半導体発光素子および光結合装置
【課題】放出光のピーク波長範囲の外側の発光スペクトル強度が低減された半導体発光装置およびそれを用いた光結合装置を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、発光層と、第１の層と、第２の層と、分布ブラッグ反射層と、を有する。発光層は、第１の面および第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能である。第１の層は、前記発光層の前記第１の面の側に設けられ、第１導電形を有し、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する。第２の層は、前記発光層の前記第２の面の側に設けられ、第２導電形を有する。分布ブラッグ反射層は、前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能である。また、第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有する。
【解決手段】半導体発光素子は、発光層と、第１の層と、第２の層と、分布ブラッグ反射層と、を有する。発光層は、第１の面および第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能である。第１の層は、前記発光層の前記第１の面の側に設けられ、第１導電形を有し、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する。第２の層は、前記発光層の前記第２の面の側に設けられ、第２導電形を有する。分布ブラッグ反射層は、前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能である。また、第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子および光結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器のリモコンや入出力を電気的に絶縁して信号を伝送する光結合装置には、０．７４〜１μｍの波長範囲の近赤外光が広く用いられる。
【０００３】
発光素子として近赤外光を放出可能なＬＥＤ（Light Emitting Diode)を用い、かつ受光素子としてＳｉフォトダイオードを用いると、近赤外光を感度良く検出することができる。
【０００４】
発光素子に対する所望の波長範囲の外側において、発光スペクトル強度は低いことが好ましい。例えば、７４０〜８３０ｎｍを所望の波長範囲とする場合、発光素子が８７０ｎｍ近傍の励起光を放出し、受光素子の深い領域に生じたキャリアが拡散される。このため、受光素子は、パルス信号の立ち下がりにおいて裾引き現象などを生じ、光結合装置においてパルス幅歪みや信号遅延などの特性低下を生じる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７００７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、放出光のピーク波長範囲の外側の発光スペクトル強度が低減された半導体発光装置およびそれを用いた光結合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体発光素子は、発光層と、第１の層と、第２の層と、分布ブラッグ反射層と、を有する。前記発光層は、第１の面および前記第１の面の反対の側に設けられた第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能である。前記第１の層は、前記発光層の前記第１の面の側に設けられ、第１導電形を有し、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する。前記第２の層は、前記発光層の前記第２の面の側に設けられ、第２導電形を有する。前記分布ブラッグ反射層は、前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、第３の層と、前記第３の層の屈折率よりも高い屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能である。また、前記第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式平面図、図１（ｂ）は部分拡大模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフ図、図２（ｂ）は第１の実施形態の変形例の発光スペクトルを示すグラフ図、である。
【図３】ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）のＡｌ組成比に対するバンドギャップ波長の依存性を表すグラフ図である。
【図４】波長に対する比視感度の依存性を示すグラフ図である。
【図５】ＤＢＲ層のバンドギャップ波長の範囲を示すグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の駆動電流波形およびその放出光が変換された電流波形を示すグラフ図、図６（ｂ）はその変形例の駆動電流波形およびその放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、である。
【図７】図７（ａ）は比較例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図、図７（ｂ）は受光素子による出力電流波形を示すグラフ図、である。
【図８】図８（ａ）は受光素子において生じる拡散キャリアを説明する模式図、図８（ｂ）および（ｄ）は８３０ｎｍよりも長い光成分による作用を説明する模式図、図８（ｄ）および（ｅ）は８３０ｎｍ以下の光成分による作用を説明する模式図、である。
【図９】Ｓｉフォトダイオードの相対分光感度を示すグラフ図である。
【図１０】図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図１０（ｂ）はその駆動電流波形および放出光が変換された出力電流波形を表すグラフ図、である。
【図１１】図１１（ａ）は本実施形態にかかる光結合装置の模式断面図、図１１（ｂ）は端子の接続を示す模式図、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（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式平面図、図１（ｂ）は領域Ｄの部分拡大模式断面図、である。
半導体発光素子１０は、発光層２６と、第１の層３２と、第２の層２４と、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）層２３と、を有する。
【００１０】
発光層２６は、第１の面２６ａおよび第１の面２６ａの反対の側の第２の面２６ｂを有し、７４０ｎｍ以上かつ８３０ｎｍ以下の波長範囲のピーク波長を有する放出光を放出可能である。第１の層３２は、発光層２６の第１の面２６ａの側に設けられ、光取り出し面３２ｃを含み、第１導電形を有する。第２の層２４は、発光層２６の第２の面２６ｂの側に設けられ、第２導電形を有する。ＤＢＲ層２３は、発光層２６とは反対となる第２の層２４の側に設けられ、第２導電形を有する。また、ＤＢＲ層２３は、第３の層２２ａと、第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも高い屈折率ｎ２を有する第４の層２２ｂと、の１ペア２２が交互に積層され、光取り出し面３２ｃに向けて放出光を反射可能である。
【００１１】
図１（ａ）では、半導体発光素子１０は、光取り出し面３２ｃの上方に設けられた電流ブロック層３８と、電流ブロック層３８の上方に設けられた第１の電極４０と、ＤＢＲ層２３の下方に設けられた基板５０と、基板５０の裏面に設けられた第２の電極５２と、をさらに有している。
【００１２】
第１の電極４０は、パッド部４０ａおよび細線部４０ｂを有していてもよい。この場合、パッド部４０ａと、第１の層３２と、の間に電流ブロック層３８を設けると、パッド部４０ａの下方領域へのキャリアＪの注入を低減し、パッド部４０ａの下方領域での発光を抑制でき、光取り出し効率を高めることができる。
【００１３】
また、第１の層３２は、細線電極４０ｂの側に設けられた電流拡散層３２ａと、発光層２６の側に設けられたクラッド層３２ｂと、を有してもよい。第１の電極４０ａと電流拡散層３２ａとの間に電流ブロック層３８を設けた場合、キャリアＪは、細線電極４０ｂから電流拡散層３２ａへ注入され、発光層２６へ流れ込む。すなわち、細線電極４０ｂの下方の発光層２６の領域Ｅの近傍が発光領域Ｅとなる。
【００１４】
発光層２６、第１の層３２、第２の層２４、およびＤＢＲ層２３は、Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表されるＩｎＡｌＧａＰ系材料、またはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるＡｌＧａＡｓ系材料、などを含むことができる。なお、これらの材料が、アクセプタやドナーとなる元素を含んでいてもよい。
【００１５】
第１の実施形態にかかる半導体発光素子５は、光結合装置や光センサなどに用いる近赤外光を発光するものとする。のちに説明するように、その波長範囲は７４０以上かつ８３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１６】
第１の実施形態では、次に示す材料が用いられるものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。基板５０はＧａＡｓからなる。第１の層３２は、ＡｌＧａＡｓ系材料またはＩｎＡｌＧａＰ系材料などからなる。発光層２６はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）またはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）などからなる。第２の層２４は、ＡｌＧａＡｓ系材料またはＩｎＡｌＧａＰ系材料からなる。ＤＢＲ層２３の第３の層２２ａはＩｎｘＡｌ１−ｘＰ（０≦ｘ≦１）系材料、ＤＢＲ層２３の第４の層２２ｂはＡｌＧａＡｓ系材料、からそれぞれなる。
【００１７】
また、発光層２６をＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とし、ＭＱＷの組成と構造とを変化することにより、ピーク波長λｐを、７４０以上かつ８３０ｎｍ以下の波長範囲に制御することが容易となる。なお、ピーク波長λｐとは、広がりを有する発光スペクトルにおいて、スペクトル強度が最大となる波長を表すものとする。
【００１８】
発光層２６から下方へ向かって放出される放出光Ｇ１が第４の層２２ｂと第３の層２２ａとの１ペア２２を通過する場合、その光路長がピーク波長λｐの２分の１となるようにすると、光の干渉により反射光Ｇ２を強めることができる。また、第３の層２２ａと第４の層２２ｂとのペア数を増やすのに応じて、反射光が強め合い反射率をさらに高めることができる。この場合、ＤＢＲ層２３の反射率を最大とする波長と、放出光のピーク波長λｐと、を実質的に同一とすると放出光を効率よく光取り出し面３２ｃから外部に取り出すことができる。なお、ペア数ｑは、例えば１０〜３０の範囲で適正に選ぶとよい。
【００１９】
また、第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂを、それぞれの媒質内波長の４分の１とすると、簡素な構造で高い反射率を得ることが容易となる。この場合、第４の層２２ｂの厚さＭは、式（１）のように、第４の層（屈折率：ｎ２）２２ｂ内の媒質内波長の４分の１とすればよい。
【００２０】
Ｍ＝（λ１／ｎ２）／４ 式（１）
但し、λ１：放出光の自由空間波長
【００２１】
また、第３の層２２ａの厚さＮは、式（２）のように、第３の層（屈折率：ｎ１）すればよい。
【００２２】
Ｎ＝（λ１／ｎ１）／４ 式（２）
【００２３】
ＤＢＲ層２３による反射光Ｇ２と、発光層２６から上方に向かって放出される光Ｇ３と、は光取り出し面３２ｃから放出光Ｇ４として外部に取り出される。
【００２４】
図２（ａ）第１の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図２（ｂ）はその変形例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、である。
図２（ａ）の第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなり、式（２）の厚さＮを有する第３の層２２ａと、Ａｌ０．１４４Ｇａ０．８５６Ａｓからなり、式（１）の厚さＭを有する第４の層２２ｂと、を１０ペア有する。また、放出光のピーク波長λｐは、約７７６ｎｍであるものとする。このようにすると、第４の層２２ｂの屈折率ｎ２を第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも、高くすることができ、ＤＢＲ層２３の反射率を高めることができる。
【００２５】
Ａｌ０．１４４Ｇａ０．８５６Ａｓである第４の層２２ｂは、７４０〜８３０ｎｍの波長範囲において直接遷移であり、そのバンドギャップ波長λｇ４は約７７５ｎｍである。すなわち、Ａｌ組成比ｘを０．１４４以上とすると、バンドギャップ波長λｇ４は７７５ｎｍ以下とすることができる。このため、第４の層２２ｂが、ピーク波長λｐが７７６ｎｍである放出光よりも長い波長を有する光を放出することが抑制できる。また、放出光の発光スペクトルのうち、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４よりも短波長側に広がった光成分を第４の層２２ｂにより吸収し、外部へ放出することを抑制することができる。
【００２６】
なお、バンドギャップ波長λｇａｐは、式（３）で表すことができる。
【００２７】
λｇａｐ（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ（ｅＶ） 式（３）
但し、Ｅｇ：バンドギャップエネルギー
【００２８】
また、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐである第３の層２２ａは、間接遷移であり、放出光が抑制される。なお、バンドギャップ波長は、約５２８ｎｍである。
【００２９】
図２（ｂ）の変形例にかかる半導体発光素子は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなり、式（２）の厚さＮを有する第３の層２２ａと、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、式（１）の厚さＭを有する第４の層２２ｂと、を２０ペア有する。ピーク波長λｐは、約７７６ｎｍである。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓである第４の層２２ｂは、７４０〜８３０ｎｍの波長範囲において直接遷移であり、そのバンドギャップ波長λｇ４は、約７４０ｎｍであり、放出光の発光スペクトルのうち、７４０ｎｍ以上の光成分の吸収は抑制される。他方、バンドギャップ波長λｇ４を７４０ｎｍ以上とすることにより、バンドギャップ波長λｇ４よりも短い光成分は、第４の層２２ｂにより吸収され、外部に向かう放射強度を低減することができる。この場合にも、第４の層２２ｂの屈折率ｎ２を第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも、高くすることができ、ＤＢＲ層２３の反射率を高めることができる。
【００３０】
図３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）のＡｌ組成比に対するバンドギャップ波長の依存性を表すグラフ図である。
Ａｌ組成比ｘがゼロの場合、バンドギャップ波長λｇａｐは約８７０ｎｍであり、Ａｌ組成比ｘが増加するに従いバンドギャップ波長λｇａｐが低下する。第１の実施形態では、ピーク波長λｐの範囲を７４０ｎｍ以上かつ８３０ｎｍ以下とする。このため、第４の層２２ｂをＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とする場合、Ａｌ組成比ｘは、０．０５６よりも大きくかつ０．２以下の範囲内とする。
【００３１】
また、第３の層２２ａのバンドギャップ波長λｇ３および第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４は、放出光のピーク波長λｐ以下とする。このようにすると、第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂが発光層２６からの放出光を吸収しない。なお、屈折率は、例えば、Ａｌ組成比ｘが０．０３において３．６１、Ａｌ組成比が０．３５において３．４７などとなる。
【００３２】
さらに、第１の実施形態において、例えば、第３の層２２ａをＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとすると、バンドギャップ波長λｇ３は約６８０ｎｍ、屈折率ｎ１は約３．４７とすることができる。また、第４の層２２ｂをＡｌ０．０６Ｇａ０．９５Ａｓとすると、バンドギャップ波長λｇ４は約８２７ｎｍ、屈折率ｎ２は約３．６３とすることができる。すなわち、Ａｌ組成比ｘの異なる直接遷移型のＡｌＧａＡｓ層を２つ組み合わせてもよい。
【００３３】
図４は、波長に対する比視感度の依存性を示すグラフ図である。
比視感度は、波長が６８０ｎｍよりも短くなるに従い増加し、波長が５５５ｎｍ近傍で最大値となる。比視感度が高い６８０ｎｍ以下の波長成分を有する光は、その発光強度がピーク波長における発光強度の１０分の１程度であっても人間の目では視認可能である。すなわち、６８０ｎｍ以下の波長を有する可視光の発光強度は十分に低減することが好ましい。
【００３４】
第１の実施形態において、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇａｐを７４０ｎｍ以上とすると、バンドギャップ波長λｇａｐ以下の光成分を吸収することができる。
【００３５】
図５は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子において、第３の層および第４の層のバンドギャップ波長の範囲を示すグラフ図である。
第３の層２２ａのバンドギャップ波長λｇ３および第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４は、放出光のピーク波長λｐよりも短くする。なお、ピーク波長λｐは、発光層２６のＭＱＷ構造によって変化することができる。
【００３６】
さらに、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長を７４０ｎｍ以上とすることにより、比視感度が高い光成分を吸収し、半導体発光素子１０の外部への漏れを低減することが容易となる。例えば、ピーク波長λｐの下限である７４０ｎｍ以下の波長範囲において、比視感度が高くなる約６８０ｎｍ以下の波長の発光強度をピーク波長λｐにおける発光強度よりも十分に低減可能である。
【００３７】
また、例えば、第１の層３２に、バンドギャップ波長λｇａｐがピーク波長λｐマイナス２０ｎｍよりも短く、比視感度が高い波長範囲よりも長い層３２ｄ（図１（ａ））を設けると、比視感度が高い可視光を外部に放出することをさらに抑制できるので好ましい。また、第３の層２２ａのバンドギャップ波長を７４０ｎｍ以上とすることも可能である。
【００３８】
図６（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の駆動電流波形と、その放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、図６（ｂ）は第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の駆動電流波形と、その放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、である。
横軸は時間、縦軸は電流の相対値、である。半導体発光素子は、入力電流により駆動され、光パルスを放出する。光パルスは、Ｓｉフォトダイオードなどで受光され、電流に変換される。キャリアの再結合による発光、光励起によるキャリアの発生には、図６のように時間遅れを生じる。第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、図２（ａ）に示すように７４０〜８３０ｎｍの波長範囲の外側において、発光強度が十分に抑制されている。
【００３９】
また、第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子は、図２（ｂ）に示すように７４０〜８３０ｎｍの波長範囲の外側において、発光強度が十分の抑制されている。いずれの場合においても、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分は少ない。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる要素は少ない。
【００４０】
図７（ａ）は比較例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図、図７（ｂ）は受光素子による出力電流波形、である。
比較例にかかる半導体発光素子のＤＢＲ層は、ＧａＡｓを含んでいる。ＧａＡｓのバンドギャップ波長は略８７０ｎｍであるので、７４０〜８３０ｎｍの放出光を吸収したＧａＡｓが励起され、８７０ｎｍ近傍の波長の光が放出される。または、発光層をオーバーフローしたキャリアが、ＧａＡｓ内で再結合して８７０ｎｍ近傍の波長において発光を生じる場合もある。
【００４１】
これら８７０ｎｍ近傍の光成分は、図７（ａ）のように、発光強度がピーク値の１０分の１よりも小さいが、広がったスペクトルを有する。広がった発光スペクトルを有する放出光を半導体受光素子を用いて電流に変換すると、図７（ｂ）のように、立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分が大きくなる。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる。
【００４２】
図８（ａ）は受光素子において生じる拡散キャリアを説明する模式図、図８（ｂ）および（ｃ）は８３０ｎｍよりも長い波長成分による作用を説明する模式図、図８（ｄ）および（ｅ）は８３０ｎｍ以下の波長成分による作用を説明する模式図、である。
半導体受光素子１２は、Ｓｉフォトダイオードとするがこれに限定されるものではない。入射光のうち、波長が長い光成分は、波長の短い光成分よりも、表面から深い領域まで到達する。このため、８３０ｎｍよりも長い波長の光成分は、例えば空乏層１２ａの深さよりも深い領域１２ｂまで入射することが容易である。
【００４３】
深い領域１２ｂで発生したキャリア６２は、走行時間が長いので、図８（ｃ）のように出力電流波形の立ち下がり時間において尾引き現象を生じる。このように空乏層１２ａよりも深い領域１２ｂに生じたキャリア６２により、図７（ｂ）のように、立ち下がり時間における変動が大きい電流波形となる。他方、８３０ｎｍよりも短い波長の光成分は、空乏層１２ａに電子−ホールペアを生じる。空乏層１２ａ内で発生したキャリア６０は、逆バイアス電圧により反対の方向にドリフトして電流を生じる。この場合、走行時間は短いので、尾引き現象による影響を小さくできる。
【００４４】
図９は、Ｓｉフォトダイオードの相対分光感度を示すグラフ図である。
縦軸は相対感度、横軸は波長（ｎｍ）である。Ｓｉフォトダイオードの分光感度は、９６０ｎｍ近傍に最大値を有する。しかしながら、入射光の波長を短くする方が深い領域にキャリアを生じることを抑制できる。このため、第１の実施形態では、半導体発光素子のピーク波長は、８３０ｎｍ以下とすることが好ましい。ＧｅやＩｎＧａＡｓなどからなるフォトダイオードを用いてもよいが、分光感度の最大値となる波長はＳｉよりも高い波長となる。本実施形態の発光素子と、Ｓｉフォトダイオードと、を組み合わせると、感度が高く誤動作が少ないリモコンが構成できる。
【００４５】
次に、第２の実施形態にかかる半導体発光素子について説明する。第２の実施形態では、ＤＢＲ層２３の第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂは、間接遷移領域からなる。図３に表したように、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）は、０≦ｘ＜０．４５の範囲において直接遷移、０．４５≦ｘ≦１の範囲において間接遷移となる。例えば、第４の層２２ｂは、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓとし間接遷移とする。また、第３の層２２ａはＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなる間接遷移領域からなるものとする。間接遷移領域の場合、伝導帯の底と、価電子帯の頂上とが、運動量ｋがゼロとなる位置では一致していない。このため、放出遷移の確率が小さくなり、ピーク波長λｐよりも長い波長範囲において放出光により励起されて生じる発光が抑制される。
【００４６】
図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図１０（ｂ）はその放出光が変換された電流波形を表すグラフ図、である。
図１０（ａ）のように、ピーク波長範囲の外側の発光強度は十分に抑制されている。また、図１０（ｂ）のように、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分は少ない。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる要素は少ない。
【００４７】
図１１（ａ）は本実施形態にかかる光結合装置の模式断面図、図１１（ｂ）は端子の接続を示す模式図、である。
図１１（ａ）のように、光結合装置は、本実施形態の半導体発光素子１０と、半導体受光素子１２と、入力リード７０、出力リード７２と、支持体７４と、を有している。半導体発光素子１０は、入力リード７０と接続されている。半導体受光素子１２は、出力リード７２と接続されている。半導体発光素子１０の光取り出し面３２ｃは、半導体受光素子１２の受光面１２ｃと、対向している。
【００４８】
支持体７４は、樹脂などからなり、入力リード７０および出力リード７２を支持し、内部に半導体発光素子１０および半導体受光素子１２を収納可能である。放出光Ｇ４の光路に透光性樹脂層７５を設け、その周囲を近赤外光を遮光可能な樹脂からなる支持体７４とすると、外部への近赤外光の不要な放射を抑制し、外部からの近赤外光による誤動作を抑制できる。
【００４９】
また、第１および第２の実施形態にかかる半導体発光素子は、ピーク波長以上の波長範囲における発光強度を十分低減することができる。このため、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などのノイズ成分を低減し、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下を抑制することができる。
【００５０】
また、本実施形態にかかる半導体発光素子１０は、７４０ｎｍ以下の光成分を低減することが容易である。このため、支持体４の外部へ比視感度が高い可視光Ｇｖが漏れることを抑制でき、光結合装置の視認性を改善できる。
【００５１】
半導体発光素子１０は入力リード７０に接着され、その第１電極が接続される第１端子Ｔ１と、半導体発光素子１０の第２電極が接続される第２端子Ｔ２と、を含む。また半導体受光素子１２は出力リード７２に接着され、その第１電極が接続される第１端子Ｔ３と、受光素子の第２電極が接続される第２端子Ｔ４と、を含む。このようにして、端子Ｔ１およびＴ２を有する入力リード７０と、端子Ｔ３およびＴ４を有する出力リード７２と、を電気的に絶縁して信号伝送を行うことができる。このような光結合装置は、産業機器、通信機器、測定機器、家電製品、などを含む電子機器に広く用いることができる。
【００５２】
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】
【００５３】
１０ 半導体発光素子、１２ 半導体受光素子、２２ 分布ブラッグ反射層（１ペア）、２２ａ 第３の層、２２ｂ 第４の層、２３ 分布ブラッグ反射層、２４ 第２の層、２６ 発光層、 ３２ 第１の層、３２ｃ 光取り出し面、７０ 入力リード、７２ 出力リード、７４ 支持体、λｐ ピーク波長、λｇａｐ、λｇ３、λｇ４ バンドギャップ波長
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子および光結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器のリモコンや入出力を電気的に絶縁して信号を伝送する光結合装置には、０．７４〜１μｍの波長範囲の近赤外光が広く用いられる。
【０００３】
発光素子として近赤外光を放出可能なＬＥＤ（Light Emitting Diode)を用い、かつ受光素子としてＳｉフォトダイオードを用いると、近赤外光を感度良く検出することができる。
【０００４】
発光素子に対する所望の波長範囲の外側において、発光スペクトル強度は低いことが好ましい。例えば、７４０〜８３０ｎｍを所望の波長範囲とする場合、発光素子が８７０ｎｍ近傍の励起光を放出し、受光素子の深い領域に生じたキャリアが拡散される。このため、受光素子は、パルス信号の立ち下がりにおいて裾引き現象などを生じ、光結合装置においてパルス幅歪みや信号遅延などの特性低下を生じる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２７００７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、放出光のピーク波長範囲の外側の発光スペクトル強度が低減された半導体発光装置およびそれを用いた光結合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体発光素子は、発光層と、第１の層と、第２の層と、分布ブラッグ反射層と、を有する。前記発光層は、第１の面および前記第１の面の反対の側に設けられた第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能である。前記第１の層は、前記発光層の前記第１の面の側に設けられ、第１導電形を有し、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する。前記第２の層は、前記発光層の前記第２の面の側に設けられ、第２導電形を有する。前記分布ブラッグ反射層は、前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、第３の層と、前記第３の層の屈折率よりも高い屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能である。また、前記第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式平面図、図１（ｂ）は部分拡大模式断面図、である。
【図２】図２（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフ図、図２（ｂ）は第１の実施形態の変形例の発光スペクトルを示すグラフ図、である。
【図３】ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）のＡｌ組成比に対するバンドギャップ波長の依存性を表すグラフ図である。
【図４】波長に対する比視感度の依存性を示すグラフ図である。
【図５】ＤＢＲ層のバンドギャップ波長の範囲を示すグラフ図である。
【図６】図６（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の駆動電流波形およびその放出光が変換された電流波形を示すグラフ図、図６（ｂ）はその変形例の駆動電流波形およびその放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、である。
【図７】図７（ａ）は比較例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図、図７（ｂ）は受光素子による出力電流波形を示すグラフ図、である。
【図８】図８（ａ）は受光素子において生じる拡散キャリアを説明する模式図、図８（ｂ）および（ｄ）は８３０ｎｍよりも長い光成分による作用を説明する模式図、図８（ｄ）および（ｅ）は８３０ｎｍ以下の光成分による作用を説明する模式図、である。
【図９】Ｓｉフォトダイオードの相対分光感度を示すグラフ図である。
【図１０】図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図１０（ｂ）はその駆動電流波形および放出光が変換された出力電流波形を表すグラフ図、である。
【図１１】図１１（ａ）は本実施形態にかかる光結合装置の模式断面図、図１１（ｂ）は端子の接続を示す模式図、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（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光装置の模式平面図、図１（ｂ）は領域Ｄの部分拡大模式断面図、である。
半導体発光素子１０は、発光層２６と、第１の層３２と、第２の層２４と、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）層２３と、を有する。
【００１０】
発光層２６は、第１の面２６ａおよび第１の面２６ａの反対の側の第２の面２６ｂを有し、７４０ｎｍ以上かつ８３０ｎｍ以下の波長範囲のピーク波長を有する放出光を放出可能である。第１の層３２は、発光層２６の第１の面２６ａの側に設けられ、光取り出し面３２ｃを含み、第１導電形を有する。第２の層２４は、発光層２６の第２の面２６ｂの側に設けられ、第２導電形を有する。ＤＢＲ層２３は、発光層２６とは反対となる第２の層２４の側に設けられ、第２導電形を有する。また、ＤＢＲ層２３は、第３の層２２ａと、第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも高い屈折率ｎ２を有する第４の層２２ｂと、の１ペア２２が交互に積層され、光取り出し面３２ｃに向けて放出光を反射可能である。
【００１１】
図１（ａ）では、半導体発光素子１０は、光取り出し面３２ｃの上方に設けられた電流ブロック層３８と、電流ブロック層３８の上方に設けられた第１の電極４０と、ＤＢＲ層２３の下方に設けられた基板５０と、基板５０の裏面に設けられた第２の電極５２と、をさらに有している。
【００１２】
第１の電極４０は、パッド部４０ａおよび細線部４０ｂを有していてもよい。この場合、パッド部４０ａと、第１の層３２と、の間に電流ブロック層３８を設けると、パッド部４０ａの下方領域へのキャリアＪの注入を低減し、パッド部４０ａの下方領域での発光を抑制でき、光取り出し効率を高めることができる。
【００１３】
また、第１の層３２は、細線電極４０ｂの側に設けられた電流拡散層３２ａと、発光層２６の側に設けられたクラッド層３２ｂと、を有してもよい。第１の電極４０ａと電流拡散層３２ａとの間に電流ブロック層３８を設けた場合、キャリアＪは、細線電極４０ｂから電流拡散層３２ａへ注入され、発光層２６へ流れ込む。すなわち、細線電極４０ｂの下方の発光層２６の領域Ｅの近傍が発光領域Ｅとなる。
【００１４】
発光層２６、第１の層３２、第２の層２４、およびＤＢＲ層２３は、Ｉｎｘ（ＡｌｙＧａ１−ｙ）１−ｘＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表されるＩｎＡｌＧａＰ系材料、またはＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなるＡｌＧａＡｓ系材料、などを含むことができる。なお、これらの材料が、アクセプタやドナーとなる元素を含んでいてもよい。
【００１５】
第１の実施形態にかかる半導体発光素子５は、光結合装置や光センサなどに用いる近赤外光を発光するものとする。のちに説明するように、その波長範囲は７４０以上かつ８３０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００１６】
第１の実施形態では、次に示す材料が用いられるものとするが、本発明はこれに限定されるものではない。基板５０はＧａＡｓからなる。第１の層３２は、ＡｌＧａＡｓ系材料またはＩｎＡｌＧａＰ系材料などからなる。発光層２６はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）またはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）などからなる。第２の層２４は、ＡｌＧａＡｓ系材料またはＩｎＡｌＧａＰ系材料からなる。ＤＢＲ層２３の第３の層２２ａはＩｎｘＡｌ１−ｘＰ（０≦ｘ≦１）系材料、ＤＢＲ層２３の第４の層２２ｂはＡｌＧａＡｓ系材料、からそれぞれなる。
【００１７】
また、発光層２６をＭＱＷ（Multi Quantum Well)構造とし、ＭＱＷの組成と構造とを変化することにより、ピーク波長λｐを、７４０以上かつ８３０ｎｍ以下の波長範囲に制御することが容易となる。なお、ピーク波長λｐとは、広がりを有する発光スペクトルにおいて、スペクトル強度が最大となる波長を表すものとする。
【００１８】
発光層２６から下方へ向かって放出される放出光Ｇ１が第４の層２２ｂと第３の層２２ａとの１ペア２２を通過する場合、その光路長がピーク波長λｐの２分の１となるようにすると、光の干渉により反射光Ｇ２を強めることができる。また、第３の層２２ａと第４の層２２ｂとのペア数を増やすのに応じて、反射光が強め合い反射率をさらに高めることができる。この場合、ＤＢＲ層２３の反射率を最大とする波長と、放出光のピーク波長λｐと、を実質的に同一とすると放出光を効率よく光取り出し面３２ｃから外部に取り出すことができる。なお、ペア数ｑは、例えば１０〜３０の範囲で適正に選ぶとよい。
【００１９】
また、第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂを、それぞれの媒質内波長の４分の１とすると、簡素な構造で高い反射率を得ることが容易となる。この場合、第４の層２２ｂの厚さＭは、式（１）のように、第４の層（屈折率：ｎ２）２２ｂ内の媒質内波長の４分の１とすればよい。
【００２０】
Ｍ＝（λ１／ｎ２）／４ 式（１）
但し、λ１：放出光の自由空間波長
【００２１】
また、第３の層２２ａの厚さＮは、式（２）のように、第３の層（屈折率：ｎ１）すればよい。
【００２２】
Ｎ＝（λ１／ｎ１）／４ 式（２）
【００２３】
ＤＢＲ層２３による反射光Ｇ２と、発光層２６から上方に向かって放出される光Ｇ３と、は光取り出し面３２ｃから放出光Ｇ４として外部に取り出される。
【００２４】
図２（ａ）第１の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図２（ｂ）はその変形例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、である。
図２（ａ）の第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなり、式（２）の厚さＮを有する第３の層２２ａと、Ａｌ０．１４４Ｇａ０．８５６Ａｓからなり、式（１）の厚さＭを有する第４の層２２ｂと、を１０ペア有する。また、放出光のピーク波長λｐは、約７７６ｎｍであるものとする。このようにすると、第４の層２２ｂの屈折率ｎ２を第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも、高くすることができ、ＤＢＲ層２３の反射率を高めることができる。
【００２５】
Ａｌ０．１４４Ｇａ０．８５６Ａｓである第４の層２２ｂは、７４０〜８３０ｎｍの波長範囲において直接遷移であり、そのバンドギャップ波長λｇ４は約７７５ｎｍである。すなわち、Ａｌ組成比ｘを０．１４４以上とすると、バンドギャップ波長λｇ４は７７５ｎｍ以下とすることができる。このため、第４の層２２ｂが、ピーク波長λｐが７７６ｎｍである放出光よりも長い波長を有する光を放出することが抑制できる。また、放出光の発光スペクトルのうち、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４よりも短波長側に広がった光成分を第４の層２２ｂにより吸収し、外部へ放出することを抑制することができる。
【００２６】
なお、バンドギャップ波長λｇａｐは、式（３）で表すことができる。
【００２７】
λｇａｐ（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ（ｅＶ） 式（３）
但し、Ｅｇ：バンドギャップエネルギー
【００２８】
また、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐである第３の層２２ａは、間接遷移であり、放出光が抑制される。なお、バンドギャップ波長は、約５２８ｎｍである。
【００２９】
図２（ｂ）の変形例にかかる半導体発光素子は、Ｉｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなり、式（２）の厚さＮを有する第３の層２２ａと、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、式（１）の厚さＭを有する第４の層２２ｂと、を２０ペア有する。ピーク波長λｐは、約７７６ｎｍである。Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓである第４の層２２ｂは、７４０〜８３０ｎｍの波長範囲において直接遷移であり、そのバンドギャップ波長λｇ４は、約７４０ｎｍであり、放出光の発光スペクトルのうち、７４０ｎｍ以上の光成分の吸収は抑制される。他方、バンドギャップ波長λｇ４を７４０ｎｍ以上とすることにより、バンドギャップ波長λｇ４よりも短い光成分は、第４の層２２ｂにより吸収され、外部に向かう放射強度を低減することができる。この場合にも、第４の層２２ｂの屈折率ｎ２を第３の層２２ａの屈折率ｎ１よりも、高くすることができ、ＤＢＲ層２３の反射率を高めることができる。
【００３０】
図３は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜０．４５）のＡｌ組成比に対するバンドギャップ波長の依存性を表すグラフ図である。
Ａｌ組成比ｘがゼロの場合、バンドギャップ波長λｇａｐは約８７０ｎｍであり、Ａｌ組成比ｘが増加するに従いバンドギャップ波長λｇａｐが低下する。第１の実施形態では、ピーク波長λｐの範囲を７４０ｎｍ以上かつ８３０ｎｍ以下とする。このため、第４の層２２ｂをＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とする場合、Ａｌ組成比ｘは、０．０５６よりも大きくかつ０．２以下の範囲内とする。
【００３１】
また、第３の層２２ａのバンドギャップ波長λｇ３および第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４は、放出光のピーク波長λｐ以下とする。このようにすると、第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂが発光層２６からの放出光を吸収しない。なお、屈折率は、例えば、Ａｌ組成比ｘが０．０３において３．６１、Ａｌ組成比が０．３５において３．４７などとなる。
【００３２】
さらに、第１の実施形態において、例えば、第３の層２２ａをＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとすると、バンドギャップ波長λｇ３は約６８０ｎｍ、屈折率ｎ１は約３．４７とすることができる。また、第４の層２２ｂをＡｌ０．０６Ｇａ０．９５Ａｓとすると、バンドギャップ波長λｇ４は約８２７ｎｍ、屈折率ｎ２は約３．６３とすることができる。すなわち、Ａｌ組成比ｘの異なる直接遷移型のＡｌＧａＡｓ層を２つ組み合わせてもよい。
【００３３】
図４は、波長に対する比視感度の依存性を示すグラフ図である。
比視感度は、波長が６８０ｎｍよりも短くなるに従い増加し、波長が５５５ｎｍ近傍で最大値となる。比視感度が高い６８０ｎｍ以下の波長成分を有する光は、その発光強度がピーク波長における発光強度の１０分の１程度であっても人間の目では視認可能である。すなわち、６８０ｎｍ以下の波長を有する可視光の発光強度は十分に低減することが好ましい。
【００３４】
第１の実施形態において、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇａｐを７４０ｎｍ以上とすると、バンドギャップ波長λｇａｐ以下の光成分を吸収することができる。
【００３５】
図５は、第１の実施形態にかかる半導体発光素子において、第３の層および第４の層のバンドギャップ波長の範囲を示すグラフ図である。
第３の層２２ａのバンドギャップ波長λｇ３および第４の層２２ｂのバンドギャップ波長λｇ４は、放出光のピーク波長λｐよりも短くする。なお、ピーク波長λｐは、発光層２６のＭＱＷ構造によって変化することができる。
【００３６】
さらに、第４の層２２ｂのバンドギャップ波長を７４０ｎｍ以上とすることにより、比視感度が高い光成分を吸収し、半導体発光素子１０の外部への漏れを低減することが容易となる。例えば、ピーク波長λｐの下限である７４０ｎｍ以下の波長範囲において、比視感度が高くなる約６８０ｎｍ以下の波長の発光強度をピーク波長λｐにおける発光強度よりも十分に低減可能である。
【００３７】
また、例えば、第１の層３２に、バンドギャップ波長λｇａｐがピーク波長λｐマイナス２０ｎｍよりも短く、比視感度が高い波長範囲よりも長い層３２ｄ（図１（ａ））を設けると、比視感度が高い可視光を外部に放出することをさらに抑制できるので好ましい。また、第３の層２２ａのバンドギャップ波長を７４０ｎｍ以上とすることも可能である。
【００３８】
図６（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光素子の駆動電流波形と、その放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、図６（ｂ）は第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子の駆動電流波形と、その放出光が変換された出力電流波形を示すグラフ図、である。
横軸は時間、縦軸は電流の相対値、である。半導体発光素子は、入力電流により駆動され、光パルスを放出する。光パルスは、Ｓｉフォトダイオードなどで受光され、電流に変換される。キャリアの再結合による発光、光励起によるキャリアの発生には、図６のように時間遅れを生じる。第１の実施形態にかかる半導体発光素子は、図２（ａ）に示すように７４０〜８３０ｎｍの波長範囲の外側において、発光強度が十分に抑制されている。
【００３９】
また、第１の実施形態の変形例にかかる半導体発光素子は、図２（ｂ）に示すように７４０〜８３０ｎｍの波長範囲の外側において、発光強度が十分の抑制されている。いずれの場合においても、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分は少ない。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる要素は少ない。
【００４０】
図７（ａ）は比較例にかかる半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図、図７（ｂ）は受光素子による出力電流波形、である。
比較例にかかる半導体発光素子のＤＢＲ層は、ＧａＡｓを含んでいる。ＧａＡｓのバンドギャップ波長は略８７０ｎｍであるので、７４０〜８３０ｎｍの放出光を吸収したＧａＡｓが励起され、８７０ｎｍ近傍の波長の光が放出される。または、発光層をオーバーフローしたキャリアが、ＧａＡｓ内で再結合して８７０ｎｍ近傍の波長において発光を生じる場合もある。
【００４１】
これら８７０ｎｍ近傍の光成分は、図７（ａ）のように、発光強度がピーク値の１０分の１よりも小さいが、広がったスペクトルを有する。広がった発光スペクトルを有する放出光を半導体受光素子を用いて電流に変換すると、図７（ｂ）のように、立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分が大きくなる。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる。
【００４２】
図８（ａ）は受光素子において生じる拡散キャリアを説明する模式図、図８（ｂ）および（ｃ）は８３０ｎｍよりも長い波長成分による作用を説明する模式図、図８（ｄ）および（ｅ）は８３０ｎｍ以下の波長成分による作用を説明する模式図、である。
半導体受光素子１２は、Ｓｉフォトダイオードとするがこれに限定されるものではない。入射光のうち、波長が長い光成分は、波長の短い光成分よりも、表面から深い領域まで到達する。このため、８３０ｎｍよりも長い波長の光成分は、例えば空乏層１２ａの深さよりも深い領域１２ｂまで入射することが容易である。
【００４３】
深い領域１２ｂで発生したキャリア６２は、走行時間が長いので、図８（ｃ）のように出力電流波形の立ち下がり時間において尾引き現象を生じる。このように空乏層１２ａよりも深い領域１２ｂに生じたキャリア６２により、図７（ｂ）のように、立ち下がり時間における変動が大きい電流波形となる。他方、８３０ｎｍよりも短い波長の光成分は、空乏層１２ａに電子−ホールペアを生じる。空乏層１２ａ内で発生したキャリア６０は、逆バイアス電圧により反対の方向にドリフトして電流を生じる。この場合、走行時間は短いので、尾引き現象による影響を小さくできる。
【００４４】
図９は、Ｓｉフォトダイオードの相対分光感度を示すグラフ図である。
縦軸は相対感度、横軸は波長（ｎｍ）である。Ｓｉフォトダイオードの分光感度は、９６０ｎｍ近傍に最大値を有する。しかしながら、入射光の波長を短くする方が深い領域にキャリアを生じることを抑制できる。このため、第１の実施形態では、半導体発光素子のピーク波長は、８３０ｎｍ以下とすることが好ましい。ＧｅやＩｎＧａＡｓなどからなるフォトダイオードを用いてもよいが、分光感度の最大値となる波長はＳｉよりも高い波長となる。本実施形態の発光素子と、Ｓｉフォトダイオードと、を組み合わせると、感度が高く誤動作が少ないリモコンが構成できる。
【００４５】
次に、第２の実施形態にかかる半導体発光素子について説明する。第２の実施形態では、ＤＢＲ層２３の第３の層２２ａおよび第４の層２２ｂは、間接遷移領域からなる。図３に表したように、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）は、０≦ｘ＜０．４５の範囲において直接遷移、０．４５≦ｘ≦１の範囲において間接遷移となる。例えば、第４の層２２ｂは、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓとし間接遷移とする。また、第３の層２２ａはＩｎ０．５Ａｌ０．５Ｐからなる間接遷移領域からなるものとする。間接遷移領域の場合、伝導帯の底と、価電子帯の頂上とが、運動量ｋがゼロとなる位置では一致していない。このため、放出遷移の確率が小さくなり、ピーク波長λｐよりも長い波長範囲において放出光により励起されて生じる発光が抑制される。
【００４６】
図１０（ａ）は第２の実施形態にかかる半導体発光素子の発光スペクトルのグラフ図、図１０（ｂ）はその放出光が変換された電流波形を表すグラフ図、である。
図１０（ａ）のように、ピーク波長範囲の外側の発光強度は十分に抑制されている。また、図１０（ｂ）のように、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などノイズ成分は少ない。このため、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下させる要素は少ない。
【００４７】
図１１（ａ）は本実施形態にかかる光結合装置の模式断面図、図１１（ｂ）は端子の接続を示す模式図、である。
図１１（ａ）のように、光結合装置は、本実施形態の半導体発光素子１０と、半導体受光素子１２と、入力リード７０、出力リード７２と、支持体７４と、を有している。半導体発光素子１０は、入力リード７０と接続されている。半導体受光素子１２は、出力リード７２と接続されている。半導体発光素子１０の光取り出し面３２ｃは、半導体受光素子１２の受光面１２ｃと、対向している。
【００４８】
支持体７４は、樹脂などからなり、入力リード７０および出力リード７２を支持し、内部に半導体発光素子１０および半導体受光素子１２を収納可能である。放出光Ｇ４の光路に透光性樹脂層７５を設け、その周囲を近赤外光を遮光可能な樹脂からなる支持体７４とすると、外部への近赤外光の不要な放射を抑制し、外部からの近赤外光による誤動作を抑制できる。
【００４９】
また、第１および第２の実施形態にかかる半導体発光素子は、ピーク波長以上の波長範囲における発光強度を十分低減することができる。このため、光ー電気変換のパルス立ち下がり時間における電流波形の変動などのノイズ成分を低減し、パルス幅歪や信号遅延などの信号伝送特性を低下を抑制することができる。
【００５０】
また、本実施形態にかかる半導体発光素子１０は、７４０ｎｍ以下の光成分を低減することが容易である。このため、支持体４の外部へ比視感度が高い可視光Ｇｖが漏れることを抑制でき、光結合装置の視認性を改善できる。
【００５１】
半導体発光素子１０は入力リード７０に接着され、その第１電極が接続される第１端子Ｔ１と、半導体発光素子１０の第２電極が接続される第２端子Ｔ２と、を含む。また半導体受光素子１２は出力リード７２に接着され、その第１電極が接続される第１端子Ｔ３と、受光素子の第２電極が接続される第２端子Ｔ４と、を含む。このようにして、端子Ｔ１およびＴ２を有する入力リード７０と、端子Ｔ３およびＴ４を有する出力リード７２と、を電気的に絶縁して信号伝送を行うことができる。このような光結合装置は、産業機器、通信機器、測定機器、家電製品、などを含む電子機器に広く用いることができる。
【００５２】
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】
【００５３】
１０ 半導体発光素子、１２ 半導体受光素子、２２ 分布ブラッグ反射層（１ペア）、２２ａ 第３の層、２２ｂ 第４の層、２３ 分布ブラッグ反射層、２４ 第２の層、２６ 発光層、 ３２ 第１の層、３２ｃ 光取り出し面、７０ 入力リード、７２ 出力リード、７４ 支持体、λｐ ピーク波長、λｇａｐ、λｇ３、λｇ４ バンドギャップ波長
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面および前記第１の面の反対の側に設けられた第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能な発光層と、
前記発光層の前記第１の面の側に設けられた第１導電形の第１の層であって、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する第１の層と、
前記発光層の前記第２の面の側に設けられた第２導電形の第２の層と、
前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、第３の層と、前記第３の層の屈折率よりも高い屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能な分布ブラッグ反射層と、
を備え、
前記第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第３の層は、間接遷移であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第４の層は、間接遷移であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第４の層の前記バンドギャップ波長は、７４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの前記放出光を受光し電気信号に変換可能な半導体受光素子と、
前記半導体発光素子と接続された入力リードと、
前記受光素子と接続され、前記入力リードとは電気的に絶縁された出力リードと、
前記入力リードおよび前記出力リードを支持し、前記半導体発光素子と前記半導体受光素子を内部に収納可能な支持体と、
を備えたことを特徴とする光結合装置。
【請求項１】
第１の面および前記第１の面の反対の側に設けられた第２の面を有し、７４０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の波長範囲にピーク波長を有する放出光を放出可能な発光層と、
前記発光層の前記第１の面の側に設けられた第１導電形の第１の層であって、前記発光層の反対の側に設けられた光取り出し面を有する第１の層と、
前記発光層の前記第２の面の側に設けられた第２導電形の第２の層と、
前記第２の層の前記発光層とは反対の側に設けられ、第２導電形を有する分布ブラッグ反射層であって、第３の層と、前記第３の層の屈折率よりも高い屈折率を有する第４の層と、が交互に積層され、前記光取り出し面に向けて前記放出光を反射可能な分布ブラッグ反射層と、
を備え、
前記第３および第４の層は、前記ピーク波長よりも短いバンドギャップ波長をそれぞれ有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第３の層は、間接遷移であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第４の層は、間接遷移であることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第４の層の前記バンドギャップ波長は、７４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子と、
前記半導体発光素子からの前記放出光を受光し電気信号に変換可能な半導体受光素子と、
前記半導体発光素子と接続された入力リードと、
前記受光素子と接続され、前記入力リードとは電気的に絶縁された出力リードと、
前記入力リードおよび前記出力リードを支持し、前記半導体発光素子と前記半導体受光素子を内部に収納可能な支持体と、
を備えたことを特徴とする光結合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図６】
【図７】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９９２９３（Ｐ２０１２−１９９２９３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０９３９（Ｐ２０１１−６０９３９）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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