(57)【要約】【課題】発光効率が高い多波長の発光素子を提供する。【解決手段】ｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に、第１の半導体層ｐ型ＧａＩｎＰ層１０３と、第３の半導体層ｎ型ＧａＩｎＰ層１０５と、第２の半導体層ｐ型ＧａＩｎＰ層１０９と、光出射面１１４がこの順に設けられ、また第１の半導体層と第３の半導体層の間に第１の活性層ＡｌＧａＡｓ１０４が設けられ、第２の半導体層と第３の半導体層との間に第２の活性層ＧａＡｓ層１０８が設けられ、さらに第１の活性層と第２の活性層の間に波長選択反射層１０６が設けられた構成により高効率の発光素子を提供する。【選択図】　図１
2004014965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層と、光出射面をこの順に有し、
前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第１の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第１の活性層と、
前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第２の活性層とを備え、
前記第１の活性層と前記第２の活性層の間に設けられ、前記第１の活性層の発光波長の光を主に透過し、前記第２の活性層の発光波長の光を主に反射する機能を有する波長選択反射層を備え、
前記第１の活性層の発光波長が前記第２の活性層の発光波長に比較して長いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
第１導電型の第１の半導体層と、障壁層と、第１導電型の第２の半導体層と、光出射面をこの順に有し、
前記第１の半導体層と前記障壁層との間に設けられた、第２導電型の第１の活性層と、
前記第２の半導体層と前記障壁層との間に設けられた、第２導電型の第２の活性層とを備え、
前記第１の活性層の発光波長が前記第２の活性層の発光波長に比較して長いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
第１の半導体層からみて第１の活性層の反対側に第１の活性層の発光波長を主に反射する反射層を備えることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
第２導電型がｎ型であり、障壁層の電子親和力が第１の活性層および第２の活性層のいずれの電子親和力に比較しても小さいか、
あるいは第２導電型がｐ型であり、障壁層の電子親和力とバンドギャップの和が第１の活性層および第２の活性層のいずれの電子親和力とバンドギャップの和に比較しても大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
障壁層の膜厚が第１の活性層の発光波長の四分の一波長の光路長に対応する膜厚であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とをこの順に設け、
前記第１、第２、第３の半導体層に、各々第１の電極、第２の電極、第３の電極を設けた半導体発光素子を備え、
デジタル変調信号に応じて前記半導体発光素子の前記第１の電極および前記第２の電極に流れる電流量を互いに逆方向に変化させることを特徴とする光送信機。
【請求項７】
第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とをこの順に設け、
前記第１、第２、第３の半導体層に、各々第１の電極、第２の電極、第３の電極を設けた多波長半導体発光素子を備え、
入力信号に応じて前記半導体発光素子の前記第１の電極および前記第２の電極に流れる電流量を変化させる駆動回路を備えることにより前記入力信号に応じて互いに逆位相で強度変調された２つの波長の光を出力することを特徴とする光送信機。
【請求項８】
駆動回路が、入力信号を所定の微分量で微分する機能を有することを特徴とする請求項６に記載の光送信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関するものであり、特に発光ダイオード素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の表面発光型の発光ダイオード素子は、主に単一の波長の光を発光するものであった。表面発光型で、しかも多波長の光を発光させる素子の提案としては、特開平８−２３６８１２号公報および特開平９−５５５３８号公報に、２種類の波長の光を発光する発光ダイオード素子を縦方向に積層して設けた構造のものが開示されている。
【０００３】
従来技術による多波長発光素子として特開平８−２３６８１２号公報で示される２波長発光素子の断面構造図を図３に示す。
【０００４】
図３の構造では、一般に平坦な上面を有する基板２１２が設けられる。導電材料のコンタクト層２１３は、基板２１２の平坦な表面上に配置される。封止層２１４は、コンタクト層２１３の表面上に配置される。活性層２１５は、封止層２１４の表面上に配置され、別の封止層２１６は活性層２１５の表面上に配置される。導電材料のコンタクト層２１７は、封止層２１６の表面上に配置され、表面発光ヘテロ構造ＬＥＤ２２０の基本構造を完成する。
【０００５】
この従来技術では、コンタクト層２１７は、ＬＥＤ２２０上に配置される第２ヘテロ構造ＬＥＤ２３０のコンタクト層としても機能する。封止層２２４は、コンタクト層２１７の表面上に配置される。活性層２２５は、封止層２２４の表面上に配置され、別の封止層２２６は、活性層２２５の表面上に配置される。導電材料のコンタクト層２２７は、封止層２２６の表面上に配置され、第２の表面発光へテロ構造ＬＥＤ２３０の基本構造を完成する。
【０００６】
特定の例としてのこの従来技術において、基板２１２は、半絶縁ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、エピタキシャル成長層はＩｎＧａＡｌＰ材料系にある。この特定の例では、コンタクト層２１３は、ｎ＋型導電性を有する高濃度にドーピングされた（＞１０１８）ＧａＡｓからなる。封止層１４は、ｎ−型導電性にドーピングされたＩｎＧａＡｌＰからなる。活性層２１５は、ＩｎＧａＡｌＰからなる。封止層２１６は、ｐ−型導電性にドーピングされたＩｎＧａＡｌＰからなる。コンタクト層２１７は、ｐ＋型導電性を有する高濃度にドーピングされた（＞１０１８）ＧａＡｓからなる。封止層２２４は、ｐ−型導電性にドーピングされたＩｎＡｌＰからなる。活性層２２５は、ＩｎＧａＡｌＰからなり；封止層２２６は、ｎ−型導電性にドーピングされたＩｎＡｌＰからなる。コンタクト層２２７は、ｎ＋導電性を有する高濃度にドーピングされた（＞１０１８）ＧａＡｓからなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術による多波長発光ダイオード素子は、単波長の発光素子に比較して発光効率が低かった。原因の一つは、開口部に近い上部の活性層で生じた短波長の光の一部が、下部の活性層で吸収されるためである。
【０００８】
また従来技術による素子では、各波長の光出力を同期的に高速に変調することは困難であった。例えば上部の活性層での発光と下部の活性層での発光を相補的に変化させようとした場合、両者の電荷分布を同時に変化させる必要があるため、単一波長素子に比較して応答速度が遅くなってしまう。
【０００９】
したがって高速な変調が要求される用途では、従来技術による多波長発光素子を適用することができなかった。
【００１０】
本発明は前記従来技術の課題を解決し、発光効率が高い多波長の発光素子を提供することを目的とする。また各波長の光を同期的に高速に変調できる発光素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の第１の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層と、光出射面をこの順に有し、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第１の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第１の活性層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第２の活性層とを備え、第１の活性層と第２の活性層の間に設けられ、第１の活性層の発光波長の光を主に透過し、第２の活性層の発光波長の光を主に反射する機能を有する波長選択反射層を備え、前記第１の活性層の発光波長が前記第２の活性層の発光波長に比較して長いという特徴を備えたものである。
【００１２】
また、本発明の第２の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、障壁層と、第１導電型の第２の半導体層と、光出射面をこの順に有し、前記第１の半導体層と前記障壁層との間に設けられた、第２導電型の第１の活性層と、前記第２の半導体層と前記障壁層との間に設けられた、第２導電型の第２の活性層とを備え、前記第１の活性層の発光波長が前記第２の活性層の発光波長に比較して長いという特徴を備えたものである。
【００１３】
また、本発明の第１の光送信機は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とをこの順に設け、前記第１、第２、第３の半導体層に、各々第１の電極、第２の電極、第３の電極を設けた多波長半導体発光素子を備え、入力信号に応じて前記半導体発光素子の前記第１の電極および前記第２の電極に流れる電流量を変化させる駆動回路を備えることにより前記入力信号に応じて互いに逆位相で強度変調された２つの波長の光を出力するという特徴を備えたものである。
【００１４】
また、本発明の第２の光送信機は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とをこの順に設け、前記第１、第２、第３の半導体層に、各々第１の電極、第２の電極、第３の電極を設けた半導体発光素子を備え、デジタル変調信号に応じて前記半導体発光素子の前記第１の電極および前記第２の電極に流れる電流量を互いに逆方向に変化させることを特徴とするという特徴を備えたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
前述のように、従来技術による多波長発光ダイオード素子では、単波長の発光素子に比較して発光効率が低かった。また各波長の光出力を同期的に高速に変調することは困難であった。
【００１６】
本発明は上記構成を備えることにより、発光効率が高い多波長の発光素子を提供できる。また各波長の光を同期的に高速に変調できる発光素子を提供できる。
【００１７】
本発明の半導体発光素子を構成する半導体としては、ＧａＡｓ，　ＡｌＡｓ，　ＩｎＡｓ，　ＧａＰ，ＡｌＰ，　ＩｎＰ，　ＧａＮ，　ＡｌＮ，　ＩｎＮ等の３−５族化合物半導体材料、ＺｎＳｅ，　ＣｄＳｅ，　ＭｇＳｅ，　ＺｎＳ，　ＣｄＳ，　ＺｎＴｅ，　ＣｄＴｅ，　ＺｎＯ，　ＣｄＯ，　ＭｇＯ等の２−６族化合物半導体材料、およびＡｌＧａＡｓ，　ＧａＩｎＰ，　ＡｌＧａＩｎＰ，　ＩｎＧａＡｓＰ，　ＡｌＧａＮ，　ＩｎＧａＮ，　ＺｎＣｄＳｅ，　ＭｇＺｎＯ等の前記化合物半導体の混晶材料を用いることができる。
【００１８】
また本発明の半導体発光素子の基板として、上記化合物半導体等の半導体により構成された第１導電形の半導体基板を用いることにより基板裏面に一方の電極を形成でき素子作製の工程が簡素化される。
【００１９】
また本発明の半導体発光素子の基板として、上記化合物半導体により構成された半絶縁性の半導体基板やＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２等の絶縁体基板を用いることにより素子の静電容量が低減するので高周波特性が向上し、また複数の素子を形成する際に各素子を絶縁できるので集積化が容易となる。
【００２０】
本発明の半導体発光素子においては、各層の導電型の組合わせはｐｎｐ型、ｎｐｎ型のどちらの構成を用いることもできる。
【００２１】
なおここで第２の導電型をｎ型とすることにより、第３の半導体層からの注入されるキャリアが、ホールに比較して移動度の高い電子となるので、横方向の電荷注入における注入抵抗が低減し、好ましい。またさらに、第２の導電型をｎ型とすることにより第２の半導体層から注入されるキャリア、すなわち第２の導電型の領域（活性層もしくは第３の半導体層）における少数キャリアが、電子に比較して拡散長の短いホールとなるので、当該領域における横方向の少数キャリア拡散を抑制できる効果もある。
【００２２】
以下、具体的な例をあげて説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造図を示す。以下にｐｎｐ型の導電型構造を有するＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ系素子を例として説明する。
【００２４】
ｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に、第１導電型の第１の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層１０３と、第２導電型の第３の半導体層としてｎ型ＧａＩｎＰ層１０５と、第１導電型の第２の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層１０９と、光出射面１１４がこの順に設けられている。また第１の半導体層１０３と第３の半導体層１０５との間には、第１の半導体層１０３および第３の半導体層１０５から注入される電荷によって発光する第１の活性層としてＡｌＧａＡｓ活性層１０４が設けられ、第２の半導体層１０９と第３の半導体層１０５との間には、第２の半導体層１０９および第３の半導体層１０５から注入される電荷によって発光する第２の活性層としてＧａＡｓ活性層１０８が設けられている。さらに第１の活性層１０４と第２の活性層１０８の間には、第１の活性層１０４の発光波長の光を主に透過し、第２の活性層１０８の発光波長の光を主に反射する機能を有する波長選択反射層１０６が設けられている。
【００２５】
ここで、第１の活性層１０４の禁制帯幅は第２の活性層１０８の禁制帯幅に比較して小さく、第１の活性層１０４の発光波長は前記第２の活性層１０８の発光波長に比較して長い。
【００２６】
波長選択反射層１０６としては、第２の活性層の発光波長の１／４光路長に対応する膜厚の多層膜を用いるブラッグ反射膜が適しており、例えばＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層により構成される多層膜を用いることができる。多層膜を構成する反導体層の屈折率と層数を適切に設定することにより、第１の活性層１０４からの発光を主に透過し、かつ第２の活性層１０８の発光波長の光を主に反射する機能を実現できる。
【００２７】
第１の活性層１０４からの発光は、波長選択反射層１０６による反射が少ないため、その多くがこれを透過する。また第１の活性層１０４の禁制帯幅は第２の活性層１０８の禁制帯幅に比較して小さいため、第１の活性層１０４からの発光の第２の活性層１０８における吸収も少なく、その大部分が光出射面１１４から外部に出射される。
【００２８】
一方、第２の活性層１０８からの発光は、その約半分が基板方向に出射される。しかし、第２の活性層１０８からの発光に対する波長選択反射層１０６による反射は大きいため、その多くがここで反射され光出射面１１４から外部に出射される。
【００２９】
上述のように本発明の構成を用いることにより、第２の活性層からの発光の多くが第１の活性層により吸収・減衰されること無く光出射面に到達することができるので、従来の多波長発光素子に比較してより高効率の発光素子を実現できる。
【００３０】
また本実施の形態では基板１０１と、第１導電型の第１の半導体層１０３の間に、基板側反射層１０２が設けられており、第１の活性層１０４からの発光が基板に吸収されることを防いでいる。
【００３１】
（第２の実施形態）
図２に第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造図を示す。以下にｐｎｐ型の導電型構造を有するＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ系素子を例として説明する。
【００３２】
ｐ型ＧａＡｓ基板１０１上に、第１導電型の第１の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層１０３と、障壁層としてＡｌＧａＡｓ層２０２と、第１導電型の第２の半導体層としてｐ型ＧａＩｎＰ層１０９と、光出射面１１４がこの順に設けられている。
【００３３】
また第１の半導体層１０３と障壁層２０２との間には、第２導電型の第１の活性層としてｎ型ＡｌＧａＡｓ活性層２０１が設けられ、第２の半導体層１０９と障壁層２０２との間には、第２導電型の第２の活性層としてＧａＡｓ活性層２０３が設けられている。
【００３４】
ここで、第１の活性層２０１の禁制帯幅は第２の活性層２０２の禁制帯幅に比較して小さく、第１の活性層２０１の発光波長は前記第２の活性層２０２の発光波長に比較して長い。
【００３５】
本実施の形態では第２導電型がｎ型、すなわちｐｎｐ型の導電型構造であり、障壁層であるＡｌＧａＡｓ層２０２の電子親和力は第１の活性層および第２の活性層のいずれの電子親和力に比較しても小さい材料構成となっている。また、障壁層はｎ型導電型に不純物添加されている。また障壁層の禁制帯幅は、第１および第２の活性層に比較して大きい。
【００３６】
この構成により、発光時の電子は比較的自由に第１の活性層と第２の活性層の間を移動できるのに対し、正孔は障壁層よってその移動を制限されるので障壁層の存在により外部からの電界によって第１の活性層と第２の活性層の間に電位差を設けることができる。この結果、第１の活性層からの発光と第２の活性層からの発光を切り替えることができるが、このとき電子は速やかにその分布を変化させることができるので、従来の多波長発光素子に比較して高速に発光波長を変化させることができる。
【００３７】
なお第２導電型がｐ型、すなわちｎｐｎ型の導電型構造の場合は、障壁層の電子親和力とバンドギャップの和が第１の活性層および第２の活性層のいずれの電子親和力とバンドギャップの和に比較しても大きい構成とすることにより本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
上述のように本発明の構成を用いることにより、従来の多波長発光素子に比較して高速に発光波長を変調することが可能な多波長発光素子を実現できる。
【００３９】
なお、障壁層の膜厚が第２の活性層の発光波長の四分の一波長の光路長に対応する膜厚であることにより、第２の活性層からの基板方向への発光を光出射面方向へ反射し、素子の発光効率を改善する効果を有する。
【００４０】
また本実施の形態では基板１０１と、第１導電型の第１の半導体層１０３の間に、基板側反射層１０２が設けられており、第１の活性層１０４からの発光が基板に吸収されることを防いでいる。
【００４１】
（第３の実施形態）
図４に第３の実施形態に係る光送信機３０１の概念図を示す。
【００４２】
本実施形態は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層とをこの順に設け、前記第１、第２、第３の半導体層に、各々第１の電極３０３、第２の電極３０４、第３の電極３０５を設けた多波長半導体発光素子３０２を用いる。前記多波長半導体発光素子には各々発光波長の異なる２つの活性層が設けられている。このような多波長発光素子の例としては、例えば本発明の第１の実施形態や第２の実施形態に開示される発光素子を用いることができる。
【００４３】
また本実施形態の光送信機は、入力信号３０６に応じて前記半導体発光素子３０２の前記第１の電極３０３および前記第２の電極３０４に流れる電流量を変化させる駆動回路３０７を備えている。なお第３の電極３０５は接地されている。また入力信号３０６としてはアナログ信号、デジタル信号あるいはその両者の混合されたものを用いることができる。前記駆動回路３０７により前記入力信号３０６に応じて互いに逆位相で強度変調された２つの波長の光（第１の波長の光出力３０９および第２の波長の光出力３１０）が出力レンズ３０８を通して出力される。
【００４４】
上記本発明の実施例による構成は、ｐｎｐ型あるいはｎｐｎ型の多波長発光素子を用いることにより、従来の単一の発光波長を有する複数の発光素子を用いた光送信機に比較し、単一の素子の内部で発光波長を切り替えるので、変調速度を劣化させる原因となる実装サイズを縮小し、変調に伴う電流変化の生じる回路領域を限定できるので、高速な波長変調が可能となる。また二つの波長の光の発光領域が同一であるため、単一のレンズ３０７による集光が容易であり、また両者の光路が同一となる利点もある。
【００４５】
なお２個の発光ダイオード素子を縦方向に直列に作製したｎｐｎｐ型もしくはｐｎｐｎ型の多波長発光素子を用いて同様の光送信機を作成することも可能である。しかし、この場合は発光波長を切り替えようとすると中央電極に流れる電流の向きを逆転する必要があり、高速な変調が困難となる。
【００４６】
また、入力信号３０６としてデジタル信号を用いる場合、駆動回路３０７が入力信号を微分する機能を有し、各波長の光のオン時とオフ時に、対応する電極の駆動電流量をピーキングすることにより、素子や周辺回路の時定数による遅延を相殺して変調速度を高速化できる。
【００４７】
以上のように本発明の構成により、高速で発光波長を切り替えることのできる光送信機が実現できる。
【００４８】
なお第１および第２の実施形態においては自然放出光を利用する発光ダイオード型の素子の例をあげたが、本発明は、誘導放出光を利用する端面出射型および面発光型の半導体レーザ素子等に応用することもできる。
【００４９】
また第１および第２の実施形態においてはＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ系の材料系による構成の例をあげたが、本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系，　ＩｎＧａＡｓＰ系，　ＺｎＣｄＳｅ系等、他の材料系の半導体発光素子に適用することも可能である。
【００５０】
この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の半導体発光素子は、第１導電型の第１の半導体層と、第２導電型の第３の半導体層と、第１導電型の第２の半導体層と、光出射面をこの順に有し、前記第１の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第１の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第１の活性層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に設けられ、前記第２の半導体層および前記第３の半導体層から注入される電荷によって発光する第２の活性層とを備え、第１の活性層と第２の活性層の間に設けられ、第１の活性層の発光波長の光を主に透過し、第２の活性層の発光波長の光を主に反射する機能を有する波長選択反射層を備え、前記第１の活性層の発光波長が前記第２の活性層の発光波長に比較して長いという特徴を備えた構成により、従来になく発光効率が高い多波長の発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子の構造断面図
【図２】第２の実施形態に係る半導体発光素子の構造断面図
【図３】従来の多波長発光素子の構造断面図
【図４】第３の実施形態に係る光送信機の概念図
【符号の説明】
１０１　基板
１０２　基板側反射層
１０３　第１の半導体層（第１導電型）
１０４　第１の活性層
１０５　第３の半導体層（第２導電型）
１０６　波長選択反射層
１０７　第２導電型コンタクト層
１０８　第２の活性層
１０９　第２の半導体層（第１導電型）
１１０　第１導電型コンタクト層
１１１　第１の電極
１１２　第２の電極
１１３　第３の電極
１１４　光出射面
２０１　第１の活性層
２０２　障壁層
２０３　第２の活性層
２１０　多重波長発光ダイオード装置
２１２　基板
２１３　コンタクト層
２１４　封止層
２１５　活性層
２１６　封止層
２１７　コンタクト層
２２０　第１ＬＥＤ
２２４　封止層
２２５　活性層
２２６　封止層
２２７　コンタクト層
２３０　第２ＬＥＤ
２３５　共通の発光領域
２３６　隣接コンタクト領域
２４０，２４１，２４２　電気コンタクト
３０１　光送信機
３０２　多波長半導体発光素子
３０３　第１の電極
３０４　第２の電極
３０５　第３の電極
３０６　入力信号
３０７　駆動回路
３０８　出力レンズ
３０９　第１の波長の光出力
３１０　第２の波長の光出力
【図１】
2004014965.tif 000003
【図２】
2004014965.tif 000004
【図３】
2004014965.tif 000005
【図４】
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