JPWO2016098273A1 - 活性層構造、半導体発光素子および表示装置 - Google Patents

活性層構造、半導体発光素子および表示装置 Download PDF

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Abstract

【解決手段】半導体発光素子は、第１導電型層と、第２導電型層と、それらの間に設けられた活性層とを具備する。前記第１導電型層は、電流の注入領域が狭窄して構成された電流狭窄構造を有する。前記活性層は、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成される。【選択図】図１

Description

本技術は、半導体発光素子、その活性層構造、また、その半導体発光素子を備えた表示装置に関する。
半導体発光素子として、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）は、発光ダイオードに比較的近い広い発光スペクトル幅を持ちながら、同時に半導体レーザの発光状態のような狭い放射角と強い強度で光を出射する特徴を持つ。
特許文献１に記載のＳＬＤは、平面視において、劈（へき）開端面に垂直に形成された直線状のリッジ導波路と、これに続いて曲がるように設けられた曲がりガイド活性層とを備える。その劈開端面にはＡＲ（反射防止）膜が形成される場合もある。かかる構造のＳＬＤでは、直線状のリッジ導波路直下の活性層で発生した光の大部分が、曲がりガイド活性層へ向かう。曲がりガイド活性層へ向かう光は、その曲がりに起因して漏れる光と、端面（劈開端面の反対側の端面）までガイドされその端面で反射される光と、ガイドされる途中で吸収される光とに分けられる。このような構造によれば、上記曲がりに起因して漏れる光および当該劈開端面の反対側端面で反射される光は、直線状の活性層に戻ることができないので、レーザモード発振が抑えられる（例えば第２ページの右下欄〜第３ページの左上欄、第１図を参照）。
要するに、ＳＬＤは、通常のレーザダイオード（ＬＤ）のように、両端面に設けられたミラーで光を往復させて共振させる構造ではなく、光を導波路で一方通行させて光を増幅させる（誘導放出は行われる）構造を有する。両者の異なる点は、ＳＬＤの出力光が有する波長のスペクトル幅が、ＬＤのそれよりはるかに広いことである。
特許文献２には、光ファイバジャイロスコープ、光通信装置、光応用計測装置等に利用された半導体発光素子（例えばＳＬＤ）が開示されている。この半導体発光素子の活性層（発光層）はInGaAsにより構成され、複数の障壁層と、複数の井戸層とからなる複数の量子井戸を有する。複数の井戸層に少なくとも一つの歪井戸層が設けられることによって、発光の量子効率が向上することがわかっている。具体的には、この特許文献１の半導体発光素子の活性層は、その材料組成比が異なる複数の井戸層（第１の井戸層および第２の井戸層）を有している。これにより、活性層の構造は、第１の井戸層および第２の井戸層で異なるバンドギャップを有する構造となる。その結果、この素子では、中心波長が略800nmから略850nmまでの間で広いスペクトラム発光特性が得られる（例えば、段落［００８２］、［００９１］〜［００９８］、［０２０７］、図３Ａ参照。）。
特開平2-310975号公報 国際公開第2006/075759号
ところで、このような半導体発光素子を応用範囲を広げようとする場合、広いスペクトル幅だけでなく、高出力化が要求される。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、広い発光スぺクトル幅を実現し、かつ、出力を高めることができる半導体発光素子、その活性層構造、また、その半導体発光素子を備えた表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術に係る半導体発光素子は、第１導電型層と、第２導電型層と、それらの間に設けられた活性層とを具備する。
前記第１導電型層は、電流の注入領域が狭窄するよう構成された電流狭窄構造を有する。
前記活性層は、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成される。
活性層に設けられた複数の量子井戸層のうち、電流狭窄構造に最も近い位置の量子井戸層である第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるので、広い発光スペクトル幅と、高出力の両方を実現することができる。
前記活性層は、１以上の第２量子井戸層と、１以上の第３量子井戸層とを有していてもよい。
前記１以上の第２量子井戸層は、前記第１発光波長より長い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ。
前記１以上の第３量子井戸層は、前記第１発光波長より短い第３発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ。
この構成によれば、高出力を実現しながら、第１発光波長を中心として発光スペクトル幅を広げることができる。
前記活性層は、前記１以上の第２量子井戸層および前記１以上の第３量子井戸層として、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第２量子井戸層と、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第３量子井戸とを有していてもよい。
前記第２量子井戸層および第３量子井戸層は、次のような形態で、前記第１量子井戸層から離れる方向に交互に配置されてもよい。すなわち、発光波長と出力との関係を示すスペクトラム図上で、前記複数の第２量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に長くなる方向へ並び、かつ、前記複数の第３量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に短くなる方向へ並んでいてもよい。
この構成によれば、高出力を実現しながら、発光スペクトル幅の裾を広げることができる。
前記複数の量子井戸層間でそれらの組成がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成されていてもよい。
前記複数の量子井戸層間でそれらの井戸幅がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成されていてもよい。
本技術に係る活性層構造は、電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、第２導電型層と、前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層とを具備する半導体発光素子の活性層構造である。
前記活性層は、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成される。
本技術に係る表示装置は、上述の半導体発光素子と、前記半導体発光素子から出射された光を２次元状にスキャン可能であり、画像データに基づき、投射される前記光による輝度を制御可能な画像生成部とを具備する。
以上、本技術によれば、広スペクトル幅および高出力の両方を実現することができる
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
図１Ａは、本技術の一実施形態に係る半導体発光素子であるＳＬＤを示す模式的な斜視図であり、図１Ｂはその平面図である。 図２左は、図１ＢにおけるＣ−Ｃ断面図である。 図３は、リッジ部に最も近い位置に配置された第１量子井戸層に、最も多くのキャリアが注入される様子を模式的に示す。 図４は、ＳＬＤによる全体の発光スペクトラムの形状および個々の量子井戸層の発光スペクトラムの形状を示す。 図５Ａは、５つ以上の量子井戸層を有する活性層構造を示し、図５Ｂは、その発光スペクトラムを示す。 図６は、注入電流に応じた出力の改善効果のシミュレーションによる結果を示す。 図７は、スペクトル幅の改善効果のシミュレーションによる結果を示す。 図８は、活性層薄膜の組成を変えた場合のバンドギャップに対応する発光波長の計算結果を示すグラフである。 図９Ａは、複数の活性層薄膜に対応する量子井戸層の井戸幅がそれぞれ異なるように構成された活性層構造のバンド構造を示す。図９Ｂは、量子井戸層の井戸幅を変えた場合の利得最大波長の計算結果を示すグラフである。 図１０は、上記各実施形態のうち１つの実施形態に係る半導体発光素子を光源として用いる表示装置の構成を模式的に示す。 図１１は、エネルギーギャップと、発光再結合準位エネルギーギャップとの違いを説明するための図である。
以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。以下の説明において、方向を指す「上」、「下」、「右」、「左」等の用語は、説明を理解しやすくするために単に用いられる用語であり、これにより本実施形態に係る装置や素子が限定されることはない。
１．本実施形態に係る半導体発光素子の基本原理
（半導体発光素子の全体構造）
図１Ａは、本技術の一実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的な斜視図であり、図１Ｂはその平面図である。図２左は、図１ＢにおけるＣ−Ｃ断面図である。この半導体発光素子は、例えばｐ型またはｎ型の導電層にリッジ部１０を有するリッジ型のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）である。
ＳＬＤ１００は、図２左において上から、ｐ型電極層（または図示しないｐ型電極層に接するコンタクト層）１１、半導体層のうちｐ型である第１導電型層１３、活性層２０、半導体層のうちｎ型である第２導電型層１４、ｎ型半導体の基板１５、ｎ型電極層（または図示しないｎ型電極層に接するコンタクト層）１２を備える。
第１導電型層１３は、ｐ型電極層１１側から順に形成されたｐ型クラッド層１３１およびｐ型ガイド層１３２を有する。第２導電型層１４は、基板１５側から順に形成されたｎ型ガイド層１４１およびｎ型クラッド層１４２を有する。例えば、ｐ型電極層１１およびｐ型クラッド層１３１によりリッジ部１０が構成される。基板１５と第２導電型層１４との間には、ｎ型のバッファ層が設けられていてもよい。
リッジ部１０は、光出射端面３３に垂直方向に沿って例えば直線状に形成されている。第１導電型層１３は、電流狭窄構造３２を有する。具体的には、リッジ部１０の構造により、ｐ型電極層１１からの活性層２０までの電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造３２が形成される。これにより、活性層２０におけるリッジ部１０付近に、リッジ部１０の長手方向に沿った光導波路が形成される。
ｐ型ガイド層１３２上やリッジ部１０の周囲には、図示しない絶縁層が形成される。
なお、ｐ型クラッド層１３１の下端は、リッジ部１０の下端と一致しているが、そうでなくてもよいし、当該リッジ部１０の下端がｐ型ガイド層１３２の一部を含んでいてもよい。
図１Ｂに示すように、ＳＬＤ１００の、光出射端面３３には低反射ミラー膜１８が設けられ、その反対側の端面３５には高反射ミラー膜１９が設けられている。活性層２０で自然放出された光のうち、高反射ミラー膜１９側に向かう光は高反射ミラー膜１９で反射され、光出射面側に向かう途中で増幅され、低反射ミラー膜１８を介して出射される。
（活性層の構造）
次に、本実施形態に係る活性層構造を説明する。図２右は、活性層２０のバンド構造を模式的に示す。横方向はエネルギーを示し、左側へ向かうほどエネルギーは高いことを示す。縦方向はＳＬＤ１００を構成する各層の積層方向を示す。エネルギーが低い側のバンドは価電子帯（valence band）であり、エネルギーが高い側のバンドは伝導帯（conductance band）である。
この活性層２０は、複数の量子井戸層２０ａを有する、すなわち多重量子井戸型の活性層２０である。すなわち、活性層２０は、複数の量子井戸層２０ａおよびこれらの間に配置された１以上の障壁層２０ｂを有する。複数の量子井戸層２０ａは、実際には複数の活性層薄膜（個々の量子井戸層にそれぞれ対応する薄膜）によって構成される。図２左では、これら複数の活性層薄膜を示しておらず、１つの活性層２０として描いている。
量子井戸層２０ａの幅ｔ（以下、単に井戸幅と言う）は、活性層薄膜の厚さに対応する。また、１以上の障壁層２０ｂは、実際には１以上の障壁薄膜によって構成される。各量子井戸層２０ａの井戸幅はそれぞれ実質同一とされる。
複数の量子井戸層２０ａのうち、電流狭窄構造３２、すなわちリッジ部１０に最も近い位置に設けられている１つの量子井戸層２０ａを、以下、第１量子井戸層２０１とする。第１量子井戸層２０１が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する発光波長（以下、第１発光波長と言う）が、このＳＬＤ１００の発光スペクトラム（ＳＬＤ１００による全体の発光スペクトラム）の強度ピークの波長域に含まれるように活性層２０が構成される。
具体的には、活性層２０は、複数の量子井戸層２０ａのうち、上記第１発光波長より長い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の量子井戸層（以下、第２量子井戸層と言う）２０２を有する。また、活性層２０は、複数の量子井戸層２０ａのうち、上記第１発光波長より短い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の量子井戸層（以下、第３量子井戸層と言う）２０３を有する。すなわち、第２量子井戸層２０２の発光再結合準位エネルギーギャップは、第１量子井戸層２０１のそれより小さく、第３量子井戸層２０３の発光再結合準位エネルギーギャップは、第１量子井戸層２０１のそれより大きい。なお、図２右では、説明を簡単にするため、第２量子井戸層２０２および第３量子井戸層２０３がそれぞれ１つずつ設けられてなる活性層のバンド構造を示した。
図３に示すように、リッジ部１０に最も近い位置に配置された第１量子井戸層２０１に、最も多いキャリア（ここでは正孔）が注入される、という特徴がある。この第１量子井戸層２０１による発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に一致するように、活性層が構成されることにより、できるだけ高出力の発光を実現することができる。
なお、図３では、正孔が伝導帯から注入されるように示されているが、これは図の理解を容易にするためであり、本来は、正孔は価電子帯から注入される。
図４は、この活性層２０の全体の発光スペクトラム形状および個々の量子井戸層２０ａの発光スペクトラム形状を示す。図４中、縦方向は、出力（強度または利得でもよい）を示す。図４中、符号２５１で示す特性の光が、強度ピークの波長域にある第１発光波長を持つ光である。符号２５２で示す特性の光が、第１発光波長より長い波長である第２発光波長を持つ光である。符号２５３で示す特性の光が、第１発光波長より短い波長である第３発光波長を持つ光である。このＳＬＤ１００の活性層２０は、例えばこれら３つの波長域を含む発光スぺクラムを持つ光を出射可能である。
このように、本実施形態に係る活性層構造によれば、広い発光スペクトル幅を実現し、かつ、高出力（高利得）の両方を実現することができる。
活性層２０の材料としては、次の材料が挙げられる。かっこ内は、その波長域（強度ピークあるいは中心波長が含まれる波長域）である。
AlGaN（紫外域〜400nm）
InGaN（400〜1000nｍ、実用域は400〜550nmの青紫〜緑）
AlGaInP（550〜900nm、実用域は630〜680nmで赤）
AlGaAs（750〜850nm、赤外域）
InGaAs（800〜980nm、赤外域）
InGaAsP（1.2〜1.6μｍ、赤外域）
（広スペクトル幅および高出力の両方の実現の困難性について）
高出力の光を得るためには、１）ＳＬＤに電流を多く注入する、２）光導波路長を長くする、３）リッジ幅を大きくする等の手段が考えられる。しかしながら、これらの手段ではいずれも以下のような問題がある。
１）電流を多く注入する場合、その上限は出力の熱飽和により制限されるため、高出力化には、ＳＬＤのパッケージへの放熱負担が大きくなり、コスト高の原因になる。また、電流を多く注入する場合、ＳＬＤがわずかの端面反射でもレーザ発振しやすい状況になってしまうため、上記の熱飽和時の電流よりもかなり低い電流でＳＬＤを動作する必要がある。
２）光導波路長を長くする場合、光が外に取り出されるまでの間に、より長い経路で増幅を受けるので、光強度が大きくなるが、以下の欠点がある。
一つは、誘導放出による光の増幅が促進されることにより、このことが発光スペクトラム形状に影響を及ぼす。具体的には、発光スペクトル幅は、光導波路長、すなわち増幅できる路の長さを長くするほど狭くなってしまう。そのため、せっかくの低コヒーレンス性が低下してしまう（干渉しやすくなる）。つまり、低コヒーレンス性と出力は、トレードオフの関係にある。
他の一つは、半導体発光素子が大きくなり、パッケージの小型化に不向きなこと、全体の導波ロスが増え、光変換効率が悪くなりやすいことが挙げられる。
３）リッジ幅を大きくする場合、集中する電流密度を下げて、発光する面積を増やして出力を高めることができる。しかし、出力されるビームの幅がその分広くなり、応用上、使いにくい光源となるため、リッジ幅にも上限がある。さらにリッジ幅を広げることで導波し得るモードが増えることも問題である。
４）高出力の光を得るための他の方法としては、光が増幅を受ける前の自然放出光の段階でスペクトル幅を大きくする方法も考えられる。しかし、そのためには、該当する発光領域の注入電極を分けるか、または、その領域だけ別の活性層材料あるいは活性層構造に変更する等の設計変更が必要である。前者の場合、電極を分割して別々のドライバで駆動する必要があり不経済な構造となる。後者の場合、結晶の再成長が必要になる等、非常に作りにくい構造となるので、やはり高コストとなる。そもそも、この２つの方法では、消費される電流は、基本的に増えることになりやすいので、光源としての効率はますます低下する。
（まとめ）
本実施形態に係るＳＬＤ１００によれば、最もキャリアの注入効率の高い第１量子井戸層２０１の第１発光波長を、このＳＬＤ１００の発光スペクトル幅の中心に置くことで高出力を確保することができる。そして、それ以外の量子井戸層にはスペクトル幅の拡大の役割を担わせることにより、広スペクトル幅および高出力を両立させることができる。このことは、上述した、「低コヒーレンス性と出力とのトレードオフ関係」を克服したことになる。
また、本実施形態に係る活性層２０は、第１発光波長より長い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ第２量子井戸層２０２と、第１量子井戸層２０１の発光再結合準位エネルギーギャップに対応する発光波長より短い第３発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ第３量子井戸層２０３とを有する。これにより、高出力化を実現しながら、第１発光波長を中心として発光スペクトル幅を広げることができる。
もちろん、活性層２０の各量子井戸層２０ａは３つだけでなく、それより多くてもよい。すなわち、第１量子井戸層２０１以外の量子井戸層が３以上設けられていてもよく、例えば第２量子井戸層２０２が複数、第３量子井戸層２０３が複数設けられてもよい。図５Ａに示すように、電流狭窄構造３２（図２左参照）に最も近い第１量子井戸層２０１以外の量子井戸層２０ａ−２、２０ａ−３、２０ａ−４、２０ａ−５、・・・は、４つ以上、多数設けられることが好ましい。量子井戸層２０ａの総数は、５〜３０層、好ましくは１０〜２０層である。
具体的には、図５Ｂに示すスペクトラム図上で、第１発光波長より長い発光波長が、第１発光波長から順に長くなる方向へ並ぶように、量子井戸層２０ａ−２、２０ａ−４、・・・が第１量子井戸層２０１から離れる方向に交互に配置される。図５Ｂにおいて、第１量子井戸層２０１（２０ａ−１）による発光スペクトラムを符号ａで示す。量子井戸層２０ａ−２による発光スペクトラムを符号ｂ、量子井戸層２０ａ−４による発光スペクトラムを符号ｄで示している。
一方、第１発光波長より短い発光波長が、第１発光波長から順に短くなる方向へ並ぶように、量子井戸層２０ａ−３、２０ａ−５、・・・が第１量子井戸層２０１から離れる方向に交互に配置される。図５Ｂにおいて、量子井戸層２０ａ−３による発光スペクトラムを符号ｃ、量子井戸層２０ａ−５による発光スペクトラムを符号ｅで示している。
このような活性層２０の構造により、高出力を実現しながら、さらに発光スぺクトル幅の裾を広げることができる。
また、本実施形態に係る活性層構造により、電流狭窄構造３２による電流の注入領域（本実施形態ではリッジ部１０）を直線状に形成することができる。すなわち、上記特許文献１のように曲線状のリッジ部を形成する必要がなく、設計および製造の容易性を確保でき、コストを下げることができる。また、活性層２０以外の層の設計として、従来の設計をそのままを用いることもできる。
複数の量子井戸層２０ａのうち、少なくとも２つが同じ発光再結合準位エネルギーギャップを有していてもよい。このことは、電流狭窄構造３２に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層２０１についても例外ではない。つまり、電流狭窄構造３２に２番目に近い位置に設けられた量子井戸層の発光再結合準位エネルギーギャップも、電流狭窄構造３２に最も近い位置に設けられた量子井戸層の発光再結合準位エネルギーギャップと同じであってもよい。
また、本実施形態によれば、量子効果の高い「薄い量子井戸層」を用いることができ、キャリアの有効利用が促進される。これにより、上述した高出力および広スぺクラム幅だけでなく、温度特性が向上する。この「温度特性」については、後述する。
（本実施形態に係る活性層についてのより具体的な検証および効果の例）
図６は、注入電流に応じた出力の改善効果のシミュレーションによる結果を示す。図６中、実線で示す本実施形態の活性層構造によるグラフは、活性層材料がAlGaInP、（薄い井戸幅Ｔ１で、３つの量子井戸層を有する活性層構造によるものである。発光再結合準位エネルギーギャップ差は、中心波長に対して±数nmとされた。一方、破線で示す参考例の活性層構造によるグラフは、実線で示す場合と同じ材料、同じ光導波路長で、厚い井戸幅（３×Ｔ１）で１層の量子井戸層を有する活性層構造によるものである。
この結果から、高い注入電流の領域で２０〜３０%の出力の改善が見られ、本実施形態に係るＳＬＤ１００が量子効果を有効に利用できていることがわかる。最大電流の領域では、参考例の活性層構造では、出力飽和が始まっているが、本実施形態の活性層構造はそれがない。したがって、この最大電流より大きい電流領域では、本実施形態の活性層構造の出力と、参考例の活性層構造の出力との差はさらに大きくなると予想される。すなわち、本実施形態では、半導体発光素子自体が高温状態にある時の高電流動作の耐性も改善されるので、高温での動作も参考例に比べ優位となる。すなわち、上述したように「温度特性」が向上する。
図７は、スペクトル幅の改善効果のシミュレーションによる結果を示す。グラフの縦軸では出力を規格化している。破線および実線の両方が、本実施形態に係る活性層構造のものを示している。破線が、光導波路長Ｌ１を有する活性層構造の特性を示すグラフである。実線が、光導波路長だけ上記基準の２倍に取った場合（光導波路長２×Ｌ１）の活性層構造の特性を示すグラフである。この結果から、出力を高めるために光導波路長を２倍にした場合であっても、半値幅で８３%のスペクトル幅を維持できることがわかった。
一方、参考例の活性層構造（井戸幅が上記井戸幅３×Ｔ１nmの１つの量子井戸層を持つもの）について、光導波路長Ｌ１を持つ活性層構造（参考例１）と、光導波路長２×Ｌ１を持つ活性層構造（参考例２）とを比較した結果は、次の通りである。すなわち、参考例２の活性層構造では、参考例１の活性層構造に比べ、半値幅で５５%までのスペクトル幅の低下が見られた。このことから、半値幅で８５%のスペクトル幅を維持できる本実施形態の活性層構造のスペクトル幅の改善効果が非常に高いことがわかる。
また一方、複数の量子井戸層間における発光波長差が大きすぎると、ピークの分離や導波モードに影響する懸念がある。しかし、例えば数nm程度の差では、計算通り全くそのような問題がないと考えられる。したがって、量子井戸層数をさらに多くすることにより、例えば全発光スペクトル幅が１０nm以上でも、実用上、問題ないと考えられる。
活性層２０のさらなる特性改善のためには、活性層薄膜のさらなる薄膜化によって、キャリアが有効活用されることが望ましく、エピタキシャルプロセス上、結晶性を損なわないレベルで極薄化されることが望ましい。
本実施形態に係るＳＬＤ１００は、ＬＤでも用いられる多重量子井戸構造を採用するので、信頼性が同等の製品となり得る。また、多重量子井戸構造による発光効率の改善は、エネルギー効率の改善にもつながる。
本実施形態では、低い出力でも良い応用であれば、量子井戸層を適宜配置して、より低コヒーレンシーな発光を高効率で得られる可能性がある。例えば光導波路を極端に短くしなくても、１０nm程度の発光スペクトル幅を容易に得ることができる。
ＳＬＤと動作原理の似ている光増幅器でも、同様の効果が期待できる。つまり、光増幅器において、本実施形態に係る活性層構造と同等の構造で、増幅波長域の広帯域化、また増幅の高効率化を予想できる。
２．本実施形態に係る活性層構造を実現する具体的手段
（具体的手段の例１）
上記活性層２０の構造を実現する手段の１つとして、例えば１つ１つの活性層薄膜（量子井戸層２０ａを構成する薄膜）の材料の組成が異なるように活性層２０を構成すればよい。このような構造により、異なる発光再結合準位エネルギーギャップをそれぞれ持つ複数の量子井戸層２０ａを有する活性層２０を実現することができる。
図８は、活性層薄膜の組成を変えた場合のバンドギャップに対応する発光波長の計算結果を示すグラフである。横軸は、例えばAlGaInP中に、InとAlの組成（あるいは組成比とも言う）を示す。横軸では、AlGaInP中、Alの組成が大きくなるほど、Inの組成は小さくなる。Alの組成が０．５の時、Inの組成も０．５である。なお、Alが０．７以上では間接遷移のバンド構造となる。
以上のように、活性層薄膜の組成がそれぞれ異なることにより、様々な発光再結合準位エネルギーギャップに対応する発光波長を得ることができる。
なお、図８に挙げた例は、赤色発光が可能なAlGaInPの組成のうちのAlおよびInの組成が異なるように構成された活性層構造であった。しかし、AlおよびInの組成以外にも、AlGaInPの組成のうち少なくとも１つの材料の組成がそれぞれ異なっていてもよい。このことは、上述したGaN系およびGaAs系の活性層についても同様である。
ここで、「発光再結合準位エネルギーギャップ」と「バンドギャップ（禁制帯幅）」との違いについて説明する。図１１に示すように、バンドギャップは、活性層が比較的厚く、量子効果がほぼない場合に、このギャップ間で再結合を起こして発光するエネルギーギャップである。これに対し、発光再結合準位エネルギーギャップは、活性層が量子化されている場合に、図１１に示す量子準位においてサブバンドを形成し、このサブバンドで再結合を起こして発光するエネルギーギャップである。バンドギャップは、主に活性層材料により決まる値であり、発光再結合準位エネルギーギャップは、活性層材料および井戸幅で決まる値である。
（具体的手段の例２）
上記活性層の構造を実現する他の手段として、図９Ａは、複数の活性層薄膜に対応する量子井戸層（第１量子井戸層）２０１、第２量子井戸層２０２、第３量子井戸層２０３の井戸幅がそれぞれ異なるように構成された活性層２０のバンド構造を示す。本実施形態に係る活性層構造は、１つ１つの活性層薄膜に対応する量子井戸層の井戸幅が異なるように構成される。井戸幅がそれぞれ異なることにより、異なる発光再結合準位エネルギーギャップをそれぞれ持つ複数の量子井戸層２０１、２０２、２０３を有する活性層２０を実現することができる。
図９Ｂは、量子井戸層の井戸幅を変えた場合の利得最大波長の計算結果を示すグラフである。活性層材料としては、AlGaInPが用いられた。なお、「利得最大波長」とは、実質的には発光再結合準位エネルギーギャップに対応する発光波長である。
図９Ｂからわかるように、各量子井戸層の井戸幅がそれぞれ異なることにより、発光波長が異なるように構成された活性層構造を実現することができる。
活性層材料として、赤色発光が可能なAlGaInP以外の、上述のGaN系およびGaAs系の活性層についても同様に、本例の技術を応用可能である。
なお、図９に示した構造に限られず、上記同様に量子井戸層数は４以上（例えば５〜３０層、好ましくは１０〜２０層）あってもよいし、それらのうち少なくとも２つが同じ井戸幅を有していてもよい。
（上記具体的手段の例１、２による具体的な効果の例）
エピタキシャル成長での一部の条件を変更するのみで、本実施形態のＳＬＤ１００を製造可能であるので、プロセス全体への影響が非常に少ない。
活性層の組成は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）による解析後の、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray）解析またはＷＤＸ（Wavelength Dispersive X-ray）解析によって、検出され得る。特に後者は、波長差がはっきり表れる組成差（１%程度）を十分検出可能な検出能（0.1%以下）を有するので、実施解析は十分可能である。
３．表示装置
図１０は、上記実施形態に係る半導体発光素子であるＳＬＤを光源として用いる表示装置の構成を模式的に示す。この表示装置２００は、ラスタスキャン方式のプロジェクタである。
表示装置２００は、画像生成部７０を備える。画像生成部７０は、光源としての半導体発光素子から出射された光を２次元状にスキャン可能、例えばラスタスキャン可能であり、画像データに基づき、スクリーンや壁面等の照射面１０５に投射される光による輝度を制御可能に構成される。
画像生成部７０は、例えば水平スキャナ１０３および垂直スキャナ１０４を主に含む。赤色発光のＳＬＤ１００Ｒ、緑色発光のＳＬＤ１００Ｇおよび青色発光のＳＬＤ１００Ｂからのビームのそれぞれは、ダイクロイックプリズム１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂによって１本のビームに纏められる。このビームが、水平スキャナ１０３および垂直スキャナ１０４によってスキャンされ、照射面１０５に投影されることで、画像が表示される。
なお、ＲＧＢの各色発光の半導体発光素子のうち、少なくとも１つがＳＬＤであればよく、他の素子は通常のＬＤであってもよい。
水平スキャナ１０３および垂直スキャナ１０４は、例えば、ポリゴンミラーとガルバノスキャナとの組合せにより構成される。この場合、輝度の制御手段としては、例えば半導体発光素子へ注入する電流を制御する回路が用いられる。
あるいは、水平スキャナおよび垂直スキャナとして、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製造されるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等の、２次元光変調素子が用いられてもよい。
あるいは、画像生成部７０は、ＧＬＶ（Grating Light Valve）素子等の１次元光変調素子と、上述の１次元スキャンミラーとの組み合わせにより構成されていてもよい。
あるいは、画像生成部７０は、音響光学効果スキャナや電気光学効果スキャナといった屈折率変調型スキャナにより構成されていてもよい。
４．他の種々の実施形態
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
上記のように活性層薄膜の組成および井戸幅が異なる構造の以外にも、次のような活性層構造によっても、異なる発光波長を有する半導体発光素子を実現可能である。例えば、各活性層薄膜間の各障壁層材料の組成およびその厚さがそれぞれ異なることにより、量子井戸層に発生する、歪の方向および／または歪率が異なるように、活性層構造を構成することも可能である。
あるいは、量子井戸層のドーパント濃度によっても、複数の発光波長を有する活性層構造を実現可能である。
上記実施形態に係る活性層構造の量子井戸層数は３つ以上であったが、２つであってもよい。
電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造３２は、リッジ部１０を構成する構造に限られない。例えば電流狭窄構造は、埋め込み型、または、埋め込みリッジ型の構造であってもよい。
上記実施形態では、基板１５としてｎ型基板が用いられたが、ｐ型基板が用いられ、電流狭窄構造を構成する半導体層がｎ型であってもよい。この場合、「第１導電型」がｎ型、「第２導電型」がｐ型となる。
上記実施形態に係る半導体発光素子は、活性層２０を中心として基板１５の反対側に電流狭窄構造３２が配置される構成を有していた。しかし、活性層２０を中心として基板（ｎ型でもｐ型でもよい）と同じ側に電流狭窄構造が配置されていてもよい。ただし、上記実施形態の半導体発光素子は、そのように基板と同じ側に電流狭窄構造が配置される構成を有する半導体発光素子に比べ、構造上、放熱性が高いとうメリットがある。
ピーク発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ第１量子井戸層２０１は、複数あってもよい。この場合、これらの第１量子井戸層２０１は、電流狭窄構造３２側に最も近い位置から順に連続して配置される。同様に、同じ発光再結合準位エネルギーギャップを持つ第２量子井戸層が複数設けられ、および／または、同じ発光再結合準位エネルギーギャップを持つ第３量子井戸層が複数設けられていてもよい。
図３、４に示す形態では、第１量子井戸層２０１の次に電流狭窄構造３２に近い量子井戸層を、第１発光波長より長い発光波長を有する第２量子井戸層２０２として説明した。しかし、第１量子井戸層２０１の次に電流狭窄構造３２に近い量子井戸層は、第１発光波長より短い発光波長を有する第３量子井戸層２０３であってもよい。
以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、
第２導電型層と、
前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層であって、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成された活性層と
を具備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であって、
前記活性層は、
前記第１発光波長より長い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の第２量子井戸層と、
前記第１発光波長より短い第３発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の第３量子井戸層とを有する
半導体発光素子。
（３）
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記活性層は、前記１以上の第２量子井戸層および前記１以上の第３量子井戸層として、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第２量子井戸層と、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第３量子井戸とを有し、
発光波長と出力との関係を示すスペクトラム図上で、前記複数の第２量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に長くなる方向へ並ぶように、かつ、前記複数の第３量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に短くなる方向へ並ぶように、前記第２量子井戸層および第３量子井戸層が、前記第１量子井戸層から離れる方向に交互に配置される
半導体発光素子。
（４）
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記複数の量子井戸層間でそれらの組成がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成される
半導体発光素子。
（５）
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記複数の量子井戸層間でそれらの井戸幅がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成される
半導体発光素子。
（６）
電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、第２導電型層と、前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層とを具備する半導体発光素子の活性層構造であって、
前記活性層は、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成される
活性層構造。
（７）
半導体発光素子と、
前記半導体発光素子から出射された光を２次元状にスキャン可能であり、画像データに基づき、投射される前記光による輝度を制御可能な画像生成部とを具備し、
前記半導体発光素子は、
電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、
第２導電型層と、
前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層であって、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成された活性層と
を具備する表示装置。
１０…リッジ部
１１…ｐ型電極層
１２…ｎ型電極層
１３…第１導電型層
１４…第２導電型層
１５…基板
２０ｂ…障壁層
２０ａ…量子井戸層
２０…活性層
２０ａ（２０１、２０２、２０３）…量子井戸層
３２…電流狭窄構造
７０…画像生成部
１００…ＳＬＤ
１００Ｇ…緑色発光のＳＬＤ
１００Ｂ…青色発光のＳＬＤ
１０２Ｒ…赤色発光のＳＬＤ
２００…表示装置
２０１…第１量子井戸層
２０２…第２量子井戸層
２０３…第３量子井戸層

Claims (7)

  1. 電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、
    第２導電型層と、
    前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層であって、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成された活性層と
    を具備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であって、
    前記活性層は、
    前記第１発光波長より長い第２発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の第２量子井戸層と、
    前記第１発光波長より短い第３発光波長に対応する発光再結合準位エネルギーギャップを持つ１以上の第３量子井戸層とを有する
    半導体発光素子。
  3. 請求項２に記載の半導体発光素子であって、
    前記活性層は、前記１以上の第２量子井戸層および前記１以上の第３量子井戸層として、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第２量子井戸層と、複数の異なる発光再結合準位エネルギーギャップを持つ複数の第３量子井戸とを有し、
    発光波長と出力との関係を示すスペクトラム図上で、前記複数の第２量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に長くなる方向へ並ぶように、かつ、前記複数の第３量子井戸層の各発光再結合準位エネルギーギャップにそれぞれ対応する発光波長が、前記第１発光波長から順に短くなる方向へ並ぶように、前記第２量子井戸層および第３量子井戸層が、前記第１量子井戸層から離れる方向に交互に配置される
    半導体発光素子。
  4. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記複数の量子井戸層間でそれらの組成がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成される
    半導体発光素子。
  5. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、
    前記複数の量子井戸層間でそれらの井戸幅がそれぞれ異なるように、それら量子井戸層が構成される
    半導体発光素子。
  6. 電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、第２導電型層と、前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層とを具備する半導体発光素子の活性層構造であって、
    前記活性層は、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成される
    活性層構造。
  7. 半導体発光素子と、
    前記半導体発光素子から出射された光を２次元状にスキャン可能であり、画像データに基づき、投射される前記光による輝度を制御可能な画像生成部とを具備し、
    前記半導体発光素子は、
    電流の注入領域が狭窄するように構成された電流狭窄構造を有する第１導電型層と、
    第２導電型層と、
    前記第１導電型層および前記第２導電型層の間に設けられた活性層であって、複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層のうち、前記電流狭窄構造に最も近い位置に設けられた第１量子井戸層が持つ発光再結合準位エネルギーギャップに対応する第１発光波長が、全体の発光スペクトラムの強度ピークの波長域に含まれるように構成された活性層と
    を具備する表示装置。
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