JP2008235691A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図３

Description

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。

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が急増しており、大規模な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、広帯域な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の外観斜視図を示す。

図１０に示すように、半導体発光素子は、スラブ状の活性層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

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。

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。

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と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。

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。

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ｎ_ｈｉおよびｎ_ｌｉ、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ｄ_ｈｉおよびｄ_ｌｉ、光波長をλと表すとき、ｎ_ｈｉｄ_ｈｉ＝ｎ_ｌｉｄ_ｌｉ、且つ、ｄ_ｈｉ＞λ／４ｎ_ｈｉ、ｄ_ｌｉ＞λ／４ｎ_ｌｉであることを特徴とする構成を有している。

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。

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ｄ_ｈｋおよびｄ_ｌｋと表すとき、ｄ_ｈｋ≠ｄ_{ｈ（ｋ＋１）}、ｄ_ｌｋ≠ｄ_{ｌ（ｋ＋１）}を満たすことを特徴とする構成を有している。

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。

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ｎ_ｈｋおよびｎ_ｌｋと表すとき、ｎ_ｈｋ≠ｎ_{ｈ（ｋ＋１）}、ｎ_ｌｋ≠ｎ_{ｌ（ｋ＋１）}を満たすことを特徴とする構成を有している。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の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の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。

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。

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。

（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。

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。

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。

半導体発光素子１ａは、さらに、活性層４に電流を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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

多層部２１、２２の詳細については、後述する。

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。

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。

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。

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。

また、高屈折率層３１ａ、３１ｂ、３１ｃの屈折率をｎ_ｈ１、低屈折率層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの屈折率をｎ_ｌ１とすると、
ｎ_ｈ１＞ｎ_ｌ１
となっている。

また、高屈折率層３１ａ、３１ｂ、３１ｃの層厚をｄ_ｈ１、低屈折率層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの層厚をｄ_ｌ１、光波長をλとすると、
ｎ_ｈ１ｄ_ｈ１＝ｎ_ｌ１ｄ_ｌ１
となっている。

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、
ｄ_ｌ１＝λ／（４ｎ_ｌ１ｃｏｓθ）
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、
ｄ_ｈ１＝λ／（４ｎ_ｈ１ｃｏｓθ）
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
ｄ_ｈ１＞λ／４ｎ_ｈ１、および、ｄ_ｌ１＞λ／４ｎ_ｌ１
となるよう形成する。

さらに、活性層４の屈折率をｎ_ａ、第１クラッド層５の屈折率をｎ_ｃ１とすると、
ｎ_ｈ１＜ｎ_ａ、および、ｎ_ｌ１≧ｎ_ｃ１
となっている。

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。

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ｎ_ｃ２とすると、
ｎ_ｃ２≦ｎ_ｌ１
となっている。

高屈折率層３１ａ、３１ｂ、３１ｃの屈折率ｎ_ｈ１および低屈折率層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの屈折率ｎ_ｌ１としては、屈折率ｎ_ｈ１と屈折率ｎ_ｌ１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。

しかしながら、低屈折率層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの屈折率ｎ_ｌ１を第１クラッド層５および第２クラッド層６の屈折率ｎ_ｃ１、ｎ_ｃ２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ｎ_ｈ１を活性層４の屈折率をｎ_ａ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。

したがって、低屈折率層３２ａ、３２ｂ、３２ｃの屈折率ｎ_ｌ１を第１クラッド層５および第２クラッド層６の屈折率ｎ_ｃ１、ｎ_ｃ２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ｎ_ｈ１を活性層４の屈折率をｎ_ａよりやや低くなるよう設定すると好適である。

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から直流の駆動電流が印加されると、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。

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。

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。

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θ_ｃとすると、活性層４で生起された光のうち、−θ_Ｒ１≦θ≦θ_Ｒ１（θ_ｃ＜θ_Ｒ１≦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（±θ_ｃ）よりも大きな角度（±θ_Ｒ１）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。

また、生起された光のうち放射角度が、θ_Ｒ１＜θ≦９０°（θ_Ｒ１＞θ_Ｃ）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、−θ_Ｒ１＞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。

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、θ_Ｃ＜θ≦θ_Ｒ１、および、−θ_Ｃ＞θ≧−θ_Ｒ１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。

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。

（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。

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。

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。

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。

また、高屈折率層３３ａ、３３ｂ、３３ｃの屈折率をｎ_ｈ２、低屈折率層３４ａ、３４ｂ、３４ｃの屈折率をｎ_ｌ２とすると、
ｎ_ｈ２＞ｎ_ｌ２
となっている。

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。

また、高屈折率層３５ａ、３５ｂ、３５ｃの屈折率をｎ_ｈ３、低屈折率層３６ａ、３６ｂ、３６ｃの屈折率をｎ_ｌ３とすると、
ｎ_ｈ３＞ｎ_ｌ３
となっている。また、
ｎ_ｈ２＞ｎ_ｈ３、および、ｎ_ｌ２＞ｎ_ｌ３
となっている。

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ｄ_ｈ２、ｄ_ｌ２、ｄ_ｈ３、ｄ_ｌ３とすると、
ｄ_ｈ２＜ｄ_ｈ３、および、ｄ_ｌ２＜ｄ_ｌ３
となっている。

さらに、
ｎ_ｈ２＜ｎ_ａ、および、ｎ_ｌ３≧ｎ_ｃ１
となっている。

また、多層部２４は、多層部２３と同様の構成である。

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。

ここで、活性層４で生起された光のうち、−θ_Ｒ３≦θ≦θ_Ｒ３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（±θ_ｃ）よりも大きな角度（±θ_Ｒ３）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。

また、生起された光のうち放射角度が、θ_Ｒ３＜θ≦９０°（θ_Ｒ３＞θ_Ｃ）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、−θ_Ｒ３＞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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：ｎ_ｈ＝３．４５
低屈折率層：ｎ_ｌ＝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を破線で、本発明の多層構造の反射特性を実線で示した。

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。

（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。

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。

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。

また、高屈折率層４１、４３、４５、４７の屈折率をそれぞれ、ｎ_ｈ４、ｎ_ｈ５、ｎ_ｈ６、ｎ_ｈ７、低屈折率層４２、４４、４６、４８の屈折率をそれぞれ、ｎ_ｌ４、ｎ_ｌ５、ｎ_ｌ６、ｎ_ｌ７とすると、
ｎ_ｈ４＞ｎ_ｈ５＞ｎ_ｈ６＞ｎ_ｈ７、および、ｎ_ｌ４＞ｎ_ｌ５＞ｎ_ｌ６＞ｎ_ｌ７
となっている。

さらに、高屈折率層４１、４３、４５、４７の層厚をそれぞれ、ｄ_ｈ４、ｄ_ｈ５、ｄ_ｈ６、ｄ_ｈ７、低屈折率層４２、４４、４６、４８の層厚をそれぞれ、ｄ_ｌ４、ｄ_ｌ５、ｄ_ｌ６、ｄ_ｌ７とすると、
ｄ_ｈ４＜ｄ_ｈ５＜ｄ_ｈ６＜ｄ_ｈ７、および、ｄ_ｌ４＜ｄ_ｌ５＜ｄ_ｌ６＜ｄ_ｌ７
となっている。

また、多層部２６は、多層部２５と同様の構成である。

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。

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、−θ_Ｒ７≦θ≦θ_Ｒ７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。

また、生起された光のうち放射角度が、θ_Ｒ７＜θ≦９０°（θ_Ｒ７＞θ_Ｃ）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、−θ_Ｒ７＞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。

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。

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。

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。

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。

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：ｎ_ｈ＝３．４５
低屈折率層：ｎ_ｌ＝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。

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。

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。

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。

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ｎ_ｃ１、ｎ_ｃ２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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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、ＳｉＯ_２、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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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や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。

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。

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

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

Claims (10)

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と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。
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ｎ_ｈｉおよびｎ_ｌｉ、
   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ｄ_ｈｉおよびｄ_ｌｉ、
   光波長をλと表すとき、
   ｎ_ｈｉｄ_ｈｉ＝ｎ_ｌｉｄ_ｌｉ
   且つ、ｄ_ｈｉ＞λ／４ｎ_ｈｉ
   ｄ_ｌｉ＞λ／４ｎ_ｌｉ
   であることを特徴とする半導体発光素子。
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ｄ_ｈｋおよびｄ_ｌｋと表すとき、
   ｄ_ｈｋ≠ｄ_{ｈ（ｋ＋１）}
   ｄ_ｌｋ≠ｄ_{ｌ（ｋ＋１）}
   を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
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ｎ_ｈｋおよびｎ_ｌｋと表すとき、
   ｎ_ｈｋ≠ｎ_{ｈ（ｋ＋１）}
   ｎ_ｌｋ≠ｎ_{ｌ（ｋ＋１）}
   を満たすことを特徴とする半導体発光素子。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
    

Images