JP2002100799A

JP2002100799A - 半導体受光素子、半導体発光受光装置、およびその作製方法

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Publication number: JP2002100799A
Application number: JP2000289653A
Authority: JP
Inventors: Yukio Furukawa; 幸生古川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】応答速度、受光感度に優れ、アレイ化、および
他のデバイスとの集積化が容易で、汎用性の高い半導体
受光素子の実現である。【解決手段】半導体受光素子は、基板11上に、絶縁層2
3、光吸収層15、一対の対向電極17がこの順に積層され
ている。絶縁層17はAlを含んだ半導体層が酸化された構
造からなり、光吸収層15が基板11側に対して電気的に絶
縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光インタ
ーコネクションなどに用いられる半導体受光素子、およ
び発光素子/受光素子をモノリシックに集積化した半導
体発光受光装置、その作製方法等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】LSIの分野においては、電気配線による
信号遅延、伝送距離の制限、配線間の電磁干渉等が問題
になっており、構造の更なる高集積化、大容量伝送化に
は限界がある。一方、光インターコネクションは、信号
伝送の高速性、並列性、配線間の電磁干渉フリーといっ
た利点を有しており、上記問題を解決する有望な技術と
して注目されている。さらに、光インターコネクション
に用いられる発光素子、受光素子を同一基板上に集積化
することにより、実装コストの低減、小型化が期待でき
るため、モノリシック集積化の検討が進められている。
また、Si-IC基板やSi-ICが搭載された基板と光素子とを
集積化することで、レーザ駆動の高速化や小型パッケー
ジ化が期待でき、そのような検討も進められている。

【０００３】モノリシック集積化に適した素子として
は、発光素子では、面型LEDや面発光レーザなどがあ
り、受光素子では、pin型PD(Photodiode)やMSM(metal-S
emiconductor-Metal)型PDが挙げられる。特に受光素子
に関しては、素子の寄生容量の低化が可能で高速応答に
適しているという観点から、MSM型PDが注目されてい
る。

【０００４】一般に、MSM型PDは、半絶縁性基板上に光
吸収層を成膜し、さらに、対向くし形電極を設けて構成
される。対向くし形電極間に電界を発生させた状態で光
を照射することで、光によって発生したキャリアを電流
として取り出すものである。

【０００５】発光デバイスとMSM型PDを一体化したモノ
リシック発光受光素子として、例えば、特開平08-28854
0号公報に開示されたものがある。これは、図10に示す
ように、光吸収層1034と、ミラー層1040、1042や活性層
1037を積層した構造を有する。その受光領域において
は、エッチングにより光吸収層を露出させ、その上に対
向くし形電極1032を形成することで、MSM型PDが構成さ
れており、発光領域においては、電流注入構造を形成す
ることで面発光レーザが構成されている。尚、図10にお
いて、1031はｎ電極、1033はMSM型PD、1035はｎ電極、1
036は半絶縁性基板、1038はイオン注入領域、1039はInG
aP層、1041はp電極、1043は駆動・受信回路、1044は面
発光レーザである。

【０００６】また、Si-ICと光素子の集積化について
は、例えば、特開平9-223848号公報に開示されている。
これは、図11に示すように、半導体基板(図中不図示)上
に受光素子2100Aおよび面発光レーザ2100Bのための半導
体層2100を積層成長し、これらをSi-ICや電気配線の形
成されたSi基板2200にポリイミド2300を用いて接着し、
その後、上記半導体基板を除去して面発光レーザおよび
受光素子を形成したものである。尚、図11において、21
00Aは受光素子、2100Bは面発光素子、2100Cは受光素子
の配線、2100Dは発光素子2100Aの配線、2200Aは集積回
路基板2200の金属配線、2400は配線である。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、従
来のMSM型PDには次のような問題点がある。 (1)基板内もしくは光吸収層の深い所で発生したキャリ
アが遅れて電極に到達するため、応答速度が低下してし
まう。 (2)基板と光吸収層の屈折率差が小さいため、裏面から
の反射が少なく、量子効率(受光感度)が小さい。量子効
率を上げるためには光吸収層を厚膜化すればよいが、そ
の場合、上記(1)により応答速度がさらに低下すること
になる。

【０００８】また、従来の発光受光素子においては次の
ような問題点がある。 (3)MSM型PDのための吸収層は絶縁層上に形成する必要が
あり、成長のための元基板は半絶縁性基板に限定されて
しまう。そのため、同時に集積化したデバイスのための
電極を基板側に設けることができず、電極形成のための
特別な工夫が必要になり、作業が複雑化する。 (4)発光素子のための半導体層と受光素子のための半導
体層を別々に形成しているため、成長時間がかかってし
まい、作業効率が悪い。

【０００９】また、Si-ICとの集積化においては次のよ
うな問題点がある。 (5)接着にポリイミドを用いているため放熱性が悪い。 (6)接着、基板除去を施してから光素子の加工をしてい
るため、Si-ICにダメージを与えてしまう可能性があ
る。そのため、光素子の加工プロセスが制限される。

【００１０】このような課題に鑑み、本発明の目的は、
応答速度、受光感度に優れ、アレイ化、および他のデバ
イスとの集積化が容易で、汎用性の高い半導体受光素
子、その作製方法を提供することにある。また、発光素
子の活性層と受光素子の光吸収層を共通化させることで
作業効率を向上させた半導体発光受光装置、その作製方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決する手段および作用】上記目的を達成する
ための本発明の半導体受光素子は、基板上に、絶縁層、
光吸収層、一対の対向電極がこの順に積層されており
（典型的には、MSM(Metal-Semiconductor-Metal)構造を
有する）、該絶縁層はAlを含んだ半導体層が酸化された
構造からなり、光吸収層が基板側に対して電気的に絶縁
されていることを特徴としている。

【００１２】一般に、Alを含有する半導体層を熱酸化す
る場合、Al組成比が大きいほど酸化速度が早いという性
質がある。これを用いれば、半導体層中にAlAs層を挿入
しておけば、他の層をほとんど酸化することなく、AlAs
層のみを酸化できる。この層は、酸化によりAl_xO_yに変
化し、電気的には絶縁体となるとともに、屈折率が2.9
から1.6程度に大きく低下する。本明細書では、Alを含
んだ酸化のための層をAl酸化層とも表現する。

【００１３】こうして、基板で発生したキャリアのブロ
ックによる応答速度の向上、裏面からの反射による量子
効率の向上ができる。成長に用いる半導体基板は、半絶
縁性、p型、n型いずれでもよく、同時に集積化するデバ
イスに最適な基板を選ぶことができるので、汎用性を増
すことができる。さらには、対向電極の上部に反射防止
膜を設けることで、効果的に光を光吸収層側に透過させ
ることができ、受光効率（受光感度）を増すことができ
る。さらに、光吸収層を所定の反射率の半導体多層膜ミ
ラーおよび反射膜で挟んだ共振器構造とすることで、受
光効率を増すことができるとともに、受光感度に波長選
択性を持たせることができる。また、受光部を複数個集
積化する場合、各受光部の光吸収層が独立した絶縁層上
に配置されるため、各素子間の電気的干渉を小さくでき
る。

【００１４】具体例で説明すると、以下のようになる。
図1、2を用いて説明する。図1(a)は、本発明による半導
体受光素子の上面図であり、図1(b)は断面図である。図
2は作製工程を示す図である。

【００１５】GaAs基板11上に、Al酸化層としてAlAs層1
3、i-GaAs光吸収層15を順次積層した半導体基板上に、
対向くし形電極17を成膜する。さらにその上に、SiN_xか
らなる反射防止膜19を形成する。この反射防止膜19はエ
ッチングおよび酸化の際の保護膜を兼ねている。次い
で、フォトレジストからなるエッチングマスク21を形成
し、反射防止膜19をエッチングし、さらに、側面にAl酸
化層13が露出するまで半導体層をエッチングする。そし
て、水蒸気雰囲気中で加熱することで、Al酸化層13の全
面を酸化して、絶縁層23を形成し、最後に、エッチング
マスク21を除去する。このような構成とすることで、光
吸収層15を絶縁層23の上に配置することができる。その
結果、基板11側で発生したキャリアを絶縁層23でブロッ
クできるため、応答速度を向上させられる。

【００１６】さらに、絶縁層23と光吸収層15の屈折率差
による裏面からの反射を大きくできるので、量子効率の
向上ができる。また、成長に用いる基板11はp型半導
体、n型半導体、半絶縁性半導体のいずれであってもよ
く、その他のデバイスと集積化する場合に、他のデバイ
スに最適な基板を選ぶことができ、汎用性が増す。

【００１７】また、例えば、面発光レーザのような発光
素子と集積化する場合、発光素子の活性層と受光素子の
光吸収層を共通化できるので、成長工程を簡略化でき
て、成長時間の短縮が可能となる。

【００１８】さらに、受光部を複数個集積化する場合、
各受光部の光吸収層が独立した絶縁層上に配置されるた
め、各素子間の電気的干渉を小さくすることが可能とな
る。

【００１９】上記の基本構成に基づいて、より具体的に
は以下の様な形態を採りうる。半導体多層膜ミラー層
が、絶縁層に対して光吸収層の反対側に設けられてもよ
い。これにより、より感度および波長選択性を向上させ
た半導体受光素子を実現できる。

【００２０】対向電極の上部に所定の反射率を有する反
射膜ないし反射防止膜が設けられてもよい。これによ
り、より感度を向上させた半導体受光素子を実現でき
る。

【００２１】絶縁層、光吸収層、対向電極を含む受光部
が複数組形成された受光素子群を形成してもよい。これ
により、受光部を複数個有する半導体受光素子を実現で
きる。

【００２２】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置は、基板上に、Alを含んだ半導体
層、光吸収層、コンタクト層がこの順に積層されてお
り、受光領域においては、コンタクト層の一部もしくは
全部が除去されており、除去により露出した光吸収層上
に一対の対向電極が形成されており、かつ該Alを含んだ
半導体層が酸化されて形成された絶縁層を有しており、
発光領域においては、該光吸収層が活性層として機能し
ており、該コンタクト層上に電極が形成されており、該
光吸収層に電流を注入することが可能な面発光LED構造
を有していることを特徴とする。これにより、発光素子
の活性層と受光素子の光吸収層を共通にできるので成長
工程を簡略化でき、成長時間の短縮が可能となる。成長
に用いる半導体基板は、半絶縁性、p型、n型いずれでも
よく、面発光LEDに最適な基板を選ぶことができるの
で、汎用性を増すことができる。さらに、第1の半導体
多層膜ミラー層をAlを含んだ半導体層に対して光吸収層
の反対側に設けることで、発光素子の発光効率と、受光
素子の量子効率（受光効率、受光感度）の向上を図るこ
とができる。受光素子の電極側に所定の反射率の反射膜
を設けてもよい。さらに、発光素子において、Alを含ん
だ半導体層の一部を酸化して電流狭窄構造を設けること
で、電流注入効率を増して光出力効率を向上することが
できる。

【００２３】上記構成の半導体発光受光装置において、
第1の基板上に、コンタクト層、光吸収層、Alを含んだ
半導体層がこの順に積層された第1の基体が、電気配線
または電子回路を備えた第2の基板に接着されており、
該第1の基板の一部もしくは全部が除去されており、受
光領域においては、コンタクト層の一部もしくは全部が
除去されており、除去により露出した光吸収層上に対向
電極が形成されており、かつ該Alを含んだ半導体層が酸
化されて形成された絶縁層を有しており、発光領域にお
いては、該光吸収層が活性層として機能しており、該コ
ンタクト層上に電極が形成されており、該光吸収層に電
流を注入することが可能な面発光LED構造を有する様に
もできる。半導体基板を除去することで、より対環境安
全性の高く、放熱性がよく、小型化に優れた半導体発光
受光装置を実現できる。

【００２４】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置は、基板上に、第1の半導体多層膜
ミラー層、Alを含んだ半導体層、光吸収層、第2の半導
体多層膜ミラー層がこの順に積層されており、受光領域
においては、第2の半導体多層膜ミラー層の一部もしく
は全部が除去されており、除去により露出した光吸収層
上に一対の対向電極が形成されており、かつ該Alを含ん
だ半導体層が酸化されて形成された絶縁層を有してお
り、発光領域においては、該光吸収層が活性層として機
能しており、該第2の半導体多層膜ミラー層上に電極が
形成されており、該光吸収層に電流を注入することが可
能な面発光半導体レーザ構造を有していることを特徴と
する。発光素子を面発光レーザ構造にすることで大容量
光インターコネクションに適した半導体発光受光装置を
実現できる。ここでも、発光素子の活性層と受光素子の
光吸収層を共通にできるので成長工程を簡略化でき、成
長時間の短縮が可能となる。成長に用いる半導体基板
は、半絶縁性、p型、n型いずれでもよく、面発光レーザ
に最適な基板を選ぶことができるので、汎用性を増すこ
とができる。さらに、受光素子において、半導体DBRミ
ラーおよび反射膜で挟んだ共振器構造とすることで、量
子効率を増すことができる。さらに、発光素子におい
て、Alを含んだ半導体層の一部を酸化して電流狭窄構造
を設けることで面発光レーザの低しきい値電流化、およ
び低消費電力化を図ることができる。また、レーザ構造
とすることで高速変調が可能となる。

【００２５】この半導体発光受光装置においても、第1
の基板上に、第2の半導体多層膜ミラー層、光吸収層、A
lを含んだ半導体層、第1の半導体多層膜ミラー層がこの
順に積層された第1の基体が、電気配線または電子回路
を備えた第2の基板に接着されており、該第1の基板の一
部もしくは全部が除去されており、受光領域において
は、第2の半導体多層膜ミラー層の一部もしくは全部が
除去されており、除去により露出した光吸収層上に対向
電極が形成されており、かつ該Alを含んだ半導体層が酸
化されて形成された絶縁層を有しており、発光領域にお
いては、該光吸収層が活性層として機能しており、該第
2の半導体多層膜ミラー層上に電極が形成されており、
該光吸収層に電流を注入することが可能な面発光半導体
レーザ構造を有する様にできる。半導体基板を除去する
ことで、より対環境安全性の高く、放熱性がよく、小型
化に優れた半導体発光受光装置を実現できる。

【００２６】これらの半導体発光受光装置でも、発光領
域において、Alを含んだ半導体層の一部が酸化されて形
成された電流狭窄構造を有する様にできる。電流狭窄構
造にすることで発光素子を低消費電力化にできる。

【００２７】受光領域において、一対の対向電極の上部
に所定の反射率を有する反射膜ないし反射防止膜を設け
てもよい。これにより、受光素子の感度を向上させられ
る。

【００２８】上記の半導体発光受光装置でも、絶縁層、
光吸収層、対向電極を含む少なくとも１つの受光部が形
成された受光素子群、および活性層を含む少なくとも１
つの発光部が形成された発光素子群を有する様にでき
る。

【００２９】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体受光素子の作製方法は、基板上に、Alを含んだ半
導体層、光吸収層をこの順に積層成長する工程と、一対
の対向電極を形成する工程と、該Alを含んだ半導体層を
酸化して絶縁層化する工程を含むことを特徴とする。半
導体多層膜ミラー層を、Alを含んだ半導体層に対して光
吸収層の反対側に設ける工程を更に含んでもよい。

【００３０】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置の作製方法は、基板上に、Alを含ん
だ半導体層、光吸収層、コンタクト層をこの順に積層成
長する工程を含み、受光領域を形成する手段として、コ
ンタクト層の一部もしくは全部を除去する工程と、除去
により露出した光吸収層上に一対の対向電極を形成する
工程と、Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁層化する工
程を含み、発光領域を形成する手段として、コンタクト
層上に電極を形成して、ここで活性層として機能する該
光吸収層に電流を注入することが可能な面発光LED構造
を形成する工程を含むことを特徴とする。

【００３１】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置の作製方法は、第1の基板上に、コ
ンタクト層、光吸収層、Alを含んだ半導体層をこの順に
積層成長する工程と、Alを含んだ半導体層側を接着面と
して電気配線または電子回路を備えた第2の基板に接着
する工程と、該第1の基板の一部もしくは全部を除去す
る工程を含み、受光領域を形成する手段として、コンタ
クト層の一部もしくは全部を除去する工程と、除去によ
り露出した光吸収層上に一対の対向電極を形成する工程
と、該Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁層化する工程
を含み、発光領域を形成する手段として、コンタクト層
上に電極を形成して、ここで活性層として機能する該光
吸収層に電流を注入することが可能な面発光LED構造を
形成する工程を含むことを特徴とする。

【００３２】ここでは、受光素子および発光素子に必要
な半導体層を基板上に成長し、それを電気配線または電
子回路を備えた第2の基板に接着し、元の基板の一部も
しくは全部を除去している。そのため、例えば、GaAsと
いった毒性の高い材料の殆どを除去できるので対環境安
全性が向上する。また、Si等の熱伝導性のよい基板にエ
ピ層側を接着することで、放熱性を向上させることがで
きる。また、接着する基板にICを備えておくことで、小
型化、動作の高速化が可能となる。これらのことは、次
の面発光半導体レーザ構造を有する構成の作製方法でも
同様である。

【００３３】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置の作製方法は、基板上に、第1の半
導体多層膜ミラー層、Alを含んだ半導体層、光吸収層、
第2の半導体多層膜ミラー層をこの順に積層成長する工
程を含み、受光領域を形成する手段として、第2の半導
体多層膜ミラー層の一部もしくは全部を除去する工程
と、除去により露出した光吸収層上に一対の対向電極を
形成する工程と、かつ該Alを含んだ半導体層を酸化して
絶縁層化する工程を含み、発光領域を形成する手段とし
て、該第2の半導体多層膜ミラー層上に電極を形成し
て、ここで活性層として機能する該光吸収層に電流を注
入することが可能な面発光半導体レーザ構造を形成する
工程を含むことを特徴とする。

【００３４】また、上記目的を達成するための本発明の
半導体発光受光装置の作製方法は、第1の基板上に、第2
の半導体多層膜ミラー層、光吸収層、Alを含んだ半導体
層、第1の半導体多層膜ミラー層をこの順に積層成長す
る工程と、第1の半導体多層膜ミラー層を接着面として
電気配線または電子回路を備えた第2の基板に接着する
工程と、該第1の基板の一部もしくは全部を除去する工
程を含み、受光領域を形成する手段として、第2の半導
体多層膜ミラー層の一部もしくは全部を除去する工程
と、除去により露出した光吸収層上に一対の対向電極を
形成する工程と、該Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁
層化する工程を含み、発光領域を形成する手段として、
該第2の半導体多層膜ミラー層上に電極を形成して、こ
こで活性層として機能する該光吸収層に電流を注入する
ことが可能な面発光半導体レーザ構造を形成する工程を
含むことを特徴とする。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下に、実施例を用いて本発明の
実施の形態を図面に沿って説明する。

【００３６】（第1の実施例）図1、2を用いて本発明に
よる第1の実施例を説明する。図1(a)は、本実施例によ
る半導体受光素子の上面図であり、図1(b)は断面図であ
る。図2は作製工程を示す図である。

【００３７】図2に沿って作製工程を説明する。半絶縁
性GaAs基板11上に、厚さ0.4μmのAlAsからなる層13、厚
さ1μmのi-GaAs光吸収層15を順次積層した半導体基板上
に、Ti/Auからなる対向くし形電極17を成膜する。この
電極17はライン/スペースを2μm/2μmとし、受光面を10
0μm角とした。さらにその上に、SiN_xからなる反射防止
膜19を形成する。反射防止膜19の厚さは波長840nmの光
に対して反射率が最低になるように設定した(図2(a))。
この反射防止膜19はエッチングおよび酸化の際の保護膜
を兼ねている。

【００３８】さらに、フォトレジストからなるエッチン
グマスク21を形成する(図2(b))。このマスク21の形状は
120μm角の矩形とした。

【００３９】次いで、反射防止膜19をエッチングし、さ
らに側面にAlAs層13が露出するまで半導体層をエッチン
グし(図2(c))、水蒸気雰囲気中で390℃、1時間加熱す
る。このことで、AlAs層13の全面を酸化して、Al酸化絶
縁層23を形成する(図2(d))。

【００４０】最後に、エッチングマスク21を除去してMS
M型受光素子を形成した。図2中には示していないが、受
光素子は250μm間隔で、1×10アレイとしている。

【００４１】本実施例では、絶縁層23が波長840nmの光
に対して反射率が最大になるように、すなわち、光学的
厚さが3/4λになるように、AlAs層13の厚さを設定して
ある。そのため、光吸収層15の裏面からの反射率は約40
％と増大し(仮にAlAs層を酸化しない場合は数％の反射
率しかない。半絶縁性GaAs基板11上にGaAs光吸収層15を
設けた場合は反射率は殆ど0％である)、受光感度を向上
させることができる。

【００４２】さらに、GaAs基板11中で発生したキャリア
は絶縁層23を通過できないので電流として検出されるこ
とはなく、応答速度を向上させることができる。このよ
うに作製したMSM型受光素子を駆動したところ、840nm、
１mWの光に対し、受光感度0.35A/W、立上り時間、立ち
下がり時間ともに１ns以下であった。また、受光素子の
ON/OFFが隣に与える影響は殆ど観測できず、各受光素子
の光吸収層15が絶縁層13上にあることでクロストークが
押さえられている効果が確認できた。

【００４３】本実施例においては、成長の元基板とし
て、半絶縁性基板11を用いたが、これに限ったものでは
なく、n型基板やp型基板であってもよい。

【００４４】また、光吸収層15としてi-GaAs単層膜を用
いたが、これに限ったものではなく、AlGaAs/GaAsから
なる多層膜であってもよい。加えて、本実施例では、Ga
As基板11上にAl酸化層であるAlAs層13を形成するという
構成を示したが、それに限ったものではなく、例えば、
InP基板を用い、Al酸化層であるAlInAs層を用いる構成
としてもよい。この場合は、光吸収層をInGaAsP系の材
料で構成することで、例えば、1.3μmや1.55μmといっ
た長波長帯の受光素子として用いることができる。さら
に、反射防止層19としては、SiO₂などであってもよい。

【００４５】（第2の実施例）図3を用いて本発明による
第2の実施例を説明する。図3は本実施例による半導体受
光素子の断面図である。

【００４６】本実施例では、第1の実施例と異なり、AlA
s層13(後に酸化により絶縁層23となる)と基板11の間
に、AlAs/GaAsからなる半導体多層膜ミラー101を挿入し
た構成となっている。この半導体多層膜ミラー101の反
射率は99％以上になっている。作製方法や動作は、第1
の実施例とほぼ同様であり、詳細は省略する。図3にお
いて、図1と同一の材料には同一の番号を付してある。

【００４７】本実施例においては、第1の実施例におけ
る反射防止層19のかわりに、所定の反射率を有するSiN_x
からなる反射膜119を設けている。この反射膜119は、波
長840nmの光に対して、反射率が30％になるように設定
されている。

【００４８】このような共振型の受光素子においては、
一般に、表面側の反射率R1、裏面側の反射率R2、光吸収
層15の厚さd、吸収係数αとして、R1＝R2・exp(−2αd)
の時に受光感度が最大になることが知られている。本実
施例では、この条件を満たすように設計されている。

【００４９】このように作製したMSM型受光素子を駆動
したところ、840nm、1mWの光に対し、受光感度0.55A/W
となり、第1の実施例に比べ、光吸収層15の両側に反射
ミラーを配置した、いわゆる共振型構造とすることで、
受光感度を増大させることが可能となった。また、立上
り時間、立ち下がり時間については第1の実施例と同等
であった。

【００５０】さらに、共振型にすることで波長選択性を
持たせることができる。本実施例においては、ピーク感
度に対する半値全幅は、約40nmであった。

【００５１】本実施例においては、反射膜119としてSiN
_xを用いたが、これに限ったものではなく、Si0₂や、Si/
Si0₂多層膜ミラーであってもよい。

【００５２】（第3の実施例）図4、5を用いて本発明に
よる受光素子と発光素子（LED）を持つ第3の実施例を説
明する。図4は本実施例による半導体発光受光装置の断
面図、図5は作製工程を示す図である。本実施例におい
ては、発光素子として面型LEDを用いている。

【００５３】図5に沿って作製工程を説明する。p型GaAs
基板211上に、p-AlAs/p-GaAsからなる半導体多層膜ミラ
ー201、厚さ0.21μmのp-AlAsからなるAlAs層213、厚さ
1.2μmのi-GaAs光吸収層215(これは発光素子の活性層を
兼ねる)、n-AlGaAsクラッド層216、n-GaAsコンタクト層
217を順次積層した半導体基板上に、ホトレジストから
なるエッチングマスク219を形成する(図5(a))。エッチ
ングマスクのサイズは、受光素子側（左側）では120μm
角の矩形、発光素子側（右側）では50μmφの円形とし
た。

【００５４】次いで、AlAs層213が露出するまで半導体
層をエッチングする(図5(b))。続いて、AlAs層213を熱
酸化することで絶縁層221を形成する(図5(c))。このと
き、まず、発光素子側を予めレジストでマスクしておい
て受光素子側のみを熱酸化し、その後、発光素子側も熱
酸化することで、受光素子側のAlAs層213は全面酸化、
発光素子側のAlAs層213は一部を残して酸化した構造と
する。これは、発光素子側では活性層215に注入する電
流を狭窄することで発光効率を増大させるためである。
さらに、マスク219を除去し、受光素子側のクラッド層2
16、コンタクト層217も除去する(図5(d))。

【００５５】続いて、受光素子側にTi/Auからなる対向
くし形電極223を成膜し、発光素子側にAuGe/Auからなる
n側電極225を成膜し、裏面側にCr/Auからなるp側電極22
7を成膜する。さらに、コンタクト層217を窓開けしてお
く(図5(e))。n側電極225は直径30μmの窓を設けた構造
となっている。

【００５６】最後に、受光素子側の上面にSiN_xからなる
反射膜229を形成する(図5(f))。AlAs層213の膜厚は、酸
化しない状態で、光学的厚さが波長840nmの光に対して3
/4λとなるように設計した。そのため、酸化後の絶縁層
221の光学的厚さは1/4λの整数倍から若干ずれる。受光
素子における反射においては、若干位相がずれて反射さ
れることになるが、受光素子の動作を損なうものではな
い。反射膜229の膜厚は、波長840nmの光に対して、反射
率が30％になるように設定されている。

【００５７】本実施例による受光素子を動作させたとこ
ろ、第2の実施例に比べ、ピーク波長の位置は若干シフ
トしたが、受光感度や立上り時間、立下り時間には変化
がなかった。発光素子においては、受光素子とは電気的
に独立に発光素子の活性層215に電流を注入することが
でき、さらに基板側に設けてある多層膜ミラー201によ
って上面からの光取り出し効率を増加でき、電流狭窄構
造によって効率よく電流を注入することができた。40mA
の注入電流で、約O.5mWの光出力が得られた。

【００５８】本実施例においては、発光素子の活性層と
受光素子の光吸収層を共通にできるので成長工程を簡略
化でき、成長時間の短縮が可能となった。基板としてp
型基板を用いたが、n型基板を用いてもよいことは言う
までもない。また、半絶縁性基板であってもよい(ただ
し、この場合は、発光素子側の電極を両極とも表側から
取り出す必要がある)。

【００５９】また、本実施例での作製工程として、半導
体層を発光素子、受光素子同時にエッチングする例を示
したが、例えば、まず、受光素子側の半導体層をエッチ
ングしてAl酸化層の全面酸化を行なった後に、発光素子
側の半導体層をエッチングしてAl酸化層の選択酸化を行
なってもよい。

【００６０】（第4の実施例）図6を用いて本発明による
受光素子と発光素子（面発光レーザ）を持つ第4の実施
例を説明する。図6は本実施例による半導体発光受光装
置の断面図である。本実施例においては、発光素子とし
て面発光レーザを用いている。作製方法は、第3の実施
例とほぼ同様であり、詳細は省略する。図6において、
図4と同一の材料には同一の番号を付してある。

【００６１】第3の実施例との違いは、クラッド層216、
コンタクト層217の代わりに、活性層315の上部にn-AlAs
/n-GaAsからなる半導体多層膜ミラー317を付加している
ことである。このため、発光素子を面発光レーザとして
機能させることができる。

【００６２】また、光吸収層315(活性層を兼ねる)は、8
40nmの光において、光学的膜厚が１λになるように設計
した。

【００６３】本実施例による受光素子を動作させたとこ
ろ、第3の実施例に比べ、受光感度に若干の減少が見ら
れた。これは、光吸収層315を変えたためである。立上
り時間、立下り時間には変化がなかった。発光素子にお
いては、受光素子とは電気的に独立に面発光レーザの活
性層315に電流を注入することができ、電流狭窄構造に
よって効率よく電流を活性層315に注入することができ
た。レーザのしきい値電流は13mAであり、20mAの注入電
流で、約1mWの光出力が得られた。

【００６４】本実施例においても、n型基板、あるいは
半絶縁性基板を用いてもよいことは言うまでもない。

【００６５】（第5の実施例）図7、8、9を用いて本発明
による第5の実施例を説明する。図7は本実施例による半
導体発光受光装置の断面図であり、図8、9は作製工程を
説明する図である。

【００６６】本実施例の作製方法を説明する。n型GaAs
基板411上に、n-AlAs/n-GaAsからなる半導体多層膜ミラ
ー412、厚さ1.0μmのi-GaAs光吸収層413(これは発光素
子の活性層を兼ねる)、0.21μmのp-AlAsからなる層41
5、p-AlAs/p-GaAsからなる半導体多層膜ミラー層417を
順次積層した半導体基板上に、ホトレジストからなるエ
ッチングマスク419を形成する(図8(a))。エッチングマ
スクのサイズは、受光素子側（左側）では120μm角の矩
形、発光素子側（右側）では50μmφの円形とした。

【００６７】次いで、AlAs層415が露出するまで半導体
層をエッチングする(図8(b))。続いて、AlAs層415を熱
酸化することで絶縁層421を形成する(図8(c))。このと
き、まず、発光素子側を予めレジストでマスクしておい
て受光素子側のみを熱酸化し、その後、発光素子側も熱
酸化することで、受光素子側のAlAs層415は全面酸化、
発光素子側のAlAs層415は一部を残して酸化した構造と
する。これは、発光素子側では活性層413に注入する電
流を狭窄することで発振しきい値を低下させるためであ
る。

【００６８】さらに、マスク419を除去し、ポリイミド
からなる埋め込み層423で半導体層を埋め込み、平坦化
を行なう(図8(d))。続いて、多層膜ミラー層417の上部
にCr/Auからなる金属膜425を形成する(図8(e))。この金
属膜425は、発光素子のp側電極として用いるとともに、
次に説明する第2の基板との接着のためにも用いられ
る。受光素子側の金属膜425は電極としては機能してい
ない。

【００６９】接着工程を図9を用いて説明する。基板511
上に、Cr/Auからなる金属膜513およびAuSnハンダ515を
成膜する(図9(a))。基板511としては熱導電率の大きいS
i基板を用いており、図9には示していないが、金属膜51
3はSi基板511の別の部分に設けられたドライバICと配線
されている。

【００７０】次いで、図8(e)の基板を、金属膜425側を
下にしてアライメントして配置し、加熱してハンダ515
による接着を行なう。さらに、そのまわりを絶縁性の埋
め込み材517で埋め込む(図9(b))。

【００７１】続いて、基板411を全面にわたって除去す
る(図9(c))。さらに、受光素子側の多層膜ミラー層412
を除去し(図9(d))、対向くし形電極519、反射膜521を形
成する。発光素子側には、直径30μmの窓のあいたn側電
極523を形成する(図9(e))。

【００７２】本実施例において、AlAs層415の熱酸化工
程は、Si基板511と接着する前に行なっているので、Si
基板511上に予め備えつけられていたドライバICにダメ
ージを与えることはない。

【００７３】受光素子の動作については第4の実施例と
同様であり、発光素子については、ドライバICとの一体
化による高速動作が確認できた。また、第4の実施例に
比べ、発光素子の熱飽和電流値を大きくすることがで
き、放熱性向上も確認できた。さらに、パッケージにし
たときの小型化も可能であった。本実施例によれば、Ga
As基板411の殆どを除去できるので、対環境安全性が向
上する。

【００７４】本実施例においても、p型基板、半絶縁性
基板を用いてもよいことは言うまでもない。

【００７５】加えて、第3から5の実施例において、受光
素子を複数個設けた受光素子群、発光素子を複数個設け
た発光素子群を同一基板上に形成してもよい。

【００７６】さらに、基板としても、InP基板を用いて
もよく、その場合、Al酸化層としてAlInAs層を用い、光
吸収層をInGaAsP系の材料で構成することで、例えば、
1.3μmや1.55μmといった長波長帯の発光受光装置とし
て用いることができる。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
応答速度、受光感度を向上させ、アレイ化、および他の
デバイスとの集積化に優れ、汎用性の高い半導体受光素
子を提供することができる。また、発光素子の活性層と
受光素子の光吸収層を共通化させることで作業効率を向
上させた半導体発光受光装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第1の実施例(半導体受光素子)の
平面及び断面を示す図である。

【図２】第1の実施例の作製工程を説明する図である。

【図３】本発明による第2の実施例(半導体受光素子)を
示す断面図である。

【図４】本発明による第3の実施例(半導体発光受光装
置)を示す断面図である。

【図５】第3の実施例の作製工程を説明する図である。

【図６】本発明による第4の実施例(半導体発光受光装
置)を示す断面図である。

【図７】本発明による第5の実施例(半導体発光受光装
置)を示す断面図である。

【図８】第5の実施例の作製工程を説明する図である。

【図９】第5の実施例の更なる作製工程を説明する図で
ある。

【図１０】第1の従来例を示す断面図である。

【図１１】第2の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

11,211,411,511 基板 13,213,415 Al酸化層 15,215,315,413 光吸収層 17,223,519 対向くし形電極 19 反射防止膜 21,219,419 エッチングマスク 23,221,421 絶縁層 101,201,317,412,417 多層膜ミラー 119,229,521 反射膜 216 クラッド層 217 コンタクト層 225,227 電極 423 埋め込み層 425,513 金属膜 515 ハンダ 517 埋め込み材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、絶縁層、光吸収層、一対の対向
電極がこの順に積層されており、該絶縁層はAlを含んだ
半導体層が酸化された構造からなることを特徴とする半
導体受光素子。
【請求項２】MSM(Metal-Semiconductor-Metal)構造を有
していることを特徴とする請求項1に記載の半導体受光
素子。
【請求項３】半導体多層膜ミラー層が、絶縁層に対して
光吸収層の反対側に設けられていることを特徴とする請
求項1または２に記載の半導体受光素子。
【請求項４】対向電極の上部に所定の反射率を有する反
射膜ないし反射防止膜が設けられていることを特徴とす
る請求項1、２または３に記載の半導体受光素子。
【請求項５】絶縁層、光吸収層、対向電極を含む受光部
が複数組形成された受光素子群を形成していることを特
徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の半導体受光素
子。
【請求項６】基板上に、Alを含んだ半導体層、光吸収
層、コンタクト層がこの順に積層されており、受光領域においては、コンタクト層の一部もしくは全部
が除去されており、除去により露出した光吸収層上に一
対の対向電極が形成されており、かつ該Alを含んだ半導
体層が酸化されて形成された絶縁層を有しており、発光領域においては、該光吸収層が活性層として機能し
ており、該コンタクト層上に電極が形成されて、該光吸
収層に電流を注入することが可能な面発光LED構造を有
していることを特徴とする半導体発光受光装置。
【請求項７】第1の半導体多層膜ミラー層が、Alを含ん
だ半導体層に対して光吸収層の反対側に設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光受光装
置。
【請求項８】第1の基板上に、コンタクト層、光吸収
層、Alを含んだ半導体層がこの順に積層された第1の基
体が、電気配線または電子回路を備えた第2の基板に接
着されており、該第1の基板の一部もしくは全部が除去
されており、受光領域においては、コンタクト層の一部もしくは全部
が除去されており、除去により露出した光吸収層上に対
向電極が形成されており、かつ該Alを含んだ半導体層が
酸化されて形成された絶縁層を有しており、発光領域においては、該光吸収層が活性層として機能し
ており、該コンタクト層上に電極が形成されて、該光吸
収層に電流を注入することが可能な面発光LED構造を有
していることを特徴とする請求項６または７に記載の半
導体発光受光装置。
【請求項９】基板上に、第1の半導体多層膜ミラー層、A
lを含んだ半導体層、光吸収層、第2の半導体多層膜ミラ
ー層がこの順に積層されており、受光領域においては、第2の半導体多層膜ミラー層の一
部もしくは全部が除去されており、除去により露出した
光吸収層上に一対の対向電極が形成されており、かつ該
Alを含んだ半導体層が酸化されて形成された絶縁層を有
しており、発光領域においては、該光吸収層が活性層として機能し
ており、該第2の半導体多層膜ミラー層上に電極が形成
されて、該光吸収層に電流を注入することが可能な面発
光半導体レーザ構造を有していることを特徴とする半導
体発光受光装置。
【請求項１０】第1の基板上に、第2の半導体多層膜ミラ
ー層、光吸収層、Alを含んだ半導体層、第1の半導体多
層膜ミラー層がこの順に積層された第1の基体が、電気
配線または電子回路を備えた第2の基板に接着されてお
り、該第1の基板の一部もしくは全部が除去されてお
り、受光領域においては、第2の半導体多層膜ミラー層の一
部もしくは全部が除去されており、除去により露出した
光吸収層上に対向電極が形成されており、かつ該Alを含
んだ半導体層が酸化されて形成された絶縁層を有してお
り、発光領域においては、該光吸収層が活性層として機能し
ており、該第2の半導体多層膜ミラー層上に電極が形成
されて、該光吸収層に電流を注入することが可能な面発
光半導体レーザ構造を有していることを特徴とする請求
項９に記載の半導体発光受光装置。
【請求項１１】発光領域において、Alを含んだ半導体層
の一部が酸化されて形成された電流狭窄構造を有してい
ることを特徴とする請求項６乃至１０の何れかに記載の
半導体発光受光装置。
【請求項１２】受光領域において、一対の対向電極の上
部に所定の反射率を有する反射膜ないし反射防止膜が設
けられていることを特徴とする請求項６乃至１１の何れ
かに記載の半導体発光受光装置。
【請求項１３】絶縁層、光吸収層、対向電極を含む少な
くとも１つの受光部が形成された受光素子群、および活
性層を含む少なくとも１つの発光部が形成された発光素
子群を有していることを特徴とする請求項６乃至１２の
何れかに記載の半導体発光受光装置。
【請求項１４】基板上に、Alを含んだ半導体層、光吸収
層をこの順に積層成長する工程と、一対の対向電極を形
成する工程と、該Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁層
化する工程を含むことを特徴とする半導体受光素子の作
製方法。
【請求項１５】半導体多層膜ミラー層を、Alを含んだ半
導体層に対して光吸収層の反対側に設ける工程を含むこ
とを特徴とする請求項１４に記載の半導体受光素子の作
製方法。
【請求項１６】基板上に、Alを含んだ半導体層、光吸収
層、コンタクト層をこの順に積層成長する工程を含み、受光領域を形成する手段として、コンタクト層の一部も
しくは全部を除去する工程と、除去により露出した光吸
収層上に一対の対向電極を形成する工程と、Alを含んだ
半導体層を酸化して絶縁層化する工程を含み、発光領域を形成する手段として、コンタクト層上に電極
を形成して、ここで活性層として機能する該光吸収層に
電流を注入することが可能な面発光LED構造を形成する
工程を含むことを特徴とする半導体発光受光装置の作製
方法。
【請求項１７】第1の基板上に、コンタクト層、光吸収
層、Alを含んだ半導体層をこの順に積層成長する工程
と、Alを含んだ半導体層側を接着面として電気配線また
は電子回路を備えた第2の基板に接着する工程と、該第1
の基板の一部もしくは全部を除去する工程を含み、受光領域を形成する手段として、コンタクト層の一部も
しくは全部を除去する工程と、除去により露出した光吸
収層上に一対の対向電極を形成する工程と、該Alを含ん
だ半導体層を酸化して絶縁層化する工程を含み、発光領域を形成する手段として、コンタクト層上に電極
を形成して、ここで活性層として機能する該光吸収層に
電流を注入することが可能な面発光LED構造を形成する
工程を含むことを特徴とする半導体発光受光装置の作製
方法。
【請求項１８】基板上に、第1の半導体多層膜ミラー
層、Alを含んだ半導体層、光吸収層、第2の半導体多層
膜ミラー層をこの順に積層成長する工程を含み、受光領域を形成する手段として、第2の半導体多層膜ミ
ラー層の一部もしくは全部を除去する工程と、除去によ
り露出した光吸収層上に一対の対向電極を形成する工程
と、かつ該Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁層化する
工程を含み、発光領域を形成する手段として、該第2の半導体多層膜
ミラー層上に電極を形成して、ここで活性層として機能
する該光吸収層に電流を注入することが可能な面発光半
導体レーザ構造を形成する工程を含むことを特徴とする
半導体発光受光装置の作製方法。
【請求項１９】第1の基板上に、第2の半導体多層膜ミラ
ー層、光吸収層、Alを含んだ半導体層、第1の半導体多
層膜ミラー層をこの順に積層成長する工程と、第1の半
導体多層膜ミラー層を接着面として電気配線または電子
回路を備えた第2の基板に接着する工程と、該第1の基板
の一部もしくは全部を除去する工程を含み、受光領域を形成する手段として、第2の半導体多層膜ミ
ラー層の一部もしくは全部を除去する工程と、除去によ
り露出した光吸収層上に一対の対向電極を形成する工程
と、該Alを含んだ半導体層を酸化して絶縁層化する工程
を含み、発光領域を形成する手段として、該第2の半導体多層膜
ミラー層上に電極を形成して、ここで活性層として機能
する該光吸収層に電流を注入することが可能な面発光半
導体レーザ構造を形成する工程を含むことを特徴とする
半導体発光受光装置の作製方法。
【請求項２０】対向電極の上部に所定の反射率を有する
反射膜ないし反射防止膜を設ける工程を含むことを特徴
とする請求項13乃至18の何れかに記載の半導体受光素子
ないし半導体発光受光装置の作製方法。
【請求項２１】発光領域において、Alを含んだ半導体層
の一部を酸化して電流狭窄構造を形成する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１６乃至２０の何れかに記載の半
導体発光受光装置の作製方法。