(57)【要約】【課題】パルス幅歪が低減され、伝送品質が高められた発光素子を提供する。【解決手段】実施形態にかかる発光素子は、基板と、発光層と、前記基板と前記発光層との間に設けられた第１導電形層と、前記第１導電形層と前記基板との間に設けられた第１の分布ブラッグ反射層と、前記発光層と前記第１の分布ブラッグ反射層との間に設けられた第２の分布ブラッグ反射層と、を有する。前記第１の分布ブラッグ反射層は、第１の層と、前記第１の層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の層と、が交互に積層され、前記発光層からの放出光の発光波長と一致する中心波長を有する。前記第２の分布ブラッグ反射層は、第３の層と、前記第３の層とは異なる屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記第１の分布ブラッグ反射層の中心波長よりも５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で長い中心波長を有し、前記第３の層と前記第４の層とのペア数が前記第１の層と前記第２の層とのペア数よりも少ないことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
発光層と、
前記基板と前記発光層との間に設けられた第１導電形層と、
前記第１導電形層と前記基板との間に設けられ、第１の層と、前記第１の層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の層と、が交互に積層され、前記発光層からの放出光の発光波長と一致する中心波長を有する第１の分布ブラッグ反射層と、
前記発光層と前記第１の分布ブラッグ反射層との間に設けられ、第３の層と、前記第３の層とは異なる屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記第１の分布ブラッグ反射層の中心波長よりも５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で長い中心波長を有し、前記第３の層と前記第４の層とのペア数が前記第１の層と前記第２の層とのペア数よりも少ない第２の分布ブラッグ反射層と、
を備えたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層は、井戸層および前記井戸層の屈折率よりも低い屈折率を有する障壁層を有し、
前記第１および第３の層は、前記井戸層の組成式と同一の組成式を有し、
前記第２および第４の層は、前記障壁層の組成式と同一の組成式を有することを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１導電形層は、前記発光層に隣接した第１のクラッド層及び第２のクラッド層を有し、
前記第２の分布ブラッグ反射層は、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記第１の層と前記第２の層との前記ペア数は、２０以上４０以下の範囲とされ、
前記第３の層と前記第４の層との前記ペア数は、前記第１の層と前記第２の層との前記ペア数の２分の１以下とされたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の発光素子。
【請求項５】
前記第１の層の厚さは、前記発光層からの放出光に対応する媒質内波長の４分の１とされ、
前記第２の層の厚さは、前記放出光に対応する媒質内波長の４分の１とされ、
前記第３の層の厚さは、前記第２の分布ブラッグ反射層の前記中心波長に対応する媒質内波長の４分の１とされ、
前記第４の層の厚さは、前記第２の分布ブラッグ反射層の前記中心波長に対応する媒質内波長の４分の１とされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の発光素子。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光送信器と光受信器とを光ファイバーを用いて接続すると、ノイズの発生が低減され、また電磁ノイズの影響を受けにくい信号伝送が容易となる。
【０００３】
光送信器の光源として発光素子を用い、光ファイバとしてプラスチックファイバを用いると、簡素な構成で、電子機器間のデータ伝送、産業用機器の制御、光通信、などを行うことができる。この場合、伝送速度を１００Mbpsとすると、光パルスの立ち下がりにおいてピーク値の１０％までの降下時間が、例えば１０ｎｓ以下であることが要求される。
【０００４】
一般に発光素子において、入力電気信号に対して出力光信号には遅れを生じる。例えば、電気信号が立ち下がり始めても、発光素子内部に生じているキャリアにより光パルスの立ち下がりには遅れを生じる。これを裾引き現象や尾引き現象などという。裾引き現象によりパルス幅歪を生じると、伝送品質が低下し、かつ伝送速度を高めることが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パルス幅歪が低減され、伝送品質が高められた発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態にかかる発光素子は、基板と、発光層と、前記基板と前記発光層との間に設けられた第１導電形層と、前記第１導電形層と前記基板との間に設けられた第１の分布ブラッグ反射層と、前記発光層と前記第１の分布ブラッグ反射層との間に設けられた第２の分布ブラッグ反射層と、を有する。前記第１の分布ブラッグ反射層は、第１の層と、前記第１の層の屈折率とは異なる屈折率を有する第２の層と、が交互に積層され、前記発光層からの放出光の発光波長と一致する中心波長を有する。前記第２の分布ブラッグ反射層は、第３の層と、前記第３の層とは異なる屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記第１の分布ブラッグ反射層の中心波長よりも５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲で長い中心波長を有し、前記第３の層と前記第４の層とのペア数が前記第１の層と前記第２の層とのペア数よりも少ないことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態にかかる発光装置の模式断面図である。
【図２】図２（ａ）は、比較例にかかる発光装置の模式断面図、図２（ｂ）は第１のＤＢＲ層の作用を説明する図、である。
【図３】図３（ａ）は発光パルスの遅れを説明するグラフ図、図３（ｂ）はパルスの裾引き現象を説明するグラフ図、である。
【図４】フォトルミネッセンス強度の波長に対する依存性のグラフ図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は遅れた発光を含む光のスペクトルを説明するグラフ図である。
【図６】本実施形態の第１及び第２のＤＢＲ層の作用を説明する模式図である。
【図７】本実施形態の発光素子を用いた光伝送システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる発光素子の模式断面図である。
発光素子は、基板１０、第１の分布ブラッグ反射層２０、第２の分布ブラッグ反射層２２、第１導電形層１７、発光層１８、第２導電形層１９、第１電極３４、及び第２電極３６、を有している。
【００１０】
基板１０、第１の分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed  Bragg  Reflector）層２０、第２の分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）層２２、は、第１導電形を有するものとする。発光層１８は、基板１０の側の第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面と、を有している。第１導電形層１７は第１の面の側、第２導電形層１９は第２の面の側、にそれぞれ設けられる。また、発光層１８、第１導電形層１７、第２導電形層１９、第１のＤＢＲ層２０、及び第２のＤＢＲ層２２からなる積層体は、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）、などとすることができる。
【００１１】
図１において、基板１０はＧａＡｓからなるものとし、第１導電形はｎであるものとする。ｎ形ＧａＡｓからなる基板１０の上に、ｎ形ＧａＡｓからなるバッファ層１２を介して、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる積層体が形成される。なお、基板１０や積層体の材質、及びそれらの導電形はこれらに限定されない。
【００１２】
発光層１８は、Ｉｎ０．５（ＧａｕＡｌ１−ｕ）０．５Ｐ（０≦ｕ≦１）からなる井戸層（屈折率Ｎｗ）１８ａと、Ｉｎ０．５（ＧａｖＡｌ１−ｖ）０．５Ｐ（０≦ｖ≦１）からなる障壁層（屈折率Ｎｂ）１８ｂと、を交互に積層したＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とすることができる。ここで、Ｎｗ＞Ｎｂであるものとする。発光層１８は、上方へ向かう放出光Ｇ１、側方へ向かう放出光Ｇ２、下方へ向かう放出光Ｇ３などを放出する。
【００１３】
第１のＤＢＲ層２０は、井戸層１８ａの組成式と同一の組成式を有する第１の層２０ａと、障壁層１８ｂの組成式と同一の組成式を有する第２の層２０ｂと、が交互に積層されたものとすることができる。また、第２のＤＢＲ層２２は、井戸層１８ａの組成式と同一の組成式を有する第３の層２２ａと、障壁層１８ｂの組成式と同一の組成式を有する第４の層２２ｂと、が交互に積層されたものとすることができる。このようにすると、積層体の構成及び結晶成長プロセスを簡素にできる。なお、「同一の組成式」とは、例えばＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表す組成式において、構成元素の種類（この具体例では、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ）だけでなく、その比率を表すｘ及びｙがそれぞれ同一であることを意味する。この場合、導電形が同一であっても異なっていても良いものとする。例えば、井戸層１８ａ及び障壁層１８ｂが、ノンドープであり、第１のＤＢＲ層２０や第２のＤＢＲ層２２がｎ形であってもよい。
【００１４】
第１のＤＢＲ層２０において、発光層１８からの放出光が第１の層２０ａと第２の層２０ｂとの１ペアを通過する光路長が２分の１波長となるようにすると、ペア数を増やすのに応じて、反射光が強めあい反射率をより高めることができる。このため、基板１０における光吸収が低減され、光出力を高めることができる。
【００１５】
この場合、それぞれの層の光路長を４分の１波長としてもよい。例えば、第１の層２０ａの厚さＴｗ１は、式（１）のようにすればよい。
【００１６】
Ｔｗ１＝（λ１／Ｎｗ）／４      式（１）
但し、λ１：放出光の自由空間波長
【００１７】
すなわち、Ｔｗ１を第１の層２０ａ内の媒質内波長の４分の１とすればよい。また、第２の層２０ｂの厚さＴｂ１は、式（２）のようにすればよい。
【００１８】
Ｔｂ１＝（λ１／Ｎｂ）／４      式（２）
【００１９】
このようにして、第１のＤＢＲ層２０の中心波長λｂｒ１は、放出光の波長λ１と一致させる。他方、第２のＤＢＲ層２２の中心波長λｂｒ２は、λ１よりも長いλ２とする。この波長λ２に関しては、のちに詳しく説明する。この場合、第２のＤＢＲ層２２において、光が第３の層２２ａと第４の層２２ｂとの１ペアを通過する光路長が波長λ２の２分の１となるようにすると、ペア数を増やすのに応じて、反射率を高めることができる。
【００２０】
この場合、それぞれの層の光路長を、波長λ２の４分の１としてもよい。例えば、第３の層２２ａの厚さＴｗ２は、式（３）のようにすればよい。
【００２１】
Ｔｗ２＝（λ２／Ｎｗ）／４      式（３）
【００２２】
また、第２の層２０ｂの厚さＴｂ２は、式（４）のようにすればよい。
【００２３】
Ｔｂ２＝（λ２／Ｎｂ）／４      式（４）
【００２４】
第１導電形層１７は、例えば発光層１８に隣接した第１のクラッド層１６と、第２のクラッド層１４と、を含む。第１及び第２のクラッド層１６、１４がｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるものとすると、井戸層１８ａ内に放出光を適正に閉じ込め発光効率を高めることができる。
【００２５】
また、第２導電形層１９は、例えば、ｐ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなるクラッド層２４、ｐ形ＡｌｒＧａ１−ｒＡｓ（０≦ｒ≦１）からなる電流拡散層２６、ｐ形Ｉｎ０．５（ＧａｑＡｌ１−ｑ）０．５Ｐ（０≦ｑ≦１）からなる耐湿層２８、およびｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層３０をこの順序で有している。第１電極３４よりも小さいサイズの電流ブロック層３２を設けると、第１電極３４からの電流は、電流ブロック層３２の下方には広がらず、発光に寄与しない電流を低減し、光取り出し効率を高めることができる。
【００２６】
また、第１電極３４の直下のコンタクト層３０を残しそれ以外のコンタクト層３０を除去すると、放出光がＧａＡｓからなるコンタクト層３０で吸収されることが抑制され、光取り出し効率を高めることができる。  
【００２７】
図２（ａ）は、比較例にかかる発光装置の模式断面図、図２（ｂ）は第１のＤＢＲ層の作用を説明する図、である。
図２（ａ）のように、発光素子は、基板１１０、第１のＤＢＲ層１２０、第１導電形のクラッド層１１６、発光層１１８、第２導電形層１１９、第１電極１３４、及び第２電極１３６、を有している。第２導電形層１１９は、クラッド層１２４、電流拡散層１２６、耐湿層１２８、コンタクト層１３０、を有している。また、基板１１０はＧａＡｓからなるものとし、第１導電形はｎであるものとする。ｎ形ＧａＡｓからなる基板１１０の上に、ｎ形ＧａＡｓからなるバッファ層１１２を介して、Ｉｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる積層体が形成される。
【００２８】
発光層１１８は、Ｉｎ０．５（ＧａｕＡｌ１−ｕ）０．５Ｐ（０≦ｕ≦１）からなる井戸層と、Ｉｎ０．５（ＧａｖＡｌ１−ｖ）０．５Ｐ（０≦ｖ≦１）からなる障壁層と、を交互に積層したＭＱＷ構造とすることができる。発光層１１８は、上方へ向かう放出光Ｇ１１、側方へ向かう放出光Ｇ１２、下方へ向かう放出光Ｇ１３などを放出する。
【００２９】
第１のＤＢＲ層１２０は、ｎ形Ｉｎ０．５（ＧａｙＡｌ１−ｙ）０．５Ｐ（０≦ｙ≦１）からなる第１の層と、ｎ型Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなる第２の層と、が交互に積層されたものとする。第１の層と第２の層とは屈折率差を有する。
【００３０】
第１のＤＢＲ層１２０の中心波長λｂｒ１は、放出光の中心波長λ１と一致させる。図２（ｂ）のように、下方へ向かう放出光Ｇ１３は、第１のＤＢＲ層１２０により反射され上方へ向かう反射光Ｇ１３Ｒとなる。また、第１のＤＢＲ層１２０に存在する深い準位による発光ＤＬ１１が生じるが、これについてはのちに説明する。
【００３１】
図３（ａ）は比較例における遅れ発光を説明するグラフ図、図３（ｂ）はパルスの裾引き現象を説明するグラフ図、である。
図３（ａ）において、縦軸は相対発光強度、横軸は時間、を表す。実線は、遅れ発光成分の波形を表す。他方、破線は遅れ発光成分を含まない波形を表す。
【００３２】
高速光伝送リンクでは、立ち上がりにおける上昇時間（ｔｒ：パルス高さの１０／９０％で規定）が２０ｎｓ以下、立ち下がりにおける下降時間（ｔｆ：パルス高さの９０／１０％で規定）ｔｄが１０ｎｓ以下、が必要とされる。しかしながら、図３（ｂ）のように、比較例の発光パルスは、立ち上がり及び立ち下がりにおいて遅れ時間を有する。遅れ発光成分を含むために、立ち下がり時の裾引き現象により、下降時間ｔｄが１０ｎｓを越えることがある。この結果、光パルスを電気パルスに変換した出力パルス信号は、入力パルス信号に対してその幅が大きくなり、パルス幅歪を生じる。このようなパルス幅歪は、ビットエラーレートを高め伝送品質を低下させる。
【００３３】
図４は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度の波長に対する依存性を説明するグラフ図である。
一般に半導体結晶には、結晶欠陥や不純物が導入されている。これらの欠陥は、バンドギャップ内に固有のエネルギー準位を形成する。ＰＬ測定において光励起により生じた過剰な電子とホールは、結晶固有のバンドギャップ波長の放出光とは異なる波長の光を放出する。このように、ＰＬ強度を測定することにより結晶状態を知ることができる。ＤＢＲ層におけるＰＬ強度は、基板の表面状態に依存する。例えば、実線のＰＬ強度は、破線のＰＬ強度の略１０倍と高い。実線のように高いＰＬ強度を有する場合、ＤＢＲ層中に存在する深い準位のドナー−アクセプタペアが駆動電流により強く励起される。発明者らは、比較例において、第１のＤＢＲ層１２０内の深い準位のドナー−アクセプタペアからの発光が、放出光よりも１〜２０ｎｓ遅れることを見出した。
【００３４】
もし、比較例において、第１のＤＢＲ層１２０におけるペア数を減らすことができれば、遅れ発光成分を低減でき、パルス幅歪を低減することが容易となるはずである。しかしながら、ペア数を低減すると、第１のＤＢＲ層１２０の反射率が低下し、光出力が低下する。このため、伝送可能距離が短くなる。  
【００３５】
図５（ａ）及び（ｂ）は遅れ発光を含む光のスペクトルを説明するグラフ図である。
図５（ａ）において、縦軸は相対発光強度、横軸は波長、である。また、図５（ｂ）において、縦軸は相対発光強度、横軸はフォトンエネルギー、である。
発光層がＩｎｘ（ＧａｙＡｌ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる場合、６００〜７００ｎｍの波長範囲の光を放出可能である。遅れ発光成分を含む裾引き光パルスに対して、発明者らが光スペクトロメータを用いて行った測定によると、スペクトルの主ピークλ１に対して、５〜２０ｎｍ長波長側に従ピーク(波長：λ２)を生じていることを見出した。
【００３６】
また、図５（ｂ）に示すように、ＰＬ強度が低く遅れ発光成分を殆ど含まない場合のフォトンエネルギーＥ１に対して、ＰＬ強度が高く遅れ発光にもとずく従ピークのフォトンエネルギーＥ２は低エネルギー側にシフトしている。すなわち、低いフォトンエネルギーＥ２に対応する従ピークの波長λ２は主ピークの波長λ１よりも５〜２０ｎｍ長波長側にシフトすることに対応している。この知見に基づいて、本実施形態では、第１のＤＢＲ層２０と、発光層１８と、の間に第２のＤＢＲ層２２を設け、従ピーク近傍の波長成分を反射可能とする。
【００３７】
図６は、本実施形態において、第１及び第２のＤＢＲ層の作用を説明する模式図である。
中心波長がλ１であり発光層１８から下方へ向かう放出光Ｇ３は、中心波長λｂｒ２がλ１よりも長い第２のＤＢＲ層２２を通過可能である。他方、第１のＤＢＲ層２０の深い準位により、従ピーク（波長：λ２）に対応する遅れ発光成分ＤＬ１が生じる。しかし、遅れ発光成分ＤＬ１は、中心波長λｂｒ２がλ２と略一致する第２のＤＢＲ層２２によりその多くの部分が反射され、外部への放出が抑制される。すなわち、放出光の主ピーク近傍の波長成分が選択されて出射される。このため、光パルスの遅れが抑制され、パルス幅歪が低減され、高品質の伝送品質を保つことができる。
【００３８】
なお、第２のＤＢＲ層２２のペア数は、第１のＤＢＲ層２０のペア数よりも少ない。このため、遅れ発光成分ＤＬ１の強度は低くできる。また、λｂｒ２＝λ２であるので、第２のＤＢＲ層２２を透過して外部へ放出される遅れ発光成分は低減される。なお、放出光を透過させつつ、遅れ発光成分を反射させるには、第２のＤＢＲ層２２のペア数は１０以上とすることが好ましい。
【００３９】
また、第１のＤＢＲ層２０のペア数を２０以上とすると、基板側へ向かう放出光の反射率を高めることが容易となる。しかし、ペア数が多すぎると、遅れ発光成分が増加するので、ペア数を４０以下とすることが好ましい。また、第３の層２２ａと第４の層２２ｂとを交互に積層したペア数を、第１の層２０ａと第２の層２２ｂとを交互に積層したペア数の２分の１以下とすると、第１のＤＢＲ層２０で生じた遅れ発光成分の出射が抑制されるので、より好ましい。
【００４０】
第１のＤＢＲ層２０と第２のＤＢＲ層２２との間には、例えばｎ形Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなる第２のクラッド層１４を設けると、光をそれぞれのＤＢＲ層内に閉じ込めやすい。また、第１のＤＢＲ層２０と、第２のＤＢＲ層２２との距離Ｄを、例えば、式（５）のようにすると、第１のＤＢＲ層２０と第２のＤＢＲ層２２とが、より独立に作用しやすくできる。
【００４１】
Ｄ＝λｃｌ（ｍ＋１／２）      式（５）
但し、λｃｌ：放出光の第２のクラッド層内波長
【００４２】
図７は、本実施形態の発光素子を用いた双方向光伝送システムの模式図である。
光伝送システムは、光伝送装置５０、光伝送装置５２、及び光ファイバ５４を含む。光伝送装置５０と、光ファイバ５４の一方の端部と、は光コネクタなどを介して結合されている。また、光伝送装置５２と、光ファイバ５４の他方の端部と、は光コネクタなどを介して結合されている。発光素子５の放出光の中心波長を６００〜７００ｎｍの範囲とすると、ＰＯＦ(Plastic  Optical Fiber)を用いて５０ｍ程度の伝送距離とすることができる。また、放出光の中心波長を７００〜９００ｎｍの範囲とすると、ＰＣＦ(Plastic  Cladding  Silica Fiber）を用いて１０００ｍ程度の伝送距離とすることができる。
【００４３】
光伝送装置５０は、発光素子５を含む光送信部５０ａ、受光素子を含む光受信部５０ｂ、光学部品、制御回路部、などを有している。また、光伝送装置５２は、発光素子５を含む光送信部５２ａ、受光素子を含む光受信部５２ｂ、光学部品、制御回路部、などを有している。本実施形態の発光素子５を用いることにより、パルス幅歪が低減され伝送品質が高められた高速光伝送システムが可能となる。また、発光素子５の内部で遅れ発光成分の出射を抑制しているため、外部に帯域阻止フィルタを設ける必要がなく、光伝送装置の構成を簡素にすることができる。
【００４４】
このような光伝送システムは、電子機器間のデータ伝送、産業用機器の制御、光通信、などに用いることができる。この場合、１００Mbpsなどの高速伝送が容易であり、大容量データを伝送可能である。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
５  発光素子、１０  基板、１４  (第２の）クラッド層、１６  (第１の）クラッド層、１７  第１導電形層、１８  発光層、１９  第２導電形層、２０  第１のＤＢＲ層、２０ａ  第１の層、２０ｂ  第２の層、２２  第２のＤＢＲ層、２２ａ  第３の層、２２ｂ  第４の層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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