JP2010141039A

JP2010141039A - スーパールミネッセントダイオード

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Publication number: JP2010141039A
Application number: JP2008314678A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Watanabe; 明佳渡邉; Takahiro Tokumasu; 孝紘徳増; Akira Higuchi; 彰樋口; Yukihiro Ito; 之弘伊藤; Yutaka Takagi; 豊高木; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: JP5193836B2

Abstract

【課題】出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、従来に比してより簡易に、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル波形の左右対称性を高めることができるスーパールミネッセントダイオードを提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るスーパールミネッセントダイオード１は、ＧａＡｓ系の材料からなるスーパールミネッセントダイオードであって、活性層３０は、多重量子井戸構造を有し、Ｉｎ及びＡｌのうちの少なくとも一方を組成として含み、活性層３０における障壁層３２の層数は４層以下であり、障壁層３２の厚さは、それぞれ、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、スーパールミネッセントダイオードに関するものである。

スーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤという。）は、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ことから、高分解能が求められる医療分野や計測分野において用いられる光源として注目されている。例えば、眼科検診で用いられるＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）の光源として、ＳＬＤを用いることが考案されている。

非特許文献１に記載のＳＬＤは、出力光のスペクトル分布の広帯域化を図るために、２つのエネルギー準位を得ることが可能な単一量子井戸（single quantum well：ＳＱＷ）構造を有する活性層を備える。このＳＬＤは、２つのエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、広いスペクトル半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）を実現する。しかしながら、非特許文献１に記載のＳＬＤでは、出力光のスペクトル波形に２つのピークが生じ、これらのピーク間にくぼみが生じてしまうという問題がある。また、非特許文献１に記載のＳＬＤでは、出力光のスペクトル波形が左右非対称となってしまうという問題がある。

しかしながら、例えば、眼科検診用ＯＣＴの光源では、スペクトル波形における２つのピーク間のくぼみが小さいことが望まれ、また、スペクトル波形の左右対称性がよいことが望まれる。

一方、特許文献１に記載のＳＬＤは、出力光のスペクトル分布の広帯域化を図るために、光の導波方向に沿って利得波長の異なる構造を有する活性層を備える。また、このＳＬＤは、積層体の上面又は下面の少なくとも何れか一方の電極層を、導波方向に互いに分離した２以上の電極に分割し、電極毎に注入電流量やその割合を変化させることによって、出力光のスペクトル分布の非対称な凹凸を任意の形状、例えばガウス分布に制御する。

この特許文献１に記載のＳＬＤは、出力光のスペクトル分布をガウス分布に制御することによって、非特許文献１に記載のＳＬＤが有する上記問題点、出力光のスペクトル波形におけるピーク間のくぼみ、及び、スペクトル波形の左右非対称性を改善することができると考えられる。
特開２００７−１８４５５７号公報 A.T.Semenov and athers, "Spectral control in multisection AlGaAs SQWsuperluminescent siodes at 800nm", Electronics Letters, Vol.32, No.3, 1stFebruary 1996

しかしながら、特許文献１に記載のＳＬＤでは、電極毎の注入電流量やその割合を制御するための制御回路を備える必要があった。

そこで、本発明は、出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、従来に比してより簡易に、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル波形の左右対称性を高めることができるスーパールミネッセントダイオードを提供することを目的としている。

本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ＳＬＤにおいて、活性層を多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造とし、この多重量子井戸構造内における障壁層の厚さを１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることで、多重量子井戸における２つ以上のエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル形状の左右対称性を高めることができることを見出した。

そこで、本発明のスーパールミネッセントダイオードは、ＧａＡｓ系の材料からなるスーパールミネッセントダイオードであって、活性層は、多重量子井戸構造を有し、Ｉｎ及びＡｌのうちの少なくとも一方を組成として含み、活性層における障壁層の層数は４層以下であり、障壁層の厚さは、それぞれ、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。

このスーパールミネッセントダイオードによれば、活性層が多重量子井戸構造であり、活性層における障壁層の厚さが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であるので、多重量子井戸における２つ以上のエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル形状の左右対称性を高めることができる。また、このスーパールミネッセントダイオードでは、従来のように、電極毎の注入電流量やその割合を制御するための制御回路を備える必要がないので、駆動制御が簡易である。

本発明によれば、スーパールミネッセントダイオードの出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、従来に比してより簡易に、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル波形の左右対称性を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図であり、図２は、図１に示すII−II線に沿う断面図である。また、図３は、図２に示す活性層のエネルギーバンドを示す図である。

このスーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤという。）１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に複数の半導体層が積層されて構成される。ｎ型ＧａＡｓ基板１０上にはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０が設けられ、ｎ型クラッド層２０上にはＧａＡｓを主成分として含むＧａＡｓ活性層３０が設けられ、活性層３０上にはｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０が設けられ、ｐ型クラッド層４０上にはｐ型ＧａＡｓキャップ層５０が設けられている。

このように、ＳＬＤ１は、活性層３０と、活性層３０を挟み込むｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層４０とによって、ダブルへテロ構造となっている。ｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層４０は、活性層３０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３０に光を閉じ込めるように作用する。

活性層３０は、図３に示すように、井戸層３１及び障壁層３２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３０は、光ガイド層３３を含む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３３は、井戸層３１及び障壁層３２を挟み込み、井戸層３１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。井戸層３１では、これらの電子と正孔が再結合し、光が発生する。

また、ｎ型基板１０に対してｎ型クラッド層２０と反対側、及び、ｐ型キャップ層５０に対してｐ型クラッド層４０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）。

ｐ型クラッド層４０及びｐ型キャップ層５０はリッジ形状をなしており、ｐ型キャップ層５０上の電極層は、リッジ部２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２に対応する活性層３０の活性領域３にのみ効率よく導かれる。この活性領域３とその周辺部との屈折率差によって、活性層３０には実効的な屈折率差が生じるため、活性層３０内には活性領域３に応じた、すなわちリッジ部２に応じた屈折率型の光導波路が生成されることとなる。

このように、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、ＳＬＤ１における出射面５及び反射面６は、それぞれ、低反射膜でコーティングされており、リッジ部２に対応する活性領域３、すなわち光導波路は、これらの出射面５及び反射面６に対して傾斜を有している。これによって、導波路からみた出射面５及び反射面６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。

また、図３に示すように、活性層３０は、例えば、３層の井戸層３１と、これらの井戸層３１を分離する２層の障壁層３２とを有し、これらの障壁層３２の厚さ（幅）Ｗｂは、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である。一方、これらの井戸層３１の厚さ（幅）は、３層全体で２つ以上のエネルギー準位を有し、これらのエネルギー準位からの発光スペクトルを重ね合わせたスペクトル波形の半値全幅（Full Width at Half Maximum：ＦＷＨＭ）が所望の値以上、例えば５０ｎｍ以上となるように、予め設定されている。

なお、障壁層３２の層数は４層以下であることが好ましい。これによれば、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。

このＳＬＤ１を構成する各層の詳細組成を例示すると、波長８５０ｎｍ帯の出力光を得るためには、ｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層４０はＡｌ_０．４０Ｇａ_０．６０Ａｓ（厚さ１．５μｍ）であり、活性層３０における光ガイド層３３及び障壁層３２はＡｌ_０．３５Ｇａ_０．５５Ａｓであり、井戸層３１はＧａＡｓ層からなる。

また、波長１０６０ｎｍ帯の出力光を得るためには、ｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層４０はＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ（厚さ１．５μｍ）であり、活性層３０における光ガイド層３３及び障壁層３２はＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ａｓであり、井戸層３１はＧａＩｎＡｓ層からなる。なお、本波長帯では、ＧａＩｎＡｓからなる井戸層３１の歪を緩和するために、井戸層３１間の障壁層３２や光ガイド層３３の一部にＧａＡｓＰ層を設けてもよい。

ここで、ＩｎＰを主成分として含むＩｎＰ系の長波長帯ＳＬＤでは、出力光における１つのスペクトル波形で５０ｎｍ以上の広帯域化を実現できることがあるが、ＧａＡｓを主成分として含むＧａＡｓ系のＳＬＤでは、出力光における１つのスペクトル波形で５０ｎｍ以上の広帯域化を実現することが困難である。そこで、ＧａＡｓ系のＳＬＤでは、上記したように２つ以上のエネルギー準位を得ることが可能な量子井戸構造を有する活性層３０を備え、これらのエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、出力光のスペクトル波形の広帯域化を図る。

しかしながら、この種のＳＬＤでは、出力光のスペクトル波形に２つ以上のピークが生じ、これらのピーク間にくぼみが生じてしまう。また、この種のＳＬＤでは、出力光のスペクトル波形が左右非対称となってしまう。

ところで、例えば、眼科検診用ＯＣＴの光源やその他の応用では一般的に、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみが小さいことが望まれ、また、スペクトル波形の左右対称性がよいことが望まれる。

そこで、本願発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ＳＬＤにおいて、活性層を多重量子井戸構造とし、この多重量子井戸構造内における障壁層の厚さを１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることで、多重量子井戸における２つ以上のエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができ、かつ、スペクトル形状の左右対称性を高めることができることを見出した。以下に、その検討結果を示す。

まず、図４を参照して、出力光のスペクトル波形における用語の定義を行う。Δλは、半値全幅であり、ΔＰ［％］は、スペクトル波形のピーク値に対するピーク間のくぼみの大きさの比である。また、Ａは、ピーク間のくぼみの最小部における波長を境界として長波長側のスペクトル波形の面積であり、Ｂは、短波長側のスペクトル波形の面積である。

図５〜図７に、本実施形態の波長８５０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤ１の実験結果を示す。図５は、活性層３０における障壁層３２の厚さをパラメータとした出力光のスペクトル波形である。図５において、波形Ｓ２〜Ｓ７は、ＭＱＷ活性層３０における障壁層３２の厚さが、順に、６ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、１．５ｎｍ、１ｎｍであるときのスペクトル波形である。なお、図５には、単一量子井戸（Single Quantum Well：ＳＱＷ）構造を有する活性層を備えるＳＬＤ１のスペクトル波形が波形Ｓ１として示されている。

また、図６は、図５における各波形Ｓ１〜Ｓ７のくぼみの大きさΔＰ及び半値全幅Δλを、障壁層３２の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。図６において、曲線Ｓ８は、左縦軸に対応し、障壁層３２の厚さＷｂに対するくぼみの大きさΔＰの特性である。一方、曲線Ｓ９は、右縦軸に対応し、障壁層３２の厚さＷｂに対する半値全幅Δλの特性である。また、図７は、図５における各波形Ｓ１〜Ｓ７の面積比Ａ／Ｂを、障壁層３２の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。

図５及び図６によれば、障壁層３２の厚さを３ｎｍ以下に薄くすれば、くぼみの大きさΔＰを小さくできることがわかる。しかしながら、障壁層３２の厚さを１ｎｍと薄くし過ぎると、半値全幅Δλが狭くなってしまい、例えば所望の５０ｎｍ以上の半値全幅を保持することができなくなってしまう。これより、障壁層３２の厚さが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲において、半値全幅Δλを５０ｎｍ以上と広く保ちつつ、くぼみの大きさΔＰを比較的小さくできることがわかる。

一方、図５及び図７によれば、障壁層３２の厚さを薄くするほど、スペクトル波形の面積比Ａ／Ｂを小さくすることができる、すなわち、重ね合わせスペクトル波形の左右対称性を高めることができることがわかる。これより、障壁層３２の厚さが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲において、半値全幅Δλを５０ｎｍ以上と広く保ちつつ、スペクトル波形の左右対称性を比較的高めることができる。

図８〜図１０に、本実施形態の波長１０６０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤ１の実験結果を示す。図８は、活性層３０における障壁層３２の厚さをパラメータとした出力光のスペクトル波形である。図８において、波形Ｓ１１〜Ｓ１３は、ＭＱＷ活性層３０における障壁層３２の厚さが、順に、５．２ｎｍ、２．４ｎｍ、１．２ｎｍであるときのスペクトル波形である。また、図８において、波形Ｓ１４は、ＭＱＷ活性層３０における障壁層３２の厚さがほぼ１．２ｎｍであるが、波形Ｓ１３のときより障壁層３２の厚さが小さいときのスペクトル波形である。このように、本実施例では、障壁層３２の厚さが１．２ｎｍ付近に、効果の有無の境界が存在する。

また、図９は、図８における各波形Ｓ１１〜Ｓ１４のくぼみの大きさΔＰ及び半値全幅Δλを、障壁層３２の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。図９において、曲線Ｓ１５は、左縦軸に対応し、障壁層３２の厚さＷｂに対するくぼみの大きさΔＰの特性である。一方、曲線Ｓ１６は、右縦軸に対応し、障壁層３２の厚さＷｂに対する半値全幅Δλの特性である。また、図１０は、図８における各波形Ｓ１１〜Ｓ１４の面積比Ａ／Ｂを、障壁層３２の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。

図８及び図９によれば、波長８５０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤ１と同様に、障壁層３２の厚さが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲において、半値全幅Δλを５０ｎｍ以上と広く保ちつつ、くぼみの大きさΔＰを比較的小さくできることがわかる。

一方、図８及び図１０によれば、波長８５０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤ１と同様に、障壁層３２の厚さが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下の範囲において、半値全幅Δλを５０ｎｍ以上と広く保ちつつ、スペクトル波形の左右対称性を比較的高められることがわかる。

次に、図１１及び図１２を用いて、上記した実験結果の分析を行う。図１１は、活性層３０における障壁層３２の厚さが３．０ｎｍと比較して十分に大きいときの活性層３０のエネルギー準位（ａ）と、この活性層３０を備えるＳＬＤ１の出力光のスペクトル波形（ｂ）とを示す図であり、図１２は、本実施形態のＳＬＤ１における活性層３０のエネルギー準位（ａ）と、ＳＬＤ１の出力光のスペクトル波形（ｂ）とを示す図である。

図１１（ａ）に示すように、本構造では基本的に、量子準位ｎ＝１からの発光と量子準位ｎ＝２からの発光との２つの発光ｈω１、ｈω２が用いられる。井戸層３１の間隔、すなわち、障壁層３２の厚さＷｂが３．０ｎｍと比較して十分に大きい場合には、量子井戸間の相互作用が小さく、波動関数が重ならないため、量子準位の分離が生じない。この場合、井戸層３１における各量子準位は単一準位となり、それぞれの準位から得られる発光スペクトル幅は狭くなる。その結果、図１１（ｂ）に示すように、これらの量子準位に対応する２つのピークを有する重ね合わせ発光スペクトル波形Ｓ３１において、２つのピーク間のくぼみが大きくなってしまう。

しかしながら、図１２（ａ）に示すように、井戸層３１の間隔、すなわち、障壁層３２の厚さＷｂが３．０ｎｍ以下と小さい場合には、量子井戸間の相互作用により、波動関数が重なり、量子準位の分離が生じる。この場合、井戸層３１における各量子準位は複数準位となり、それぞれの発光スペクトル幅に広がりが生じる。その結果、図１２（ｂ）に示すように、これらの量子準位に対応する２つのピークを有する重ね合わせ発光スペクトル波形Ｓ３２において、２つのピーク間のくぼみが小さくなると考えられる。

このように、本実施形態のＳＬＤ１によれば、活性層３０が多重量子井戸構造であり、活性層３０における障壁層３２の厚さＷｂが１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であるので、多重量子井戸における２つ以上のエネルギー準位からの発光スペクトルの重ね合わせを利用して、出力光のスペクトル波形の広帯域化を保持しつつ、スペクトル波形におけるピーク間のくぼみを低減することができる。特に、広帯域にわたってスペクトル波形の大きさを均一にすることができる。すなわち、スペクトル形状の平滑化が可能である。更に、本実施形態のＳＬＤ１によれば、出力光のスペクトル形状の左右対称性を高めることができる。

また、本実施形態のＳＬＤ１では、特許文献１のように、電極毎の注入電流量やその割合を制御するための制御回路を設ける必要がないので、駆動制御が簡易である。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、波長８５０ｎｍ帯及び波長１０６０ｎｍ帯の出力光を得るＳＬＤ１について例示したが、７５０ｎｍ帯から１２００ｎｍ帯までの出力光を得るＳＬＤにおいても、活性層を多重量子井戸構造とし、障壁の厚さを１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下とすることによって、同様の利点を得ることができる。このとき、出力光の波長帯に応じて、井戸層の材料には、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のうちの何れかが用いられればよい。この場合にも、障壁層にはＩｎもしくはＡｌの少なくとも一方が組成として含まれるので、活性層はＩｎ及びＡｌのうちの少なくとも一方を組成として有することとなる。

また、本実施形態では、ｎ型基板１０上に半導体層を積層することによってＳＬＤ１を形成したが、ｐ型基板上に半導体層を積層することによってＳＬＤを形成してもよい。

本発明の実施形態に係るスーパールミネッセントダイオードの平面図である。図１に示すII−II線に沿う断面図である。図２に示す活性層のエネルギーバンドを示す図である。出力光のスペクトル波形における用語の定義を行う図である。本実施形態の波長８５０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤの実験結果を示す図であって、活性層における障壁層の厚さをパラメータとした出力光のスペクトル波形である。図５における各波形のくぼみの大きさΔＰ及び半値全幅Δλを、障壁層の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。図５における各波形の面積比Ａ／Ｂを、障壁層の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。本実施形態の波長１０６０ｎｍ帯の出力光を有するＳＬＤの実験結果を示す図であって、活性層における障壁層の厚さをパラメータとした出力光のスペクトル波形である。図８における各波形のくぼみの大きさΔＰ及び半値全幅Δλを、障壁層の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。図８における各波形の面積比Ａ／Ｂを、障壁層の厚さＷｂに対してグラフ化した図である。活性層における障壁層の厚さが３．０ｎｍと比較して十分に大きいときの活性層のエネルギー準位（ａ）と、この活性層を備えるＳＬＤ１の出力光のスペクトル波形（ｂ）とを示す図である。本実施形態のＳＬＤにおける活性層のエネルギー準位（ａ）と、ＳＬＤの出力光のスペクトル波形（ｂ）とを示す図である。

符号の説明

１…スーパールミネッセントダイオード、２…リッジ部、３…活性領域、５…出射面、６…反射面、１０…ｎ型ＧａＡｓ基板、２０…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、３０…ＧａＡｓ活性層、３１…井戸層、３２…障壁層、３３…光ガイド層、４０…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、５０…ｐ型ＧａＡｓキャップ層。

Claims

ＧａＡｓ系の材料からなるスーパールミネッセントダイオードであって、
活性層は、多重量子井戸構造を有し、Ｉｎ及びＡｌのうちの少なくとも一方を組成として含み、
前記活性層における障壁層の層数は４層以下であり、
前記障壁層の厚さは、それぞれ、１．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下である、
スーパールミネッセントダイオード。