JP5669672B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

半導体発光素子の一種として、スーパールミネッセントダイオード（以下「ＳＬＤ」と記す）が知られている。ＳＬＤは、発光ダイオードのような広帯域なスペクトル分布を有しつつ、半導体レーザのような高出力が得られる発光素子であり、高分解能が求められる医療分野や計測分野で用いられる光源として注目されている。

関連技術としては、例えば特許文献１に記載の半導体発光素子がある。この従来の半導体発光素子は、圧縮歪みを有する量子井戸層を含む活性層を備えた半導体発光素子であって、量子井戸層の総膜厚が臨界膜厚（結晶内部で転位が発生して格子歪みが緩和する膜厚）を超えない範囲で量子井戸層の格子不整合を１．２％以上２．５％未満とすることで、転位に伴う結晶欠陥を生じさせずに所定の偏光度を得ている。

特開平９−２４６５９２号公報

ところで、ＳＬＤは、半導体レーザと同様の結晶構造を備えつつも、敢えて発振条件を満たさないように、端面無反射コーティング、傾斜電極構造、湾曲電極構造といった種々の構成を備えている。そのため、ＳＬＤでは、半導体レーザ同様の光出力を得るために、半導体レーザの数倍の印加電流が必要とされている。

このようなＳＬＤでは、内在する歪みエネルギーにより不安定な状態となっていた結晶が、通電によるアニーリングによって安定な状態に変化することが考えられる。かかる状態変化としては、例えば量子井戸を構成するＩｎの空間的な拡散、それに伴う実効的な量子井戸厚の変化、導波路を構成する半導体材料の僅かな屈折率変化などが挙げられる。これらの状態変化は、最終的に光閉じ込め係数の変化を誘発し、特性の劣化につながるおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、長時間使用した場合であっても特性の劣化を抑制できる半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る半導体発光素子は、圧縮歪みを有する量子井戸層を含む活性層を備えた化合物半導体からなる半導体発光素子であって、量子井戸層の総膜厚が当該量子井戸層の臨界膜厚よりも大きく、かつ量子井戸層の格子不整合が１．０％以上２．５％未満であることを特徴としている。

この半導体発光素子では、量子井戸層の総膜厚を臨界膜厚よりも大きい範囲とし、かつ量子井戸層の格子不整合を１．０％以上２．５％未満としている。これにより、半導体発光素子の結晶内部（具体的には量子井戸層よりも上層部分）に所定の密度でミスフィット転位が発生し、このミスフィット転位が結晶内部に蓄積された歪みエネルギーを緩和するように作用する。したがって、この半導体発光素子では、比較的大きな印加電流を長時間通電させた場合であっても結晶内部に状態変化が生じることを抑制でき、特性の劣化を抑制することが可能となる。

本発明によれば、長時間使用した場合であっても特性の劣化を抑制できる。

本発明に係る半導体発光素子の一実施形態を示す斜視図である。 リッジ部表面のクロスハッチの様子を示す図である。 実施例及び比較例における格子不整合と量子井戸層の総膜厚との関係を示す図である。 比較例１におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。 比較例２におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。 実施例１におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。 実施例２におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光素子の一実施形態を示す斜視図である。同図に示す半導体発光素子１は、スーパールミネッセントダイオード（以下「ＳＬＤ」と記す）であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に複数の半導体層を備えて構成されている。

ｎ型ＧａＡｓ基板１０上の半導体層は、例えば厚さ１．５μｍ程度のＮ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓクラッド層２０と、厚さ１２０ｎｍ程度のノンドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ光ガイド層３０と、ＩｎＧａ（Ａｌ）Ａｓ／Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ多重量子井戸層を含む活性層４０と、厚さ１２０ｎｍ程度のノンドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ光ガイド層５０と、厚さ０．１μｍ程度のＰ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓクラッド層６０と、厚さ２０ｎｍ程度の高Ａｌ組成エッチングストップ層７０と、厚さ１．４μｍ程度のＰ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓクラッド層８０と、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０とがこの順で積層されて構成されている。

半導体発光素子１は、活性層４０と、活性層４０を挟み込むクラッド層２０，６０とによって、ダブルへテロ構造となっている。クラッド層２０，６０は、活性層４０の材料より屈折率が小さい材料からなることによって、活性層４０に光を閉じ込めるように作用する。

活性層４０は、量子井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有している。また、活性層４０は、光ガイド層３０，５０による分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Heterostructure：ＳＣＨ）を有している。この光ガイド層３０，５０は、量子井戸層及び障壁層を挟み込み、量子井戸層内にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込めるように作用する。量子井戸層では、これらの電子と正孔が再結合し、光が発生する。なお、図示していないが、基板１０に対してクラッド層２０と反対側、及びコンタクト層９０に対してクラッド層６０と反対側には、外部から電流を注入するための電極層が形成される（図示略）。

また、クラッド層８０及びコンタクト層９０はリッジ形状をなしており、コンタクト層９０上の電極層は、リッジ部分にのみ電気的に接触するようになっている。これによって、外部から注入される電流、すなわち電子と正孔とは、リッジ部分に対応する活性層４０の活性領域にのみ効率よく導かれる。活性領域とその周辺部との屈折率差によって、活性層４０には実効的な屈折率差が生じるため、活性層４０内にはリッジ部分に応じた屈折率型の光導波路が生成されることとなる。したがって、半導体発光素子１をリッジ型の構成にすることによって、電流注入領域と光導波領域が制限され、空間横基本モード動作が実現される。

また、図１に示すように、半導体発光素子１におけるリッジ部分は、半導体層の端面に対して７°程度傾斜を有している。これによって、導波路からみた出射面及び反射面での反射率は極端に低下するため、レーザ発振を抑制することができ、発光ダイオードのように比較的広帯域なスペクトル分布を有すると共に、半導体レーザのように比較的高出力を得ることができるＳＬＤが実現される。

次に、上述した活性層４０について更に詳細に説明する。

活性層４０においては、量子井戸層の総膜厚は、下記式（１）で表される当該量子井戸層の臨界膜厚よりも大きくなっている。量子井戸層の総膜厚とは、半導体発光素子１中の一つの量子井戸層の厚さに当該半導体発光素子１が有する量子井戸層の数を掛け合わせて算出した膜厚である。

（式（１）において、ｈ_ｃは臨界膜厚、ａ_ｅは量子井戸層の格子定数、ａ_ｓは基板の格子定数、ｆは格子不整合の絶対値の最大値（＝ａｓ−ａｅ）／ａｓ）、νはポアソン比（弾性スティフネス係数との関係はＣ１１／（Ｃ１１＋Ｃ１２））を表す。J. W. Matthews and A. E. Blackeslee, J.Cryst. Growth, 27, 118 (1974)参照）

また、量子井戸層の格子不整合は、Ｉｎの更なる導入により、１．０％以上２．５％未満となっている。これにより、量子井戸層より上層の半導体層の結晶内部にはミスフィット転位が発生し、結晶内部に蓄積された圧縮歪エネルギーが緩和される。リッジ部分において、コンタクト層９０の表面には、図２に示すように、ミスフィット転位に由来するクロスハッチが現れる。

以上のような半導体発光素子１では、圧縮歪みエネルギーが緩和されることにより、通電によるアニーリングによって結晶内部の状態が変化することを抑えることができる。結晶内部の状態変化に伴う光の閉じ込め係数により、例えば水平方向視野像の乱れといった特性の劣化が生じるおそれがある。これに対し、半導体発光素子１では、比較的大きな印加電流を長時間通電させた場合であっても結晶内部に状態変化が生じることを抑制でき、特性の劣化を抑制することが可能となる。

本発明に係る半導体発光素子の作用効果を確認するため、図３に示すように、量子井戸層の総膜厚と格子不整合とを調整しながら複数のサンプルを作製した。次に、作製した各サンプルについて初期特性を評価し、連続通電試験（スクリーニング）を実施した後、再び特性の評価を行った。特性の評価は、キンクの発生の有無を明確に判別するため、印加電流に対するスロープ効率（＝ΔＰ／ΔＩ）の測定によって行った。また、スクリーニングの条件は、温度Ｔ_ｏｐ＝５０℃、動作電流ＡＣＣ＝１６０ｍＡとし、５０時間の通電を行った。

図４は、比較例１におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。比較例１は、格子不整合が約０．１０％、量子井戸層の総膜厚が約４５ｎｍ（臨界膜厚未満）のサンプルである（図３におけるＡ）。この比較例１では、通電前のスロープ効率に比べて通電後のスロープ効率が低くなっているほか、印加電流が１５０ｍＡ前後となるあたりでスロープ効率が低下しており、キンクの発生が確認された。また、スクリーニング後の偏光比（＝ＴＥ／ＴＭ比）は約８．１であった。なお、比較例１では、量子井戸層の総膜厚が比較的厚いため、印加電流の増加に伴って発振条件が満たされ、ＳＬＤとしての特性が失われ易いという問題がある。

図５は、比較例２におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。比較例２は、格子不整合が約０．４５％、量子井戸層の総膜厚が約３５ｎｍ（臨界膜厚未満）のサンプルである（図３におけるＢ）。この比較例２では、比較例１と同様に、通電前のスロープ効率に比べて通電後のスロープ効率が低くなっているほか、印加電流が１５０ｍＡ前後となるあたりでスロープ効率が低下しており、キンクの発生が確認された。また、スクリーニング後の偏光比（＝ＴＥ／ＴＭ比）は約５８．８であった。

なお、比較例３は、格子不整合が約０．４０％、量子井戸層の総膜厚が約１２ｎｍ（臨界膜厚未満）のサンプルである（図３におけるＣ）。この比較例３の総膜厚では、活性層が単一量子井戸（Single Quantum Well：ＳＱＷ）構造にほぼ限定される。このため、第２励起準位に由来する発光が生じ、スロープ効率が向上するので、キンクの有無の発見が困難となる。

図６は、実施例１におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。実施例１は、格子不整合が約１．１％、量子井戸層の総膜厚が約３３ｎｍ（臨界膜厚以上）のサンプルである（図３におけるＤ）。この実施例１では、通電前のスロープ効率に比べて通電後のスロープ効率が僅かに低くなっているものの、印加電流を増加させた場合でもスロープ効率の低下は見られず、キンクが抑制されていることが確認された。

図７は、実施例２におけるスクリーニング前後での印加電流とスロープ効率との関係を示す図である。実施例２は、格子不整合が約１．６％〜１．８％、量子井戸層の総膜厚が約２２ｎｍ（臨界膜厚以上）のサンプルである（図３におけるＥ）。この実施例２では、印加電流を増加させた場合でも通電前のスロープ効率と通電後のスロープ効率とがほぼ同等となっており、キンクが抑制されていることが確認された。また、スクリーニング後の偏光比（＝ＴＥ／ＴＭ比）は約１２５．４であり、比較例に比べて高い偏光比が得られた。

以上のことから、本発明の半導体発光素子のように量子井戸層の総膜厚と格子不整合とを調整することにより、比較的大きな印加電流を長時間通電させた場合であっても特性の劣化を抑制できることが確認できた。キンクの発生を抑制できることにより、水平方向視野像の乱れが抑えられ、半導体発光素子の集光性やファイバとの結合性を良好に確保することができる。

１…半導体発光素子、４０…活性層。

Claims (1)

1. 圧縮歪みを有する量子井戸層を含む活性層を備えた化合物半導体からなる半導体発光素子であって、
   スーパールミネッセントダイオードであり、
   前記量子井戸層の総膜厚が当該量子井戸層の臨界膜厚よりも大きく、かつ前記量子井戸層の格子不整合が１．０％以上２．５％未満であることを特徴とする半導体発光素子。