３…絶縁膜、 ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３…障壁層、 ＣＰ…切断面、 ＬＢ…発光体、 ＷＬ１…第１量子井戸層、 ＷＬ２…第２量子井戸層

Claims (7)

  1. 第１エネルギーバンドギャップを有する基板と、
    前記基板上に設けられ、前記第１エネルギーバンドギャップよりも広い第２エネルギーバンドギャップを有する第１導電形の第１半導体層と、
    前記第１半導体層上に設けられ、前記第１および第２エネルギーバンドギャップよりも狭い第３エネルギーバンドギャップを有する少なくとも１つの量子井戸層と、前記第１半導体層と前記量子井戸層との間に設けられた第１障壁層と、を含む活性層と、
    前記活性層上に設けられ、前記第３エネルギーバンドギャップよりも広い第４エネルギーバンドギャップを有する第２導電形の第２半導体層と、
    を備え、
    前記基板の屈折率は、前記活性層から放射される光の波長において、前記第１半導体層の屈折率よりも大きく、
    前記第１半導体層の屈折率は、前記光の波長において、前記第１障壁層の屈折率と同じか、または、前記第１障壁層の屈折率よりも大きい半導体発光装置。
  2. 前記第２半導体層の屈折率は、前記活性層から放射される光の波長において、前記第１半導体層の屈折率よりも小さい請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 前記基板と前記第１半導体層との間に設けられ、前記第３エネルギーバンドギャップよりも広い第４エネルギーバンドギャップを有し、前記活性層から放射される光の波長において、前記第１半導体層の屈折率よりも大きい第１導電形の中間層をさらに備えた請求項１または２に記載の半導体発光装置。
  4. 前記基板はガリウム砒素を含み、
    前記第１半導体層は、第１アルミニウムガリウム砒素混晶を含み、
    前記第１障壁層は、第２アルミニウムガリウム砒素混晶を含み、
    前記第１アルミニウムガリウム砒素混晶のアルミニウム組成比は、前記第２アルミニウムガリウム砒素混晶のアルミニウム組成比と同じか、前記第２アルミニウムガリウム砒素混晶のアルミニウム組成比よりも小さい請求項１～３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  5. 前記第２半導体層は、第３アルミニウムガリウム砒素混晶を含み、
    前記第３アルミニウムガリウム砒素混晶のアルミニウム組成比は、前記第１アルミニウムガリウム砒素混晶の前記アルミニウム組成比、および、前記第２アルミニウムガリウム砒素混晶のアルミニウム組成比よりも大きい請求項４記載の半導体発光装置。
  6. 前記活性層は、前記量子井戸層と前記第２半導体層との間に設けられた第２障壁層をさらに含み、
    前記量子井戸層は、インジウムガリウム砒素混晶を含み、前記第２障壁層は、アルミニウムガリウム砒素リン混晶を含む請求項１～５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
  7. 請求項１～６のいずれか１つに記載の半導体発光装置と、
    前記半導体発光装置の前記基板の前記活性層とは反対側の裏面側に接合され、前記活性層から放射される光を受ける受光素子と、
    を備えた光結合装置。
JP2021041036A 2021-03-15 2021-03-15 半導体発光装置および光結合装置 Pending JP2022140943A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021041036A JP2022140943A (ja) 2021-03-15 2021-03-15 半導体発光装置および光結合装置
CN202110965770.XA CN115084326A (zh) 2021-03-15 2021-08-23 半导体发光装置及光耦合装置
US17/466,995 US11908972B2 (en) 2021-03-15 2021-09-03 Semiconductor light-emitting device and optical coupling device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021041036A JP2022140943A (ja) 2021-03-15 2021-03-15 半導体発光装置および光結合装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022140943A true JP2022140943A (ja) 2022-09-29

Family

ID=83195139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021041036A Pending JP2022140943A (ja) 2021-03-15 2021-03-15 半導体発光装置および光結合装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11908972B2 (ja)
JP (1) JP2022140943A (ja)
CN (1) CN115084326A (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116504890B (zh) * 2023-06-28 2023-09-01 江西兆驰半导体有限公司 一种红外反极性发光二极管外延片、制备方法及led

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2500617B2 (ja) * 1993-06-25 1996-05-29 日本電気株式会社 屈折率制御光半導体構造
JP2007012688A (ja) 2005-06-28 2007-01-18 Toshiba Corp 半導体発光素子
US7368759B2 (en) * 2005-09-30 2008-05-06 Hitachi Cable, Ltd. Semiconductor light-emitting device
JP4554526B2 (ja) 2006-01-25 2010-09-29 アンリツ株式会社 半導体発光素子
JP5186093B2 (ja) 2006-09-26 2013-04-17 スタンレー電気株式会社 半導体発光デバイス
US7745843B2 (en) 2006-09-26 2010-06-29 Stanley Electric Co., Ltd. Semiconductor light emitting device
KR101316423B1 (ko) * 2007-08-09 2013-10-08 엘지이노텍 주식회사 반도체 발광소자 및 그 제조방법
JP2009238778A (ja) 2008-03-25 2009-10-15 Eudyna Devices Inc 発光素子の製造方法
JP2010245312A (ja) * 2009-04-07 2010-10-28 Hitachi Cable Ltd 発光素子
JP2011009524A (ja) * 2009-06-26 2011-01-13 Hitachi Cable Ltd 発光素子及び発光素子の製造方法
US9024292B2 (en) * 2012-06-02 2015-05-05 Xiaohang Li Monolithic semiconductor light emitting devices and methods of making the same
JP6226393B2 (ja) 2015-12-24 2017-11-08 株式会社東芝 光結合装置
JP7240148B2 (ja) 2018-11-21 2023-03-15 株式会社東芝 光結合装置

Also Published As

Publication number Publication date
US11908972B2 (en) 2024-02-20
US20220293817A1 (en) 2022-09-15
CN115084326A (zh) 2022-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6593602B2 (en) Edge emission type semiconductor device for emitting super luminescent light, its manufacture and spatial optical communication device
US20120287958A1 (en) Laser Diode Assembly and Method for Producing a Laser Diode Assembly
JP7137556B2 (ja) 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュール、溶接用レーザ光源システム、及び、半導体レーザ装置の製造方法
KR20070000290A (ko) 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드
KR20060136260A (ko) 비대칭 광도파층을 지닌 반도체 레이저 다이오드
EP0174344A1 (en) LUMINESCENCE DIODE WITH EDGE EMISSION.
US20070071050A1 (en) Laser diode device
US6539040B2 (en) Laser diode and fabrication process thereof
JP5480192B2 (ja) 半導体発光素子の製造方法
JP5307300B2 (ja) 光デバイス、光デバイスの製造方法、およびレーザモジュール
JP2022140943A (ja) 半導体発光装置および光結合装置
US6947461B2 (en) Semiconductor laser device
US7957442B2 (en) Semiconductor optical device
US7103080B2 (en) Laser diode with a low absorption diode junction
JP2003519931A (ja) 相分離が抑制されたｉｉｉ族窒化物半導体構造
US6493132B1 (en) Monolithic optically pumped high power semiconductor lasers and amplifiers
JP2007194390A (ja) 半導体発光装置の製造方法
WO2020100608A1 (ja) 半導体レーザおよび電子機器
KR100278626B1 (ko) 반도체 레이저 다이오드
US20220276439A1 (en) Waveguide structure for a photonic integrated circuit
KR100991989B1 (ko) 비대칭 웨이브가이드 레이저 다이오드
JP2024053342A (ja) 面発光型量子カスケードレーザおよびその制御方法
JP4962737B2 (ja) 光半導体装置
CN117254350A (zh) 半导体器件及其形成方法
CN116746012A (zh) 半导体激光器元件

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230202

RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20230623

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230929

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231101

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240104

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240402