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技術 半導体発光素子

出願人 アンリツ株式会社
発明者 吉田谷弘明
出願日 2007年3月22日 (13年9ヶ月経過) 出願番号 2007-075034
公開日 2008年10月2日 (12年2ヶ月経過) 公開番号 2008-235691
状態 拒絶査定
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード キャリア漏れ 略矩形断面 波長可変光源装置 光放射角度 進行角度 正面断面 光反射量 伝搬角度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2008年10月2日)のものです。
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図面 (11)

課題

光の放出効率を高め、高出力化を行うことのできる半導体発光素子を提供する。

解決手段

活性層4と第1クラッド層5、第2クラッド層6との間に、高屈折率層31と低屈折率層32とを交互に積層した多層部21、22を設けることにより、活性層4と第1クラッド層5、第2クラッド層6との臨界角を超える角度で発生した光も、多層部21、22によって屈折および反射し、活性層4内を進行させ、外部に出力させることができ、高出力化を計ることができる。

概要

背景

マルチメディアの普及に伴い、幹線系、アクセス系、データコム等で情報伝送急増しており、大規模波長多重光通信システムの実現が望まれている。このシステムを実現する上では高出力で多波長の光を出力する光源が主要な光部品の一つであり、開発が急がれている。この種の光源として、特に大出力が得られ、広帯域発光スペクトルが得られることで有望視されているスーパールミネッセントダイオード方式がある。

図10に、スーパールミネッセントダイオード方式を利用した従来の半導体発光素子外観斜視図を示す。

図10に示すように、半導体発光素子は、スラブ状活性層103の真上の上部第2クラッド層105、コンタクト層106および上部電極107が略矩形断面形状を有し、かつ所望幅のパターン形状に形成されているので、光は上記各層の略真下の活性層103の領域内に閉じ込められる自然放出光が発生し、パターン形状の略真下の活性層103内を導波しながら増幅されるので、大きな増幅利得が得られる(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−269600号公報

概要

光の放出効率を高め、高出力化を行うことのできる半導体発光素子を提供する。活性層4と第1クラッド層5、第2クラッド層6との間に、高屈折率層31と低屈折率層32とを交互に積層した多層部21、22を設けることにより、活性層4と第1クラッド層5、第2クラッド層6との臨界角を超える角度で発生した光も、多層部21、22によって屈折および反射し、活性層4内を進行させ、外部に出力させることができ、高出力化を計ることができる。

目的

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、活性層とクラッド層との臨界角を超える角度で発生した光についても放出光とすることができ、光の放出効率を高め、高出力化を行うことのできる半導体発光素子を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

半導体基板の上方に活性層が設けられており、前記半導体基板の屈折率、もしくは前記活性層と前記半導体基板の間に形成された半導体層の屈折率が最も低い屈折率を有する半導体発光素子において、前記活性層からその上下方向に向かって高屈折率層低屈折率層とが交互に積層されて成る多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率以上に構成されていることを特徴とする半導体発光素子。

請求項2

請求項1に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数有しており、前記対の前記活性層からの積層順をiとし、前記各対における前記高屈折率層および前記低屈折率層の屈折率をそれぞれnhiおよびnli、前記高屈折率層および前記低屈折率層の層厚をそれぞれdhiおよびdli、光波長をλと表すとき、nhidhi=nlidli且つ、dhi>λ/4nhidli>λ/4nliであることを特徴とする半導体発光素子。

請求項3

請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数積層した内部多層構造を複数積層してなり、前記内部多層構造の前記活性層からの積層順をkとし、前記内部多層構造ごとの前記高屈折率層および前記低屈折率層の層厚をそれぞれdhkおよびdlkと表すとき、dhk≠dh(k+1)dlk≠dl(k+1)を満たすことを特徴とする半導体発光素子。

請求項4

請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数積層した内部多層構造を複数積層してなり、前記内部多層構造の前記活性層からの積層順をkとし、前記内部多層構造ごとの前記高屈折率層および前記低屈折率層の屈折率をそれぞれnhkおよびnlkと表すとき、nhk≠nh(k+1)nlk≠nl(k+1)を満たすことを特徴とする半導体発光素子。

請求項5

請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造の各対の高屈折率層および低屈折率層の層厚を、前記活性層からその上方または下方に向かって徐々に厚くもしくは薄くすることを特徴とする半導体発光素子。

請求項6

請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造の各対の高屈折率層および低屈折率層の屈折率を、前記活性層からその上方または下方に向かって徐々に高くもしくは低くすることを特徴とする半導体発光素子。

請求項7

半導体基板の上方に活性層が設けられており、前記半導体基板の屈折率、もしくは前記活性層と前記半導体基板の間に形成された半導体層の屈折率が最も低い屈折率を有していて、前記活性層と前記半導体層とを含む複数の層を順次結晶成長させた基板ストライプ状にエッチングを施した後、前記基板のストライプ状に残された部分の両脇に結晶成長により埋め込み層を形成した半導体発光素子において、前記基板のストライプ状に残された部分と前記埋め込み層との間で前記基板の成長方向と交わる方向に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されてなる横多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く構成されていることを特徴とする半導体発光素子。

請求項8

前記活性層と前記半導体層とを含む複数の層を順次結晶成長させた基板をストライプ状にエッチングを施した後、前記基板のストライプ状に残された部分の両脇に結晶成長により埋め込み層を形成した、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、前記基板のストライプ状に残された部分と前記埋め込み層との間で前記基板の成長方向と交わる方向に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されてなる横多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率の屈折率よりも低く構成されていることを特徴とする半導体発光素子。

請求項9

請求項7から8までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、前記横多層構造の前記高屈折率層および前記低屈折率層を誘電体膜で構成したことを特徴とする半導体発光素子。

請求項10

請求項1から6、8および9のいずれか1項に記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記多層構造との間にスペーサ層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。

技術分野

0001

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、高出力化を行うための半導体発光素子に関するものである。

背景技術

0002

マルチメディアの普及に伴い、幹線系、アクセス系、データコム等で情報伝送急増しており、大規模波長多重光通信システムの実現が望まれている。このシステムを実現する上では高出力で多波長の光を出力する光源が主要な光部品の一つであり、開発が急がれている。この種の光源として、特に大出力が得られ、広帯域発光スペクトルが得られることで有望視されているスーパールミネッセントダイオード方式がある。

0003

図10に、スーパールミネッセントダイオード方式を利用した従来の半導体発光素子の外観斜視図を示す。

0004

図10に示すように、半導体発光素子は、スラブ状活性層103の真上の上部第2クラッド層105、コンタクト層106および上部電極107が略矩形断面形状を有し、かつ所望幅のパターン形状に形成されているので、光は上記各層の略真下の活性層103の領域内に閉じ込められる自然放出光が発生し、パターン形状の略真下の活性層103内を導波しながら増幅されるので、大きな増幅利得が得られる(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−269600号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、このような従来の半導体発光素子においては、活性層103で発生した放出光のうち、活性層103内に閉じこめられるクラッド層との臨界角内に放出される光が少なく、大半が臨界角を超える角度で発生し、クラッド層を突き抜け、放出光として利用することができず、無駄にされていたという問題があった。

0006

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、活性層とクラッド層との臨界角を超える角度で発生した光についても放出光とすることができ、光の放出効率を高め、高出力化を行うことのできる半導体発光素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の半導体発光素子は、半導体基板の上方に活性層が設けられており、前記半導体基板の屈折率、もしくは前記活性層と前記半導体基板の間に形成された半導体層の屈折率が最も低い屈折率を有する半導体発光素子において、前記活性層からその上下方向に向かって高屈折率層低屈折率層とが交互に積層されて成る多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率以上に構成されていることを特徴とする構成を有している。

0008

この構成により、活性層とクラッド層との間に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されているので、活性層とクラッド層との臨界角を超える角度で発生した光も、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、外部に出力させることができ、高出力化を計ることができる。

0009

さらに、本発明の半導体発光素子は、請求項1に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数有しており、前記対の前記活性層からの積層順をiとし、前記各対における前記高屈折率層および前記低屈折率層の屈折率をそれぞれnhiおよびnli、前記高屈折率層および前記低屈折率層の層厚をそれぞれdhiおよびdli、光波長をλと表すとき、nhidhi=nlidli、且つ、dhi>λ/4nhi、dli>λ/4nliであることを特徴とする構成を有している。

0010

この構成により、水平面に対して角度を有する光の垂直方向成分に対する反射率を最大にし、光を活性層に確実に戻すことができ、自然放出光が活性層へ結合する効率を高めることができる。即ち、自然放出光を実効的に増強できる。

0011

さらに、本発明の半導体発光素子は、請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数積層した内部多層構造を複数積層してなり、前記内部多層構造の前記活性層からの積層順をkとし、前記内部多層構造ごとの前記高屈折率層および前記低屈折率層の層厚をそれぞれdhkおよびdlkと表すとき、dhk≠dh(k+1)、dlk≠dl(k+1)を満たすことを特徴とする構成を有している。

0012

この構成により、高屈折率層および低屈折率層を対とした内部多層構造を、異なる層厚の内部多層構造と積層することにより、内部多層構造を有さない構成に比べ、いっそう広い角度に放射される自然放出光を活性層に確実に戻すことができることから、さらに自然放出光を実効的に増強することができる。また、活性層に戻る光の波長帯域を拡大させることができ、広い波長帯の自然放出光を実効的に増強することができる。

0013

さらに、本発明の半導体発光素子は、請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造は、前記高屈折率層および前記低屈折率層の対を複数積層した内部多層構造を複数積層してなり、前記内部多層構造の前記活性層からの積層順をkとし、前記内部多層構造ごとの前記高屈折率層および前記低屈折率層の屈折率をそれぞれnhkおよびnlkと表すとき、nhk≠nh(k+1)、nlk≠nl(k+1)を満たすことを特徴とする構成を有している。

0014

この構成により、高屈折率層および低屈折率層を対とした内部多層構造を、異なる屈折率の内部多層構造と積層することにより、活性層に戻る光の量を増加させることができ、自然放出光を実効的に増強することができる。

0015

さらに、本発明の半導体発光素子は、請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造の各対の高屈折率層および低屈折率層の層厚を、前記活性層からその上方または下方に向かって徐々に厚くもしくは薄くすることを特徴とする構成を有している。

0016

この構成により、多層構造における高屈折率層および低屈折率層の層厚が、それぞれ一定である素子に比べ、さらに広い角度に活性層から放射された自然放出光を活性層に戻すことができ、自然放出光を実効的に増強することができる。

0017

さらに、本発明の半導体発光素子は、請求項2に記載の半導体発光素子において、前記多層構造の各対の高屈折率層および低屈折率層の屈折率を、前記活性層からその上方または下方に向かって徐々に高くもしくは低くすることを特徴とする構成を有している。

0018

この構成により、多層構造における高屈折率層および低屈折率層の屈折率が、それぞれ一定の素子に比べ、さらに広い角度に活性層から放射された自然放出光を活性層に戻すことができ、自然放出光を実効的に増強することができる。

0019

さらに、本発明の半導体発光素子は、半導体基板の上方に活性層が設けられており、前記半導体基板の屈折率、もしくは前記活性層と前記半導体基板の間に形成された半導体層の屈折率が最も低い屈折率を有していて、前記活性層と前記半導体層とを含む複数の層を順次結晶成長させた基板ストライプ状にエッチングを施した後、前記基板のストライプ状に残された部分の両脇に結晶成長により埋め込み層を形成した半導体発光素子において、前記基板のストライプ状に残された部分と前記埋め込み層との間で前記基板の成長方向と交わる方向に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されてなる横多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率層の屈折率よりも低く構成されていることを特徴とする構成を有している。

0020

この構成により、活性層の積層方向と交わる方向に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されているので、活性層から水平方向に飛び出す光を、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、放出光とすることができ、高出力化を計ることができる。

0021

さらに、本発明の半導体発光素子は、前記活性層と前記半導体層とを含む複数の層を順次結晶成長させた基板をストライプ状にエッチングを施した後、前記基板のストライプ状に残された部分の両脇に結晶成長により埋め込み層を形成した、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の半導体発光素子であって、前記基板のストライプ状に残された部分と前記埋め込み層との間で前記基板の成長方向と交わる方向に、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されてなる横多層構造を有しており、前記高屈折率層はその屈折率が前記活性層の屈折率よりも低く、且つ前記半導体基板もしくは前記半導体層の屈折率よりも高く構成され、前記低屈折率層はその屈折率が前記高屈折率の屈折率よりも低く構成されていることを特徴とする構成を有している。

0022

この構成により、活性層に対して垂直方向にも、高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層されているので、活性層から水平方向に飛び出す光も、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、放出光とすることができ、高出力化を計ることができる。

0023

また、本発明の半導体発光素子は、請求項7から8までのいずれか1項に記載の半導体発光素子において、前記横多層構造の前記高屈折率層および前記低屈折率層を誘電体膜で構成したことを特徴とする構成を有している。

0024

この構成により、横多層構造を精度よく形成できるので、活性層から水平方向に飛び出す光を、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、放出光とすることができ、高出力化を計ることができる。

0025

また、本発明の半導体発光素子は、請求項1から6、8および9のいずれか1項に記載の半導体発光素子において、前記活性層と前記多層構造との間にスペーサ層を設けたことを特徴とする構成を有している。

0026

この構成により、活性層とクラッド層との間にスペーサ層が入るので、スペーサ層によって屈折率の調節ができ、活性層内の光の閉じこめ量を調整することができる。また、スペーサ層によって、活性層からキャリア漏れ防止を行うことができる。さらに、スペーサ層によって、結晶成長の際に、特にp型の不純物が活性層に入り込むことを防止でき、価電子帯内における電子励起による光の吸収を抑え、発光効率の低下を防止することができる。

発明の効果

0027

本発明は、活性層とクラッド層との間に、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した多層部を設けることにより、活性層とクラッド層との臨界角を超える角度で発生した光も、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、外部に出力させることができ、高出力化を計ることができるという効果を有する半導体発光素子を提供することができるものである。

発明を実施するための最良の形態

0028

以下、本発明の実施の形態の半導体発光素子について、図面を用いて説明する。

0029

(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子を図1乃至図3を用いて、説明する。

0030

図1図2に示すように、半導体発光素子1aは、半導体基板2と、活性層4と、第1クラッド層5と、第2クラッド層6と、コンタクト層7と、スペーサ層8、9と、多層部21、22と、埋め込み層10a、10bとを備えている。また、活性層4、第1クラッド層5、第2クラッド層6、スペーサ層8、9、多層部21、22の一部は、光が導波される導波路を形成している。

0031

ここで、活性層4と、第1クラッド層5と、第2クラッド層6と、コンタクト層7と、スペーサ層8、9と、多層部21、22は、半導体層3を形成している。また、半導体基板2および半導体層3は、劈開により形成され、導波路の終端部となる光の出射端面を有している。

0032

半導体発光素子1aは、さらに、活性層4に電流注入するための上部電極11と、下部電極12とを備えている。

0033

本実施の形態の半導体発光素子1aは、半導体光増幅器波長可変光源装置、スーパールミネッセントダイオード(Super Luminescent Diode、以下SLDと記す)などに用いられる。

0034

また、本実施の形態に係る半導体発光素子1aは、図1に示すように、ほぼ直方体形状を有している。

0035

n型の不純物がドープされたInPからなる半導体基板2に接してn型不純物を含むn型の第1クラッド層5が形成されている。また、半導体基板2の上部において、この第1クラッド層5の一部を含み、半導体発光素子1aの長尺方向に沿って半導体層3が形成されている。半導体層3の外側には、電流を遮断する埋め込み層10a、10bが形成されている。

0036

第1クラッド層5の上側には、多層部22、スペーサ層8が形成され、さらにその上側に活性層4が形成されている。

0037

この活性層4は、ノンドープのInGaAsP等の多重量子井戸構造もしくはバルク活性層からなる。

0038

そして、活性層4の上側には、スペーサ層9、多層部21が形成され、さらにその上側に、p型不純物を含むp型の第2クラッド層6が形成されている。

0039

多層部21、22の詳細については、後述する。

0040

p型の第2クラッド層6の上側には、InGaAsPからなるp型のコンタクト層7が形成されている。

0041

このp型のコンタクト層7の上面には、上部電極(p電極)11が取り付けられ、n型の半導体基板2の下側にも下部電極(n電極)12が取り付けられている。

0042

そして、劈開により素子を切り出した後に、端面には、無反射膜14が形成される。

0043

また、図3に示すように、多層部21は、それぞれ同一の屈折率である高屈折率層31a、31b、31cと、同一の屈折率である低屈折率層32a、32b、32cとを有しており、高屈折率層31と低屈折率層32とが交互になるように、活性層4側から第2クラッド層6へ向かって、高屈折率層31a、低屈折率層32a、高屈折率層31b、低屈折率層32b、高屈折率層31c、低屈折率層32cの順番に形成されている。

0044

また、高屈折率層31a、31b、31cの屈折率をnh1、低屈折率層32a、32b、32cの屈折率をnl1とすると、
nh1>nl1
となっている。

0045

また、高屈折率層31a、31b、31cの層厚をdh1、低屈折率層32a、32b、32cの層厚をdl1、光波長をλとすると、
nh1dh1=nl1dl1
となっている。

0046

また、水平面に対して角度θを有する光が低屈折率層32a、32b、32cにおいて積層方向に最大に反射されるためには、
dl1=λ/(4nl1cosθ)
であり、同様に、高屈折率層31a、31b、31cにおいて積層方向に最大に反射されるためには、
dh1=λ/(4nh1cosθ)
となる。したがって、低屈折率層32a、32b、32cおよび高屈折率層31a、31b、31cを
dh1>λ/4nh1、および、dl1>λ/4nl1
となるよう形成する。

0047

さらに、活性層4の屈折率をna、第1クラッド層5の屈折率をnc1とすると、
nh1<na、および、nl1≧nc1
となっている。

0048

また、多層部22は、多層部21と同一の構成であり、活性層4側から半導体基板5へ向かって、高屈折率層31a、低屈折率層32a、高屈折率層31b、低屈折率層32b、高屈折率層31c、低屈折率層32cの順番に形成されている。

0049

また、第2クラッド層6の屈折率は、第1クラッド層5の屈折率と同一であり、第2クラッド層6の屈折率をnc2とすると、
nc2≦nl1
となっている。

0050

高屈折率層31a、31b、31cの屈折率nh1および低屈折率層32a、32b、32cの屈折率nl1としては、屈折率nh1と屈折率nl1との差が大きいほど、活性層4から高屈折率層31a、31b、31cおよび低屈折率層32a、32b、32cに飛び出した光に対する反射率を高めることができる。

0051

しかしながら、低屈折率層32a、32b、32cの屈折率nl1を第1クラッド層5および第2クラッド層6の屈折率nc1、nc2よりも低くすると、半導体発光素子1に注入されたキャリアが活性層4に入りにくくなる。また、高屈折率層31a、31b、31cの屈折率nh1を活性層4の屈折率をnaよりも高くすると、活性層4に注入されたキャリアが高屈折率層31a、31b、31cに漏れるため、半導体発光素子1の発光効率が減少する。

0052

したがって、低屈折率層32a、32b、32cの屈折率nl1を第1クラッド層5および第2クラッド層6の屈折率nc1、nc2と等しくするかやや高くなるよう設定し、高屈折率層31a、31b、31cの屈折率nh1を活性層4の屈折率をnaよりやや低くなるよう設定すると好適である。

0053

このように構成された半導体発光素子1aに対して、両側の電極11、12から直流駆動電流印加されると、半導体層3の活性層4に電流が流れることによって光が生起される。

0054

この活性層4で生起される光は、図1における矢印で示す長尺方向に光51として出力される。

0055

この活性層4から出力された光51は、半導体発光素子1aの出射端面から外部に出力され、例えば不図示の光ファイバに結合される。

0056

ここで、図3に示すように、水平方向を0°、長尺方向と自然放出光の放射角度をθ、活性層4と第1クラッド層5および第2クラッド層6の屈折率で決まる臨界角をθcとすると、活性層4で生起された光のうち、−θR1≦θ≦θR1(θc<θR1≦90°)に放出された光は、多層部21で屈折および反射された光の位相が揃う。このため、活性層4と第1クラッド層5および第2クラッド層6の屈折率で決まる臨界角(±θc)よりも大きな角度(±θR1)で放射される光成分に対しても、ほぼ全ての光が反射されて活性層4中を進み、出力端面から外部に出力される。

0057

また、生起された光のうち放射角度が、θR1<θ≦90°(θR1>θC)である成分は、多層部21における反射光の位相が揃わないため、この領域を通過し、第2クラッド層6に抜けてしまう。同様に、生起された光の放射角度が、−θR1>θ≧−90°である場合には、多層部22を通過し、第1クラッド層5に抜けてしまう。

0058

したがって、多層部21、22が無い従来の半導体発光素子では、活性層4と第1クラッド層5および第2クラッド層6との臨界角を超える角度で放出された光は全て無駄になっていたが、本実施の形態によれば、θC<θ≦θR1、および、−θC>θ≧−θR1の角度で放出された光も、外部に放射させることができ、効率よく光を出力させることができる。

0059

なお、本実施の形態では、高屈折率層31と低屈折率層32の対を、活性層4に近い側の層の屈折率が高くなるようにしているが、これに限らず、活性層4に近い側の層の屈折率が低くなるようにしても構わない。

0060

(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光素子を、図4を用いて説明する。

0061

本実施の形態の半導体発光素子は、上述した第1の実施の形態に示した半導体発光素子1aの多層部21および多層部22の代わりに、多層部23および多層部24を備えている。なお、他の構成については、第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付し、詳細説明は省略する。

0062

図4に示すように、多層部23は、高屈折率層および低屈折率層の対が複数積層された内部多層部23aと、内部多層部23bとを備えている。

0063

内部多層部23aは、それぞれ同一の屈折率である高屈折率層33a、33b、33cと、同一の屈折率である低屈折率層34a、34b、34cとを有しており、高屈折率層33と低屈折率層34とが交互になるように、活性層4側から、高屈折率層33a、低屈折率層34a、高屈折率層33b、低屈折率層34b、高屈折率層33c、低屈折率層34cの順番に形成されている。

0064

また、高屈折率層33a、33b、33cの屈折率をnh2、低屈折率層34a、34b、34cの屈折率をnl2とすると、
nh2>nl2
となっている。

0065

また、内部多層部23bは、それぞれ同一の屈折率である高屈折率層35a、35b、35cと、同一の屈折率である低屈折率層36a、36b、36cとを有しており、高屈折率層35と低屈折率層36とが交互になるように、活性層4側から、高屈折率層35a、低屈折率層36a、高屈折率層35b、低屈折率層36b、高屈折率層35c、低屈折率層36cの順番に形成されている。

0066

また、高屈折率層35a、35b、35cの屈折率をnh3、低屈折率層36a、36b、36cの屈折率をnl3とすると、
nh3>nl3
となっている。また、
nh2>nh3、および、nl2>nl3
となっている。

0067

さらに、高屈折率層33、低屈折率層34、高屈折率層35、低屈折率層36の層厚をそれぞれdh2、dl2、dh3、dl3とすると、
dh2<dh3、および、dl2<dl3
となっている。

0068

さらに、
nh2<na、および、nl3≧nc1
となっている。

0069

また、多層部24は、多層部23と同様の構成である。

0070

このように構成された半導体発光素子に対して、上部電極11と下部電極12との間に直流の駆動電流が印加されると、半導体層の活性層4に電流が流れることによって光が生起される。

0071

ここで、活性層4で生起された光のうち、−θR3≦θ≦θR3に放出された光は、多層部21で屈折および反射された光の位相が揃う。このため、活性層4と第1クラッド層および第2クラッド層の屈折率で決まる臨界角(±θc)よりも大きな角度(±θR3)で放射される光成分に対しても、ほぼ全ての光が反射されて活性層4中を進み、出力端面から外部に出力される。

0072

また、生起された光のうち放射角度が、θR3<θ≦90°(θR3>θC)である成分は、多層部23における反射光の位相が揃わないため、この領域を通過し、第2クラッド層6に抜けてしまう。同様に、生起された光の放射角度が、−θR3>θ≧−90°である場合には、多層部24を通過し、第1クラッド層5に抜けてしまう。

0073

一方、内部多層部23aと内部多層部23bは、高屈折率層と低屈折率層よりなる多層部の周期を異なるように形成している。このような構成により、それぞれの多層部が異なる角度に放射された光に対して反射光の位相が揃う。このため、多層構造全体として更に広い角度に放射された光が活性層4に戻ってくる。

0074

したがって、内部多層部23aのみでは反射できない角度の光であっても、内部多層部23aおよび内部多層部23bで屈折および反射させることができ、外部に出力させる光の放射角度を大きくでき、効率よく光を出力させることができる。

0075

なお、本実施の形態では、高屈折率層33と高屈折率層35、および、低屈折率層34と低屈折率層36の屈折率および層厚の双方が異なるようにしているが、これに限らず、屈折率および層厚のどちらか一方を異なるようにしても良く、また、屈折率および層厚の大小関係が逆となるようにしても構わない。

0076

さらに、図5に、本実施の形態における半導体発光素子の多層構造による具体的な光の反射率を示す。

0077

本例では、内部多層構造を第1内部多層構造と、第2内部多層構造と、第3内部多層構造との3内部多層構造とし、各内部多層構造の高屈折率−低屈折率層の対数をそれぞれ3対、6対、10対とした。

0078

また、多層構造を構成する高屈折率層と低屈折率層は、InGaAsPよりなり、屈折率は、
高屈折率層:nh=3.45
低屈折率層:nl=3.20
とし、第1内部多層構造、第2内部多層構造、第3内部多層構造の高屈折率層のそれぞれの層厚を、0.4601、0.3248、0.2301(μm)、低屈折率層のそれぞれの層厚を、0.4960、0.3502、0.2480(μm)とし、従来の多層構造を有しない反射特性破線で、本発明の多層構造の反射特性を実線で示した。

0079

図5に示すように、従来構造では導波路を伝搬する光の進行角度が約25°以内の光しか全反射して導波させることしかできないが、本発明の構造では、約40°までの光を導波させることができる。このため、光の導波路への結合効率を約60%増大することができ、素子の光出力を大幅に向上させることができる。

0080

(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体発光素子を、図6を用いて説明する。

0081

本実施の形態の半導体発光素子は、上述した第1の実施の形態に示した半導体発光素子1aの多層部21および多層部22の代わりに、多層部25および多層部26を備えている。なお、他の構成については、第1の実施の形態と同様であるので、同一符号を付し、詳細説明は省略する。

0082

図6に示すように、多層部25は、高屈折率層と低屈折率層とが交互になるように、活性層4側から、高屈折率層41、低屈折率層42、高屈折率層43、低屈折率層44、高屈折率層45、低屈折率層46、高屈折率層47、低屈折率層48の順番に形成されている。

0083

また、高屈折率層41、43、45、47の屈折率をそれぞれ、nh4、nh5、nh6、nh7、低屈折率層42、44、46、48の屈折率をそれぞれ、nl4、nl5、nl6、nl7とすると、
nh4>nh5>nh6>nh7、および、nl4>nl5>nl6>nl7
となっている。

0084

さらに、高屈折率層41、43、45、47の層厚をそれぞれ、dh4、dh5、dh6、dh7、低屈折率層42、44、46、48の層厚をそれぞれ、dl4、dl5、dl6、dl7とすると、
dh4<dh5<dh6<dh7、および、dl4<dl5<dl6<dl7
となっている。

0085

また、多層部26は、多層部25と同様の構成である。

0086

このように構成された半導体発光素子に対して、両側の電極11、12から直流の駆動電流が印加されると、半導体層の活性層4に電流が流れることによって光が生起される。

0087

ここで、多層部25は高屈折率層と低屈折率層の各対が、積層方向に徐々に厚くなるよう形成しており、各対の間で反射光の位相が揃う光放射角度がわずかづつ異なっている。このため、多層部25全体としては、広い放射角度の光に対して反射光の位相が密に重なりあう。また、各対による光反射量は少ないが多層部25は多数の対からなっているため、多層部25全体としては、活性層4で生起された光のうち、−θR7≦θ≦θR7に放出された光は、ほぼ全ての光が反射されて活性層4中を進み、出力端面から外部に出力される。

0088

また、生起された光のうち放射角度が、θR7<θ≦90°(θR7>θC)である成分は、多層部25における高屈折率層と低屈折率層の各対による反射光の位相の重なりが粗になるため、この領域を通過し、第2クラッド層6に抜けてしまう。同様に、生起された光の放射角度が、−θR7>θ≧−90°である場合には、多層部26を通過し、第1クラッド層5に抜けてしまう。

0089

したがって、高屈折率層41から低屈折率層48によって活性層4を導波させる光の放射角度を大きくでき、効率よく光を出力させることができる。

0090

なお、本実施の形態では、多層部25および多層部26中の高屈折率層41から低屈折率層48の屈折率を活性層4側から徐々に小さく、層厚を徐々に大きくなるようにしているが、これに限らず、屈折率を活性層4側から徐々に大きくしたり、層厚を徐々に小さくするようにしても構わない。

0091

さらに、図7に、本実施の形態における半導体発光素子の多層構造による具体的な光の反射率を示す。

0092

本例では、多層構造は活性層に近い層ほど厚く、高屈折率層の最大厚を、0.4872(μm)、低屈折率層の最大厚を、0.5252(μm)とし、高屈折率−低屈折率層の周期が1対進む度に最大厚から4%ずつ薄くなるものとし、対数を9対とした。

0093

また、多層構造を構成する高屈折率層と低屈折率層は、InGaAsPよりなり、屈折率は、
高屈折率層:nh=3.45
低屈折率層:nl=3.20
とし、従来の多層構造を有しない反射特性を破線で、本発明の多層構造の反射特性を実線で示した。

0094

図7に示すように、従来構造では導波路を伝搬する光の進行角度が約25°以内の光しか全反射して導波させることしかできないが、本発明の構造では、約30°までの光を導波させることができる。このため、光の導波路への結合効率を約20%増大することができ、素子の光出力を向上させることができる。

0095

第1〜3の実施形態において、多層構造をキャリアが伝導する場合、高屈折率層でバンド不連続のため伝導が阻害される傾向がある。この問題は、高屈折率層へのドープ量を増すことにより、軽減もしくは除去することができる。

0096

また、第1〜第3の実施形態において、多層構造の厚さが、活性層を導波する光のスポットサイズ(光波長が1.5μmの場合は、1〜1.5μm程度)より厚くなる場合、第1クラッド層5および第2クラッド層6を省略した構成とすることも可能である。この場合には、多層構造で第1および第2クラッド層の作用もさせることとなる。

0097

さらに、第1〜3の実施形態においては、第1クラッド層5および第2クラッド層6の屈折率nc1、nc2を下限値として用いて高屈折率層および低屈折率層の屈折率を定めるとして説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。半導体基板の屈折率、もしくは活性層と半導体基板の間に形成された半導体層の屈折率を下限値として用いてもよい。

0098

例えば、半導体基板がInPからなる長波系の半導体発光素子においては、当該InP基板が素子中で最も低い屈折率であるので、低屈折率層の屈折率をInP基板の屈折率以上と設定すれば、本発明の効果を得ることができる。また、半導体基板をGaAs、活性層をInGaP、多層構造をAlGaInPで構成した短波系の半導体発光素子においては、低屈折率層の屈折率を(GaAsよりも屈折率の低い)AlGaInPの屈折率以上と設定すれば、本発明の効果を得ることができる。

0099

また、半導体基板がGaAsからなり、活性層がInGaAsからなり、多層構造をAlGaAsもしくはInGaAsPで構成した、770nm近辺から1000nm近辺の光波長を有する半導体発光素子においても、低屈折率層の屈折率を(GaAsよりも屈折率の低い)AlGaAsの屈折率以上と設定すれば、本発明の効果を得ることができる。

0100

(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態における半導体発光素子を、図8乃至図9を用いて説明する。

0101

なお、上述した第1の実施の形態に示した半導体発光素子1aと同一部分には、同一の符号を付し、説明は省略する。

0102

本実施の形態の半導体発光素子1bは、図8図9に示すように、半導体基板2と、活性層4と、第1クラッド層5と、第2クラッド層6と、コンタクト層7と、スペーサ層8、9と、多層部21、22と、埋め込み層10a、10bとに加え、スペーサ層15、16と、横多層構造(横多層部)27、28とを備えている。

0103

また、活性層4、第1クラッド層5、第2クラッド層6、スペーサ層8、9、多層部21、22の一部に加え、スペーサ層15、16、横多層部27、28は、光が導波される導波路を形成している。

0104

スペーサ層15、16および横多層部27、28は、活性層4の左右に形成されている。

0105

横多層部27、28は、多層部21、22と同様に、高屈折率層と低屈折率層とが交互になるように、活性層4側から、高屈折率層、低屈折率層、高屈折率層、低屈折率層、高屈折率層、低屈折率層の順番に形成されている。横多層部は、例えば誘電体膜で形成する。具体的には、SiO2、SiN等を用いる。また、横多層部27、28の屈折率、層厚等の構成は、第1〜第3の実施の形態で述べた多層部の構成と同様である。但し、横多層部には電流が流れないため、低屈折率層はその屈折率が高屈折率層の屈折率よりも低く構成されていればよく、半導体基板の屈折率もしくは活性層と半導体基板との間の半導体層の屈折率以上に構成する必要はない。例えば、半導体基板をGaAsとした短波系の半導体発光素子においては、多層部をAlGaAsで構成し、横多層部をAlGaInPで構成してもよい。

0106

このように構成された半導体発光素子1bに対して、両側の電極11、12から直流の駆動電流が印加されると、活性層4に電流が流れることによって光が生起され、横方向に放出された光も、横多層部27および横多層部28によって屈折および反射され、活性層4に戻り、活性層4、横多層部27、28中を進み、出射端面から外部に出力される。

0107

したがって、左右に放出されてしまっていた光も、外部に出力させることができ、効率よく光を出力させることができる。

0108

(全実施形態について)
以上の説明においては、半導体発光素子にスペーサ層が形成される場合について説明したが、スペーサ層を形成せず、活性層に多層部が積層されるようにしてもよい。なお、この場合、横多層部を半導体の結晶成長で形成するならば、活性層からのキャリア漏れを回避するため、横多層部の配列として、活性層4側から低屈折率層、高屈折率層の順が望ましい。

0109

また、以上の説明においては、活性層4、多層部、第1クラッド層5および第2クラッド層6の長尺方向の端面に無反射膜14を形成する場合について説明したが、この場合に限られず、活性層4、多層部、第1クラッド層5および第2クラッド層6を、長尺方向における端面が無反射膜14から離れた位置で終端するように形成し、半導体発光素子が窓構造を有するようにしてもよい。

0110

また、以上の説明においては、活性層4、多層部、第1クラッド層5および第2クラッド層6の長尺方向の軸と、半導体発光素子の長尺方向の軸とが平行の場合について説明したが、この場合に限られず、活性層、多層部、第1クラッド層および第2クラッド層の長尺方向の軸と、半導体発光素子の長尺方向の軸とが交差するように活性層4、多層部、第1クラッド層5および第2クラッド層6を形成し、半導体発光素子が曲りストライプ構造を有するようにしてもよい。

0111

また、活性層4、多層部、第1クラッド層5および第2クラッド層6を、光の導波方向に直交する面内でメサ形状をなすメサストライプ部により形成してもよい。

0112

また、第1〜第4の実施の形態においては、埋め込みタイプの半導体発光素子で説明してきたが、オキサイドストライプ型リッジタイプの半導体発光素子においても、活性層の上下に多層構造を形成することにより、同様の効果を得ることが可能である。

0113

以上のように、本発明にかかる半導体発光素子は、活性層とクラッド層との臨界角を超える角度で発生した光も、高屈折率層と低屈折率層との多層部によって屈折および反射し、活性層内を進行させ、外部に出力させることができ、高出力化を計ることができるという効果を有し、高出力化を行うための半導体発光素子等として有用である。

図面の簡単な説明

0114

本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子の斜視図
本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子の正面断面
本発明の第1の実施の形態における半導体発光素子の側面断面図
本発明の第2の実施の形態における半導体発光素子の側面断面図
本発明の第2の実施の形態における半導体発光素子の多層構造による光反射率と、導波路を進行する光の伝搬角度と、の関係を示すグラフ
本発明の第3の実施の形態における半導体発光素子の側面断面図
本発明の第3の実施の形態における半導体発光素子の多層構造による光反射率と、導波路を進行する光の伝搬角度と、の関係を示すグラフ
本発明の第4の実施の形態における半導体発光素子の斜視図
本発明の第4の実施の形態における半導体発光素子の正面断面図
従来の半導体発光素子を示す斜視図

符号の説明

0115

1半導体発光素子
2半導体基板
3半導体層
4活性層
5 第1クラッド層
6 第2クラッド層
7コンタクト層
8、9スペーサ層
10埋め込み層
11 上部電極(p電極)
12 下部電極(n電極)
14無反射膜
15、16 スペーサ層
21、22多層部
23、24 多層部
23a、23b 内部多層部
25、26 多層部
27、28 横多層部(横多層構造)
31、33、35高屈折率層
32、34、36低屈折率層
41、43、45、47 高屈折率層
42、44、46、48 低屈折率層

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