JP4967615B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を検出するための光検出素子を備えた半導体発光装置に係り、特に、光検出精度が高度に要求される用途で好適に適用可能な半導体発光装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device including a light detection element for detecting laser light, and more particularly to a semiconductor light emitting device that can be suitably applied in applications that require high light detection accuracy.
従来から、光ファイバや、光ディスクなどの用途の半導体発光装置には、これに組み込まれた半導体レーザの光出力レベルを一定にする目的の一環として、光検出機構により半導体レーザのレーザ光を検出することが行われている。この光検出機構は、例えば、レーザ光の一部を分岐させる反射板と、この分岐したレーザ光を検出する半導体光検出器とにより構成することが可能である。ところが、このようにすると、部品点数が多くなるだけでなく、反射板や、半導体光検出器を半導体レーザに対して高精度に配置しなければならないという問題がある。そこで、そのような問題を解決する方策の1つとして、半導体レーザと半導体光検出器とを一体に形成することが考えられる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in semiconductor light emitting devices for applications such as optical fibers and optical disks, the laser light of a semiconductor laser is detected by a light detection mechanism as part of the purpose of keeping the light output level of the semiconductor laser incorporated therein. Things have been done. This light detection mechanism can be constituted by, for example, a reflecting plate that branches a part of the laser light and a semiconductor photodetector that detects the branched laser light. However, in this case, not only the number of parts increases, but also there is a problem that the reflector and the semiconductor photodetector must be arranged with high accuracy with respect to the semiconductor laser. Therefore, as one of the measures for solving such a problem, it is conceivable to integrally form the semiconductor laser and the semiconductor photodetector.
しかし、これらを一体に形成すると、半導体光検出器が、本来検出すべき誘導放出光(レーザ光)だけでなく、自然放出光までも検出する可能性がある。そのような場合には、半導体光検出器によって変換された光電流に基づいて計測される半導体レーザの光出力レベルには、自然放出光の分だけ誤差が含まれることとなる。ここで、自然放出光は温度や動作電流などにより変化するものであり、レーザ光と光電流との相関を非線形にするので、この方法も光出力レベルを高精度に制御することが要求される用途には適さない。 However, if these are integrally formed, the semiconductor photodetector may detect not only stimulated emission light (laser light) that should be detected but also spontaneous emission light. In such a case, an error corresponding to the spontaneous emission light is included in the light output level of the semiconductor laser measured based on the photocurrent converted by the semiconductor photodetector. Here, the spontaneous emission light changes depending on the temperature, the operating current, etc., and the correlation between the laser light and the photocurrent is made non-linear, so this method is also required to control the light output level with high accuracy. Not suitable for use.
そこで、特許文献1では、半導体光検出器内の光検出層をレーザ光の定在波の腹の位置に1つ設け、自然放出光よりも誘導放出光を検出し易くする技術が提案されている。また、特許文献2では、半導体光検出器内に制御層を設け、半導体発光素子から入力される自然放出光の一部を半導体光検出器が検出する前に遮断する技術が提案されている。
Therefore, in
しかし、特許文献1では、定在波の腹と節は発振波長λ0の半分の間隔で現れるので、光検出層を極めて薄くすることが要求される。例えば、発振波長λ0が850nmの場合には、半導体光検出器内での波長(λ0/n:nは半導体光検出器内の屈折率)は250nm程度となり、125nm周期で腹と節が存在することとなるので、光検出層の厚さは厚くても100nm程度となる。通常、光検出層の厚さはμmオーダであることから勘案すると、特許文献1の技術では、半導体光検出器によって充分な量の誘導放出光を光電流に変換することは困難であり、光検出精度を向上させることは容易ではない。
However, in
また、特許文献2では、制御層は半導体光検出器を構成する半導体物質の一部を酸化することにより形成されるものである。しかし、酸化された半導体物質は自然放出光を選択的に反射させることができないので、自然放出光を多少透過してしまう。また、制御層のうち酸化されていない部分は自然放出光をほとんど減衰することなく透過してしまう。そのため、特許文献1の技術では、半導体光検出器による自然放出光の検出レベルを十分に低減することができず、光検出精度を向上させることができないという問題がある。
Moreover, in patent document 2, a control layer is formed by oxidizing a part of semiconductor substance which comprises a semiconductor photodetector. However, since the oxidized semiconductor material cannot selectively reflect the spontaneous emission light, the spontaneous emission light is somewhat transmitted. Further, the non-oxidized portion of the control layer transmits the spontaneous emission light with almost no attenuation. For this reason, the technique of
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、光検出精度を向上させることの可能な半導体発光装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving the light detection accuracy.
本発明の半導体発光装置は、積層構造と、光検出層とを備えている。積層構造は、第1導電型の第1半導体層、活性層、および第2導電型の第2半導体層をこの順に含んで構成されており、基本波光と、基本波光の1/2倍の波長のSHG(Second Harmonic Generation)光とを含む光を発するようになっている。光検出層は、基本波光の波長に相当するエネルギーより大きく、基本波光の波長に相当するエネルギーの2倍以下のバンドギャップを有している。 Semiconductors light emitting device of the present invention includes a laminated structure, a light-detecting layer. The laminated structure includes a first conductive type first semiconductor layer, an active layer, and a second conductive type second semiconductor layer in this order, and has a fundamental wave light and a wavelength that is ½ times the fundamental wave light. The SHG (Second Harmonic Generation) light is emitted. The photodetection layer has a band gap that is larger than the energy corresponding to the wavelength of the fundamental wave light and not more than twice the energy corresponding to the wavelength of the fundamental wave light.
本発明の半導体発光装置では、基本波光の波長に相当するエネルギーより大きく、基本波光の波長に相当するエネルギーの2倍以下のバンドギャップを有する光検出層が設けられている。これにより、積層構造内で発生した光のうち基本波光は光検出層で吸収されず光検出層を透過するが、基本波光の強度のほぼ二乗に比例した強度の第2高調波光であるSHG光が光検出層で吸収され光電流に変換される。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, a light detection layer having a band gap larger than the energy corresponding to the wavelength of the fundamental light and not more than twice the energy corresponding to the wavelength of the fundamental light is provided . As a result, the fundamental wave light out of the light generated in the laminated structure is not absorbed by the photodetection layer but is transmitted through the photodetection layer, but SHG light that is the second harmonic light having an intensity proportional to the square of the intensity of the fundamental wave light. Is absorbed by the photodetection layer and converted into a photocurrent.
本発明の半導体発光装置によれば、基本波光の波長に相当するエネルギーより大きく、基本波光の波長に相当するエネルギーの2倍以下のバンドギャップを有する光検出層を設けるようにしたので、積層構造内で発生した光のうち基本波光を光検出層で吸収しないでSHG光を光検出層で吸収し光電流に変換することができる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, the photodetection layer having a band gap larger than the energy corresponding to the wavelength of the fundamental light and not more than twice the energy corresponding to the wavelength of the fundamental light is provided. SHG light can be absorbed by the light detection layer without being absorbed by the light detection layer among the light generated in the light, and converted into a photocurrent.
ここで、SHG光は基本波光の強度のほぼ二乗に比例した強度で発生するので、基本波光のうち強度の大きな誘導放出光によって主に発生し、強度の小さな自然放出光によって発生することはほとんどない。つまり、SHG光は積層構造内で発生する基本波光に主に含まれる誘導放出光によって主に発生する。これにより、誘導放出光の割合の多い光を光検出層で検出することができるので、光検出層で変換される光電流は温度や動作電流などにより変化する自然放出光の影響をほとんど受けなくなる。その結果、光検出精度が向上する。 Here, since the SHG light is generated with an intensity that is approximately proportional to the square of the intensity of the fundamental wave light, it is mainly generated by stimulated emission light having a high intensity among the fundamental wave light, and is hardly generated by spontaneous emission light having a low intensity. Absent. That is, SHG light is mainly generated by stimulated emission light mainly included in the fundamental wave light generated in the laminated structure. As a result, light with a high proportion of stimulated emission light can be detected by the photodetection layer, so that the photocurrent converted by the photodetection layer is hardly affected by spontaneous emission light that varies with temperature, operating current, etc. . As a result, the light detection accuracy is improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体発光装置1の断面構成を表すものである。この半導体発光装置1は、半導体光検出器10および面発光型半導体レーザ20を一体に形成したものである。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a semiconductor
この半導体発光装置1は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光がn側電極28(後述)側から外部に射出されると共に半導体光検出器10側に漏れ出し、この半導体光検出器10側に漏れ出したレーザ光の出力レベルに応じた光電流が半導体光検出器10から出力されるようになっている。すなわち、この半導体発光装置1は、面発光型半導体レーザ20のレーザ光が外部に射出される側とは反対側に半導体光検出器10を配置して構成したものである。なお、図1は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
The semiconductor
(面発光型半導体レーザ20)
面発光型半導体レーザ20は、半導体光検出器10上に、p型DBR層21(多層膜反射鏡)、電流狭窄層22、下部クラッド層23、活性層24、上部クラッド層25、n型DBR層26(多層膜反射鏡)およびn型コンタクト層27をこの順に積層してなる積層構造を備えている。
(Surface emitting semiconductor laser 20)
The surface emitting
p型DBR層21は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を交互に積層して構成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n1(λ0は発振波長、n1 は屈折率)のp型Alx1Ga1−x1As(0<x1≦1)、高屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n2(n2は屈折率)のp型Alx2Ga1−x2As(0≦x2<x1)によりそれぞれ構成されている。なお、p型不純物としては、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)などが挙げられる。
The p-
電流狭窄層22は面発光型半導体レーザ20の側面から所定の深さまでの領域にリング状の電流狭窄領域22Aを有し、それ以外の領域が電流注入領域22Bとなっている。ここで、電流注入領域22Bは、例えばp型Alx3Ga1−x3As(0<x3≦1)からなる。電流狭窄領域22Aは、Al2O3(酸化アルミニウム)を含んで構成され、後述するように、p型Alx3Ga1−x3Asからなる電流狭窄層22Dをその側面から酸化することにより得られたものである。従って、電流狭窄層22は電流を狭窄する機能を有している。
The
下部クラッド層23は、例えばAlx4Ga1−x4As(0≦x4≦1)により構成されている。活性層24は、例えばAlx5Ga1−x5As(0≦x5≦1)により構成され、電流注入領域22Bと対向する領域に発光領域24Aを有している。上部クラッド層25は、例えばAlx6Ga1−x6As(0≦x6≦1)により構成されている。
The
n型DBR層26は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n3(n3は屈折率)のn型Alx7Ga1−x7As(0<x7≦1)、高屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n4(n4は屈折率)のn型Alx8Ga1−x8As(0≦x8<x7)によりそれぞれ構成されている。なお、n型不純物としては、例えばケイ素(Si)またはセレン(Se)などが挙げられる。
The n-
n型コンタクト層27は、例えばn型GaAsにより構成されている。面発光型半導体レーザ20はまた、n型コンタクト層27の表面のうち中央部分に開口部を有するリング状のn側電極28を有している。ここで、n側電極28は、例えば金(Au)とゲルマニウム(Ge)との合金,ニッケル(Ni)および金(Au)とをこの順に積層した構造を有しており、n型コンタクト層27と電気的に接続されている。
The n-
(半導体光検出器10)
半導体光検出器10は、n型傾斜基板11上に、n型バッファ層12、n型DBR層13(多層膜反射鏡)、光検出層14およびp型コンタクト層15をこの順に積層して構成されている。
(Semiconductor photodetector 10)
The
n型傾斜基板11は、通常の平な結晶面(100)に比べて斜めになっている結晶面を有する半導体基板である。ここで、傾斜基板としてGaAs基板を用いた場合には、結晶面としては、例えば、(011)面、(211)面、(311)面、(411)面などがある。n型バッファ層12は例えばn型GaAsにより構成されている。n型DBR層13は、低屈折率層(図示せず)および高屈折率層(図示せず)を交互に積層して構成されたものであり、上記p型DBR層21と共に共振器の一方のミラーを構成している。低屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n3(n3は屈折率)のn型Alx9Ga1−x9As(0<x9≦1)、高屈折率層は、例えば厚さがλ0/4n5(n5は屈折率)のn型Alx10Ga1−x10As(0≦x10<x9)によりそれぞれ構成されている。p型コンタクト層15は例えばp型GaAsにより構成されている。
The n-type
光検出層14は、活性層24のバンドギャップよりも大きく活性層24のバンドギャップの2倍以下のバンドギャップを有する半導体、すなわち、発振波長λ0に相当するエネルギーよりも大きく発振波長λ0に相当するエネルギーの2倍以下のバンドギャップを有する半導体からなる。また、この光検出層14は、実質的にノンドープの半導体により構成されている。ここで、「実質的にノンドープの半導体」とは、p型およびn型のいずれの不純物も全くドープされていない半導体、または、吸収した光を光電流に変換することの可能な程度にわずかな不純物がドープされている半導体も含まれる概念である。なお、光検出層14は、n型DBR層13およびp型DBR層21よりも低い濃度のp型またはn型の不純物がドープされた半導体により構成されていてもよい。
The
このように、光検出層14は、p型またはn型の不純物が全くドープされていないか、または少量ドープされた半導体により構成されているので、光検出層14は、面発光型半導体レーザ20から出力されるレーザ光のうち基本波光(発振波長λ0の光)を吸収しないで基本波光の強度のほぼ二乗に比例した強度の第2高調波光(SHG光)を吸収すると共に、吸収した光を光電流に変換するように機能する。なお、光検出層14で発生した光電流は、半導体光検出器10に接続された光出力演算回路(図示せず)に光出力モニタ信号として入力され、光出力演算回路において面発光型半導体レーザ20からn側電極28側(外部)に出力されたレーザ光の出力レベルを計測するために用いられる。
Thus, since the
ここで、基本波光の波長λ0が980nmの場合には、SHG光の波長はλ0の1/2である490nmとなるので、波長980nmの光を吸収せず波長490nmの光を吸収する半導体としては、例えば、GaAs、GaInP、AlInP、AlGaAs、AlGaInP、ZnMgSSeなどがある。なお、基本波光の波長λ0が980nm以外の場合には、その波長の光を吸収せずその波長の1/2となる波長の光を吸収する半導体により光検出層14を構成すればよい。
Here, when the wavelength λ 0 of the fundamental wave light is 980 nm, the wavelength of the SHG light is 490 nm which is ½ of λ 0. Therefore, the semiconductor does not absorb the light of wavelength 980 nm but absorbs the light of wavelength 490 nm. Examples include GaAs, GaInP, AlInP, AlGaAs, AlGaInP, and ZnMgSSe. If the wavelength λ 0 of the fundamental wave light is other than 980 nm, the
また、光検出層14は、n型DBR層13およびp型DBR層21とn型DBR層26とにより構成される共振器の内部に配置されており、例えば図1に示したように、n型DBR層13とp型DBR層21との間に設けられている。そのため、光検出層14を共振器のミラーとして利用しない場合には共振器の光学的な周期構造を乱さないような構成とすることが好ましいが、共振器のミラーとして利用する場合にはn型DBR層13およびp型DBR層21と共に共振器の光学的な周期構造をなすように構成することが好ましい。もっとも、光検出層14を単一の層で構成する必要はなく、複数層で構成してもよい。このように光検出層14を複数層で構成する場合には、各層を互いに異なる不純物濃度で構成してもよいし、互いに異なる半導体材料で構成してもよい。また、光検出層14へのSHG光の入射量を多くしたい場合には、光検出層14を活性層24寄りに設けることが好ましいが、光検出層14へのSHG光の入射量が少なくても入射したSHG光を精度よく検出することが可能である場合には、光検出層14を共振器の端部または外部に設けてもよい。例えば、図2の半導体発光装置2に示したように、p型DBR層21を厚く形成してn型DBR層26およびp型DBR層21だけで共振器を構成し、かつp型DBR層21と共に共振器の光学的な周期構造をなさないn型半導体層18をn型DBR層13の代わりに設けることにより、光検出層14を共振器の外部に配置することができる。
The
また、光検出層14は、基本波光とSHG光との屈折率差が小さくなる、すなわち基本波光とSHG光とが位相整合するような構成となっていることが好ましい。また、図3の半導体発光装置3に示したように、基本波光とSHG光とが光検出層14に入射する際に位相整合するように、光検出層14の活性層24側の表面に位相整合層19を接して設けてもよい。基本波光およびSHG光が光検出層14に入射する際に位相整合していないと、面発光型半導体レーザ20内で発生したSHG光同士が打ち消しあってしまい、面発光型半導体レーザ20側から光検出層14に入射するSHG光の強度が極端に低下する虞があるからである。ここで、位相整合層19は、例えば、基本波光の進行速度が相対的に早くなりSHG光の進行速度が相対的に遅くなる半導体層と、基本波光の進行速度が相対的に遅くなりSHG光の進行速度が相対的に早くなる半導体層とを積層した積層構造を有しており、位相整合層19の光出力側の表面(光検出層14と位相整合層19との界面)において基本波光およびSHG光のそれぞれの進行速度を実質的に等しくするようになっている。
The
また、光検出層14は、SHG変換効率ηSHGの大きな材料により構成されていることが好ましい。光検出層14に入射した基本波光を光検出層14内でSHG光に変換することが可能となるからである。SHG変換効率ηSHGは以下の数1に示した式で表すことができる。
ここで、Pf 2は基本波光の光出力(W)、PSH 2はSHG光の光出力(W)、ε0は誘電率(F/m)、μ0は透磁率(H/m)、ωは基本波光の角振動数(rad/s)、dは二次の非線形光学係数(m/V)、lはSHG媒質の長さ(m)、nSHはSHG光の屈折率(無次元量)、Δkは基本波光とSHG光の伝搬定数の相違(/m)、Aは断面積(m2)である。 Here, P f 2 is the light output (W) of the fundamental wave light, P SH 2 is the light output (W) of the SHG light, ε 0 is the dielectric constant (F / m), and μ 0 is the magnetic permeability (H / m). , Ω is the angular frequency (rad / s) of the fundamental wave light, d is the second-order nonlinear optical coefficient (m / V), l is the length of the SHG medium (m), and n SH is the refractive index of the SHG light (none (Dimensional amount), Δk is a difference in propagation constant between fundamental wave light and SHG light (/ m), and A is a cross-sectional area (m 2 ).
表1に、SHG変換効率ηSHGの大きな材料の一部を列挙した。表1には、基本波光の吸収係数αがゼロでない、すなわち基本波光の一部を吸収する材料も列挙されているが、これらの材料における二次の非線形光学係数dは充分に大きいので、これらの材料によって吸収されなかった基本波光からSHG光を発生させることが可能である。従って、基本波光の吸収係数αがゼロでない材料であっても二次の非線形光学係数dが充分に大きな材料であれば、光検出層14の材料として利用可能である。
このような構成を有する半導体発光装置1は、例えば、次のようにして製造することができる。
The semiconductor
図4、図5および図6はその製造方法を工程順に表したものである。半導体発光装置1を製造するためには、n型GaAsからなるn型傾斜基板11上にGaAs系化合物半導体からなる半導体層を、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :有機金属気相成長)法により一括に形成する。この際、GaAs系化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMG)、アルシン (AsH3)を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素(H2Se)を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛(DMZn)を用いる。
4, 5, and 6 show the manufacturing method in the order of steps. In order to manufacture the semiconductor
具体的には、まず、n型傾斜基板11上に、n型バッファ層12、n型DBR層13、光検出層14、p型コンタクト層15、p型DBR層21、電流狭窄層22D、下部クラッド層23、活性層24、上部クラッド層25、n型DBR層26、n型コンタクト層27をこの順に積層する(図4)。
Specifically, first, an n-
次に、n型コンタクト層27の表面のうち所定の領域にマスク(図示せず)を形成したのち、例えばドライエッチング法によりn型コンタクト層27からp型DBR層21までを選択的に除去してメサ形状を形成し、その後、マスクを除去する(図5)。
Next, after forming a mask (not shown) in a predetermined region of the surface of the n-
次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、側面から電流狭窄層22Dを選択的に酸化する。これにより電流狭窄層22Dの外縁領域が絶縁層(酸化アルミニウム)となる。これにより、外縁領域にリング状の電流狭窄領域22Aが形成され、その中央領域が電流注入領域22Bとなる。このようにして、電流狭窄層22が形成される(図6)。
Next, oxidation treatment is performed at a high temperature in a water vapor atmosphere to selectively oxidize the
次に、例えば蒸着法によりn型コンタクト層27の表面にリング状のn側電極28を形成し、同様にして、p型コンタクト層15のうち露出している表面にp側共通電極16を、n型傾斜基板11の裏面にn側電極17をそれぞれ形成する(図1)。このようにして、本実施の形態の半導体発光装置1が製造される。
Next, for example, a ring-shaped n-
以下、本実施の形態の半導体発光装置1の作用および効果について説明する。
Hereinafter, the operation and effect of the semiconductor
この半導体発光装置1では、p側共通電極16とn側電極28との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層22により電流狭窄された電流が活性層24の利得領域である発光領域24Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光には誘導放出によって生じた光だけでなく、自然放出によって生じた光も含まれているが、共振器内で誘導放出が繰り返される結果、所定の波長でレーザ発振が生じ、その所定の波長のレーザ光が共振器内に設けられた光検出層14に繰り返し入射すると共に、n側電極28側から外部に出力される。
In the semiconductor
ところで、本実施の形態では、面発光型半導体レーザ20がn型傾斜基板11上に結晶成長することにより形成されているので、図7に例示したように、面発光型半導体レーザ20の共振器内を往復する光は非対称の媒質中を伝播していることになる。そのため、共振器内を往復する光には、基本波光L1(発振波長λ0のレーザ光)だけでなく、基本波光L1の一部が非対称の媒質によって変換されることにより生成された、基本波光L1の1/2倍の波長のSHG光L2も含まれている。このSHG光L2は、基本波光L1の強度のほぼ二乗に比例した強度で発生するので、基本波光L1のうち強度の大きな誘導放出光によって主に発生し、強度の小さな自然放出光によって発生することはほとんどない。従って、SHG光は面発光型半導体レーザ20内で発生する基本波光L1に主に含まれる誘導放出光によって主に発生する。
By the way, in the present embodiment, the surface emitting
ここで、本実施の形態の光検出層14は、活性層24のバンドギャップよりも大きく活性層24のバンドギャップの2倍以下のバンドギャップを有する半導体により構成されているので、共振器内を往復するレーザ光のうち基本波光L1は吸収されず、誘導放出光の割合の多いSHG光L2が吸収され光電流に変換される。つまり、面発光型半導体レーザ20内で発生する基本波光にわずかに含まれる自然放出光は光検出層14によって吸収されない。この光電流はp側共通電極16およびn側電極17に電気的に接続されたワイヤ(図示せず)を介して光出力モニタ信号として光出力演算回路に出力される。これにより、n側電極28側から外部に出力されるレーザ光の出力レベルが計測される。
Here, the
以上のことから、本実施の形態の半導体発光装置1では、面発光型半導体レーザ20をn型傾斜基板11上に結晶成長することにより形成すると共に、光検出層14を、活性層24のバンドギャップよりも大きく活性層24のバンドギャップの2倍以下のバンドギャップを有する半導体により構成するようにしたので、主に誘導放出光によって発生したSHG光を光検出層14で検出することができる。これにより、光検出層14で変換される光電流は温度や動作電流などにより変化する自然放出光の影響をほとんど受けなくなるので、光検出精度が向上する。
From the above, in the semiconductor
[第2の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体発光装置4の断面構成を表すものである。なお、図8は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。また、以下の説明において、上記実施の形態と同一の符号が用いられている場合は、その同一符号の要素と同様の構成・機能を有することを意味している。
[Second Embodiment]
FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor light emitting device 4 according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a schematic representation, which differs from actual dimensions and shapes. Moreover, in the following description, when the same code | symbol as the said embodiment is used, it has having the structure and function similar to the element of the same code | symbol.
この半導体発光装置4は、発光ダイオード(LED)80の光射出側の表面に、半導体光検出器70を配置すると共に一体に形成して構成したものである。この半導体発光装置4は、発光ダイオード80の発光光が半導体光検出器70のn側電極18(後述)側から外部に射出されるようになっている。さらに、半導体光検出器70からは入射した光の出力レベルに応じた光電流が出力されるようになっている。
The semiconductor light emitting device 4 is configured by disposing a
すなわち、この半導体発光装置4は、光源として発光ダイオード80を備えている点で、光源として面発光型半導体レーザ20を備えていた上記実施の形態と主に相違する。そこで、以下、主として上記相違点について詳細に説明し、上記実施の形態と同様の構成・作用・効果についての説明を適宜省略する。
That is, this semiconductor light emitting device 4 is mainly different from the above embodiment in which the surface emitting
(半導体光検出器70)
半導体光検出器70は、n型傾斜基板11上に、n型バッファ層12、光検出層14およびp型コンタクト層15をこの順に積層して構成されている。n側傾斜基板11の裏面には、発光ダイオード80と対向する部分に開口を有するn側電極18が形成されている。このn側電極18は例えばAuGe,NiおよびAuをこの順に積層した構造を有しており、n側傾斜基板11と電気的に接続されている。
(Semiconductor photodetector 70)
The
(発光ダイオード80)
発光ダイオード80は、半導体光検出器70上に、下部クラッド層81、活性層82および上部クラッド層83をこの順に積層してなる積層構造を備えている。上部クラッド層83の上部にはn側電極84が形成されており、下部クラッド層81、活性層82および上部クラッド層83の側面を絶縁層85が覆っている。
(Light emitting diode 80)
The
下部クラッド層81は、例えばAlx11Ga1−x11As(0≦x11≦1)により構成されている。活性層82は、例えばAlx12Ga1−x12As(0≦x12≦1)により構成され、n側電極84と対向する領域に発光領域82Aを有している。上部クラッド層83は、例えばAlx13Ga1−x13As(0≦x13≦1)により構成されている。絶縁層85は例えばSiNやSiO2などからなる。n側電極84は例えばAuGe,NiおよびAuをこの順に積層した構造を有しており、上部クラッド層83と電気的に接続されている。 The lower cladding layer 81 is made of, for example, Al x11 Ga 1-x11 As (0 ≦ x11 ≦ 1). The active layer 82 is made of, for example, Al x12 Ga 1-x12 As (0 ≦ x12 ≦ 1), and has a light emitting region 82 </ b> A in a region facing the n-side electrode 84. The upper cladding layer 83 is made of, for example, Al x13 Ga 1-x13 As (0 ≦ x13 ≦ 1). The insulating layer 85 is made of, for example, SiN or SiO2. The n-side electrode 84 has a structure in which, for example, AuGe, Ni, and Au are stacked in this order, and is electrically connected to the upper cladding layer 83.
このような構成を有する半導体発光装置4は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、n型傾斜基板11上に、n型バッファ層12、光検出層14、p型コンタクト層15、下部クラッド層81、活性層82および上部クラッド層83をこの順に積層する。
The semiconductor light emitting device 4 having such a configuration can be manufactured, for example, as follows. First, the n-
次に、上部クラッド層83の表面のうち所定の領域にマスク(図示せず)を形成したのち、例えばドライエッチング法により上部クラッド層83から下部クラッド層81までを選択的に除去して台形状のメサを形成し、その後、マスクを除去する。 Next, after forming a mask (not shown) in a predetermined region of the surface of the upper cladding layer 83, the upper cladding layer 83 to the lower cladding layer 81 are selectively removed by, for example, a dry etching method to form a trapezoidal shape. The mesa is formed, and then the mask is removed.
次に、例えば蒸着法により上部クラッド層83の上部の表面にn側電極84を形成し、同様にして、p型コンタクト層15のうち露出している表面にp側共通電極16を、n型傾斜基板11の裏面に発光ダイオード80と対向する部分に開口を有するn側電極18をそれぞれ形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光装置4が製造される。
Next, the n-side electrode 84 is formed on the upper surface of the upper clad layer 83 by, for example, vapor deposition, and the p-side
この半導体発光装置4では、p側共通電極16とn側電極84との間に所定の電圧が印加されると、電流が活性層82の利得領域である発光領域82Aに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じ、n側電極18側から外部に出力される。この光には主に自然放出によって生じた光が含まれているが、ごくわずかに誘導放出によって生じた光も含まれている。
In this semiconductor light emitting device 4, when a predetermined voltage is applied between the p-side
ところで、本実施の形態では、発光ダイオード80がn型傾斜基板11上に結晶成長することにより形成されているので、上記の実施の形態と同様、発光ダイオード80内の光には、基本波光(活性層82のバンドギャップのエネルギーに対応する波長の光)だけでなく、基本波光の1/2倍の波長のSHG光も含まれている。このSHG光は、基本波光の強度のほぼ二乗に比例した強度で発生するので、基本波光のうち強度の大きな誘導放出光によって主に発生し、強度の小さな自然放出光によって発生することはほとんどない。従って、SHG光は発光ダイオード80内で発生する基本波光にわずかに含まれる誘導放出光によって主に発生する。
By the way, in the present embodiment, since the
ここで、本実施の形態の光検出層14は、活性層82のバンドギャップよりも大きく活性層82のバンドギャップの2倍以下のバンドギャップを有する半導体により構成されているので、発光ダイオード80内の光のうち基本波光は吸収されず、SHG光が吸収され光電流に変換される。つまり、発光ダイオード80内で発生する基本波光に主に含まれる自然放出光は光検出層14によって吸収されない。この光電流はp側共通電極16およびn側電極18に電気的に接続されたワイヤ(図示せず)を介して光出力モニタ信号として光出力演算回路に出力される。これにより、n側電極18側から外部に射出される発光光の出力レベルが計測される。
Here, the
以上のことから、本実施の形態の半導体発光装置4では、発光ダイオード80をn型傾斜基板11上に結晶成長することにより形成すると共に、光検出層14を、活性層82のバンドギャップよりも大きく活性層82のバンドギャップの2倍以下のバンドギャップを有する半導体により構成するようにしたので、SHG光を光検出層14で検出することができる。これにより、n側電極18側に向かう発光光は光検出層14を通過する際にほとんど吸収されないので、光検出層14において損失をほとんど発生させることなくn側電極18側から外部に射出される発光光の出力レベルを計測することができる。
From the above, in the semiconductor light emitting device 4 of the present embodiment, the
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。 While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施の形態では、半導体材料をGaAs系化合物半導体により構成した場合について説明したが、他の材料系、例えば、AlGaAs、GaInPなどの赤色系材料や、GaInNなどの青色系材料などにより構成することも可能である。 For example, in the above embodiment, the case where the semiconductor material is composed of a GaAs-based compound semiconductor has been described. However, the material is composed of another material system, for example, a red-based material such as AlGaAs or GaInP, or a blue-based material such as GaInN. It is also possible to do.
また、上記第1の実施の形態では、半導体光検出器10を面発光型半導体レーザ20の裏面側に設けていたが、レーザ光を外部に出力する側に設けてもよい。この場合に、上記第1の実施の形態と同様、光検出層を共振器の内部または外部に設けることが可能である。また、上記第2の実施の形態では、半導体光検出器10を発光ダイオード30の光射出側に設けていたが、発光ダイオード30の裏面側に設けてもよい。
In the first embodiment, the
また、上記実施の形態では、共通基板としてn型傾斜基板11を用いた場合について説明したが、本発明は、共通基板としてp型傾斜基板を用いた場合にも適用可能である。ただし、その場合には、上記実施の形態等で説明した導電型をp型からn型に、n型からp型に置き換えればよい。また、半導体基板は傾斜基板である必要はなく、SHG光や、3次以上の高調波光を発生させることの可能な半導体層をエピタキシャルに積層することの可能なものであればよく、例えば、結晶成長が理想的となっていない、平らな結晶面(100)を有する半導体基板であってもよい。
In the above embodiment, the case where the n-type
また、上記実施の形態では、光検出層14がSHG光を吸収可能に構成されていたが、半導体発光装置がn次(nは3以上の整数)の高調波光を発生させることが可能なように構成されている場合には、光検出層は第n次の高調波光を吸収可能に構成されていることが必要となる。具体的には、光検出層が活性層のバンドギャップよりも大きく活性層のバンドギャップのn倍以下のバンドギャップを有する半導体、すなわち、発振波長λ0に相当するエネルギーよりも大きく発振波長λ0に相当するエネルギーのn倍以下のバンドギャップを有する半導体により構成されていればよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施の形態では、半導体光検出器10と面発光型半導体レーザ20または発光ダイオード30とで共通に利用可能なp側共通電極16を設けていたが、半導体光検出器10と面発光型半導体レーザ20または発光ダイオード30とにそれぞれ個別に電圧を印加するp側電極を設けるようにしてもよい。
In the above embodiment, the p-side
1〜4…半導体発光装置、10,30,50,70…半導体光検出器、11…n型傾斜基板、12…n型バッファ層、13,26…n型DBR層、14…光検出層、15…p型コンタクト層、16…p側共通電極、17,28,84…n側電極、18…n型半導体層、19…位相整合層、20,40,60…面発光型半導体レーザ、21…p型DBR層、22,22D…電流狭窄層、22A…電流狭窄領域、22B…電流注入領域、23,81…下部クラッド層、24,82…活性層、24A,82A…発光領域、25,83…上部クラッド層、27…n型コンタクト層、80…発光ダイオード、85…絶縁層、L1…基本波光、L2…SHG光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-4 ... Semiconductor light-emitting device, 10, 30, 50, 70 ... Semiconductor photodetector, 11 ... N-type inclination board | substrate, 12 ... N-type buffer layer, 13, 26 ... N-type DBR layer, 14 ... Photo detection layer, 15 ... p-type contact layer, 16 ... p-side common electrode, 17, 28, 84 ... n-side electrode, 18 ... n-type semiconductor layer, 19 ... phase matching layer, 20, 40, 60 ... surface emitting semiconductor laser, 21 ... p-type DBR layer, 22, 22D ... current confinement layer, 22A ... current confinement region, 22B ... current injection region, 23, 81 ... lower cladding layer, 24, 82 ... active layer, 24A, 82A ... light emission region, 25, 83: upper cladding layer, 27: n-type contact layer, 80: light emitting diode, 85: insulating layer, L1: fundamental light, L2: SHG light.
Claims (7)
前記基本波光の波長に相当するエネルギーより大きく、前記基本波光の波長に相当するエネルギーの2倍以下のバンドギャップを有する光検出層と
を備える
半導体発光装置。 The first-conductivity-type first semiconductor layer, the active layer, and the second-conductivity-type second semiconductor layer are included in this order , and the fundamental wave light and SHG (Second Harmonic Generation) a laminated structure that emits light including light, and
Greater than energy corresponding to the wavelength of the fundamental light, a semiconductor light emitting device Ru and an optical detection layer having a band gap of 2 times the energy corresponding to the wavelength of the fundamental light.
前記光検出層は、前記第1半導体層と前記第3半導体層との間に配置されると共に、前記第1半導体層、第2半導体層および第3半導体層のいずれの層よりも低い濃度の不純物がドープされた半導体により構成されている
請求項1に記載の半導体発光装置。 A third semiconductor layer of a second conductivity type provided on the opposite side of the active layer with respect to the first semiconductor layer;
The photodetection layer is disposed between the first semiconductor layer and the third semiconductor layer and has a lower concentration than any of the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer. the semiconductor light emitting device according to claim 1 impurity has been configured by the doped semiconductor.
請求項2に記載の半導体発光装置。 The photodetection layer is doped with a semiconductor in which neither impurity of the first conductivity type nor the second conductivity type is doped at all, or a small amount of impurities that can convert the absorbed light into a photocurrent. and that the semiconductor light-emitting device according to claim 2 that is composed of a semiconductor.
請求項1に記載の半導体発光装置。 Wherein the first semiconductor layer and the second semiconductor layer semiconductor light emitting device according to claim 1 that make up the pair of multilayer-film reflective mirror.
請求項1に記載の半導体発光装置。 It said first semiconductor layer and the light detection layer semiconductor light emitting device according to claim 1 that make up the multilayer reflector.
請求項5に記載の半導体発光装置。 Wherein the first semiconductor layer and the light detection layer semiconductor light emitting device according to claim 5 that have a periodic structure corresponding to the wavelength of light output from the active layer.
請求項1に記載の半導体発光装置。 The light between the detection layer and the active layer, a semiconductor light emitting device according to claim 1, Ru a phase matching layer for matching the respective phase of the fundamental wave light and SHG light.
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