JP2004055567A

JP2004055567A - 通信用発光素子

Info

Publication number: JP2004055567A
Application number: JP2002176378A
Authority: JP
Inventors: Masanobu Senda; 千田　昌伸; Mitsuhiro Inoue; 井上　光宏; Jun Ito; 伊藤　潤; Toshimasa Hayashi; 林　稔真; Kazuki Nishijima; 西島　和樹; Naoki Shibata; 柴田　直樹; Toru Kachi; 加地　徹; Satoru Kato; 加藤　覚; Hiroshi Ito; 伊藤　博
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】光通信用のＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光素子の応答速度を向上させること。
【解決手段】ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体を用いた通信用の発光素子において、発光層を井戸層の数を１から５の範囲の任意の数とした量子井戸構造とし、発光層の発光部の面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２とした。これにより、高域遮断周波数が５０ＭＨｚ　以上となり、従来素子の３０ＭＨｚ　に比べて、１．７倍に高域遮断周波数が向上した。また、ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光素子によりプラスチックファイバーの伝送損失の低い波長領域である４５０〜５５０ｎｍの光を発光させることができる。この結果、プラスチックファイバーを用いた簡便なＬＡＮを安価に構築することが可能となる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用のＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体を用いた発光素子に関する。例えば、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた通信システムの光送信器に用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
最近、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた短距離のＬＡＮ通信の光源に発光ダイオードを用いたシステムが知られている。そのシステムでは、光通信用の発光素子として、ＧａＡｓ系の化合物半導体を用いた赤色の発光ダイオードが用いられ、発光ダイオードを用いた短距離通信が盛んに研究開発されている。この赤色の発光ダイオードの高域遮断周波数は３０ＭＨｚ　である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＯＦの伝送損失は、短波長の波長領域、例えば、発光波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの領域で小さいので、ＰＯＦを用いた光通信には、赤色の光を用いるよりは、発光波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの領域の光を発光する発光ダイオードを用いることが望ましい。そのためには、ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードを光通信用の光源として用いることが考えられる。
【０００４】
しかしながら、現在のＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光ダイオードを用いたのでは、応答速度が遅く高域遮断周波数が約３０ＭＨｚ　であり低いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、光通信用に用いるＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光ダイオードの応答速度を５０ＭＨｚ　程度以上に向上させて高域遮断周波数を高くすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段、並びに、作用及び発明の効果】
上記の課題を解決するための請求項１に記載の発明の構成は、ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体を用いた通信用の発光素子において、発光層を井戸層の数を１から５の範囲の任意の数とした量子井戸構造とし、発光層の発光部の面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２としたことを特徴とする通信用発光素子である。
【０００７】
応答速度を向上させるためには、発光ダイオードの容量を小さくする必要があることが一般的に知られている。容量を小さくするためには、発光に寄与する不平衡な電子と正孔が存在する発光層の発光部分の発光面積を小さくすると共に発光層の発光部分の厚さを大きくすることが必要である。しかしながら、本発明者は、色々と実験を行った結果、不平衡な電子と正孔を閉じ込めている発光層の発光部分に当たる井戸層の数を増加させて発光層の厚さを大きくしても、応答速度を大きくできないことを発見した。
【０００８】
すなわち、井戸層の数としては、１〜５の範囲の任意の数が応答速度の向上の観点から望ましいことが分かった。井戸層の数が１の場合には、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）であり、井戸層の数が２以上の場合には、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）である。井戸層の数が６以上となると、応答速度が低下すると共に発光出力も低下するので、井戸層の数としては、１〜５が望ましい。さらに望ましい範囲の井戸層の数は１〜３であり、最も望ましくは、井戸層の数は１又は２である。また、発光層の発光部の面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２とすることで、応答速度を向上させることができる。応答速度は発光層の発光部の面積が小さい程、大きくなる。しかし、発光層の発光部の面積が小さくなると、出力が低下する。よって、光通信に使用できる出力を得るためには、発光層の発光部の面積は０．００１ｍｍ^２以上が望ましく、応答速度を向上させるためには、発光層の発光部の面積は０．０３２ｍｍ^２以下が望ましい。よって、出力と応答速度との観点から、発光層の発光部の面積は、０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２が望ましい。発光層の発光部のさらに望ましい範囲は、０．０２３ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２である。
【０００９】
発光層の発光部の面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２とし、井戸層の数を１〜５の範囲の任意の数とすることで、高域遮断周波数を５０ＭＨｚ　以上と、従来のＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光素子の高域遮断周波数約３０ＭＨｚ　の１．７倍以上に向上させることができる。
【００１０】
発光層の井戸層には、発光波長に応じて、組成比が適切に設定されたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０　＜ｘ　＜１）を用いるのが望ましく、障壁層にはＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０　＜ｙ　＜１，ｙ　＜ｘ）、ＧａＮ　、Ｇａ_ｚＡｌ_１−ｚＮ（０　≦ｚ　＜１）、ＩｎＧａＡｌＮ（任意の組成比）　を用いることができる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、井戸層の厚さは、１ｎｍ　〜５ｎｍ　であることを特徴とする請求項１に記載の通信用発光素子である。井戸層の厚さをこの範囲とすることで、それぞれの数の井戸層を有した発光素子において、光出力を最大とすることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、発光層は多重量子井戸構造から成り、障壁層の厚さは、５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の通信用発光素子である。障壁層の厚さをこの範囲とすることで、それぞれの数の井戸層を有した発光素子において、光出力を最大とすることができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、発光層から発光する光の波長は、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の通信用発光素子である。この波長領域を使用することで、プラスチックファイバーにおける伝送損失を低減させることができる。この結果、発光素子の出力が小さくとも、比較的長い距離の光通信が可能となる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、通信用発光素子はプラスチックファイバーに接続されることを特徴する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の通信用発光素子である。ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体発光素子を用いることで、プラスチックファイバーの伝送損失の小さな波長領域を利用することができ、簡便且つ安価な通信システム、特に、短距離ＬＡＮを安価に構築することが可能となる。
【００１５】
尚、上記の半導体発光素子の半導体材料は限定されるものではないが、半導体発光素子をＩＩＩ　族窒化物半導体で構成した場合には、形成する各半導体層は、少なくともＡｌ_ｘＧａ_ｙＩＩｎ_{１−ｘ−ｙ}（Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成る　ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体等で形成することができる。また、これらの　ＩＩＩ族元素の一部は、ボロン（Ｂ　）、タリウム（Ｔｌ）で置き換えても良く、また、窒素（Ｎ　）の一部をリン（Ｐ　）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）で置き換えても良い。
【００１６】
更に、これらの半導体を用いてｎ型の　ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ　等を添加し、ｐ型不純物としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。
【００１７】
また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ　或いは、　ＩＩＩ族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。
【００１８】
また、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。
【００１９】
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
図１に、本発明の実施例に係る通信用の半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。半導体発光素子１００では、図１に示す様に、厚さ約３００μｍ　のサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）　から成る膜厚約３０ｎｍのバッファ層１０２が成膜され、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ　から成る膜厚約４μｍ　のｎ型コンタクト層１０３（高キャリヤ濃度ｎ^＋層）が形成されている。
【００２１】
また、このｎ型コンタクト層１０３の上には、膜厚約１００ｎｍのＳｉドープのＡｌ_０．３　Ｇａ_０．７　Ｎから成るｎ型半導体層１０４が形成され、更にその上には、発光層１０５が形成されている。
【００２２】
更に、この発光層１０５の上には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ　から成る膜厚約３０ｎｍのｐ型半導体層１０６が形成されており、また、ｐ型半導体層１０６の上には、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ　から成る膜厚約７０ｎｍのｐ型コンタクト層１０７が形成されている。
【００２３】
又、ｐ型コンタクト層１０７の上には金属蒸着による透光性薄膜正電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０３上には負電極１４０が形成されている。透光性薄膜正電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０７に直接接合する膜厚約１．５ｎｍのコバルト（Ｃｏ）より成る薄膜正電極第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６ｎｍの金（Ａｕ）より成る薄膜正電極第２層１１２とで構成されている。
【００２４】
厚膜正電極１２０は、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ　）より成る厚膜正電極第１層１２１と、膜厚約１．５μｍの金（Ａｕ）より成る厚膜正電極第２層１２２と、膜厚約１０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る厚膜正電極第３層１２３とを透光性薄膜正電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。
【００２５】
多層構造の負電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０３の一部露出された部分の上から、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）　層１４１と膜厚約１００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）層１４２とを積層させることにより構成されている。
【００２６】
また、最上部には、ＳｉＯ_２膜より成る保護膜１３０が形成されている。
サファイヤ基板１０１の底面に当たる反対側の最下部には、膜厚約５００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Ｒｈ，Ｔｉ，Ｗ　等の金属の他、ＴｉＮ，ＨｆＮ　等の窒化物でも良い。
【００２７】
発光層１０５は単一量子井戸構造では膜厚約３ｎｍのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ　の井戸層で構成されており、多重量子井戸構造では膜厚約３ｎｍのＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎ　の井戸層と膜厚約１３ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ　より成る障壁層との多重層で構成されている。
【００２８】
上記の基本的な構造の発光素子において、井戸層や障壁層の組成比、特に、井戸層の組成比を適切に設定することで、発光波長を４９３ｎｍ〜４９９ｎｍとし、発光層１０５における実質的に光を放射する部分である発光部の面積を０．０２３ｍｍ^２として、井戸層の数を１、３、５、１０とした発光素子を製造して、矩形波電圧を発光ダイオードに印加した時の出力光をフォトダイオードで受光し、その光出力を測定すると共にその波形の立ち下がり時間を測定した。
【００２９】
図２に出力と井戸層の数の関係の測定結果を示し、図３に出力と立ち下がり時間（ｎｍ）との関係を示す。図２、図３から理解されることは、光出力は井戸層の数が５でほぼ飽和し、井戸層の数が５よりも大きくなると、光出力は減少する傾向がある。又、図３から理解されることは、井戸層の数が増加するに連れて、立ち下がり時間が長くなる、すなわち、応答速度は低下することが理解される。特に、井戸層の数が５を越えると急激に応答速度が低下すると考えられる。すなわち、井戸層の数が５の場合には、井戸層の数が１の場合に比べて、１．２５倍の光出力が得られているが、立ち下がり時間は井戸層の数が１の場合に比べて２〜２．５倍と長くなっている。それに対して、井戸層の数が１０となると、井戸層の数が５に比べて、光出力は１／２以下となり、立ち下がり時間は２．５〜３倍と長くなっている。以上のことら、井戸層の数は、１〜５の範囲が望ましいことが分かる。特に、応答速度の点からいえば、井戸層の数を１、すなわち、ＳＱＷ構造が最も望ましい。この場合には、出力をそれほど低下させることなく、応答速度を向上させることができる。井戸層の数が２、３の場合も同様に、出力を低下させることなく、応答速度を向上させることができる。
【００３０】
同様に、発光部の面積を０．０２３ｍｍ^２として、井戸層の組成を変化させて発光波長を５００ｎｍにして光出力と高域遮断周波数（＝０．３５／立ち下がり時間）との関係を測定した。その結果を図４に示す。井戸層の数が増加するに連れて、高域遮断周波数は低下しているのが分かる。そして、光出力は井戸層の数が５を越えると急激に低下するのが分かる。このことからも、発光層における井戸層の数は、１〜５が望ましいことが理解される。特に望ましいのは、井戸層の数は１で、次に望ましい井戸層の数は、２、３である。井戸層の数が１　〜３　の場合には、確実に、高域遮断周波数５０ＭＨｚ　以上が得られる。
【００３１】
次に、井戸層の組成を変化させて、発光波長を５２０ｎｍにして、井戸層の数を１、３、５として、それぞれに対して発光部の面積を０．００１ｍｍ^２、０．０２３ｍｍ^２、０．０３２ｍｍ^２、０．０４８ｍｍ^２とした発光素子を製造し、それぞれについて、光出力と応答速度を測定した。その結果を図５の（ａ）、（ｂ）の表に示す。面積が小さくなる程出力は低下するが応答速度は向上する。そして、出力の低下率よりも応答速度の上昇率の方が大きいことが理解される。発光部の面積が０．０２３ｍｍ^２、０．０３２ｍｍ^２の場合には、光出力の低下は発光部面積０．０４８ｍｍ^２の素子に比べて２割り程度であるが、応答速度の向上率は１．４〜１．６倍になっていることが理解される。これらのことから、ＰＯＦを用いた光通信を可能とするためには、発光素子の発光部の面積は、０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２が望ましく、発光素子の井戸層の数は、１〜５が望ましいことが分かる。
【００３２】
次に、発光波長が４９９ｎｍ〜５２５ｎｍとなり、発光部の面積を、それぞれ、０．００１ｍｍ^２、０．０２３ｍｍ^２、０．０３２ｍｍ^２、０．０４８ｍｍ^２として、井戸層の組成を各種、適切に設定して、井戸層の数を変化させることで、発光層の厚さをいろいろと変化させた発光素子を製造した。そして、発光層の厚さと発光素子の容量との関係を測定した。その結果である容量と発光素子の厚さとの関係を高域遮断周波数をパラメータとして図６に示す。また、発光層の面積を０．０２３ｍｍ^２である素子に注目すると、図７の結果が得られる。図６、図７から理解されることは、高域遮断周波数７５〜１００ＭＨｚ　が得られるのは、発光層が３ｎｍの厚さ、すなわち、単一量子井戸構造の場合であることが理解される。この時の容量は２２ｐＦであることが分かる。また、井戸層の数を増加させて発光層の厚さを増加させると容量は小さくなるが、高域遮断周波数は逆に低下していることが分かる。例えば、井戸層の数を３にして、発光層の厚さを約４０ｎｍとすると高域遮断周波数は、５０〜７４ＭＨｚ　に低下することが理解される。
【００３３】
図６、図７から分かることは、容量が比較的大きくとも発光層の厚さが薄い場合には、高域遮断周波数が高くなるということである。そして、図６、７の直線Ａより下の領域になるように容量と発光層の厚さ、又は、井戸層の層数を設定すると、高域遮断周波数５０ＭＨｚ　が実現される場合があり、直線Ｂより下の領域で確実に、高域遮断周波数５０ＭＨｚ　以上が実現され、直線Ｃより下の領域では、高域遮断周波数８０ＭＨｚ　以上が確実に実現される。
【００３４】
尚、上記の実施例においては、ワイヤボンディング型の発光ダイオードについて説明したが、本発明はフリップチップ型等の任意の型の発光ダイオードであっても同様に適応できる。フリップチップ型の場合には、反射金属層１５０は不要であり、透光性薄膜正電極１１０の代わりに、ロジウム（Ｒｈ）等の反射率の良好な金属を用いた膜厚約２００ｎｍ程度の非透光性の厚膜電極を形成する。この場合には、厚膜正電極１２０は不要である。
【００３５】
（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、　ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体素子として、ＧａＮ　系の半導体層を用いたが、勿論Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ　等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のＡｌＧａＩｎＮ　としても良い。より具体的には、「Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ　（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（ＧａＩｎＮ　，ＡｌＩｎＮ　，ＡｌＧａＮ　）或いは４元（ＡｌＧａＩｎＮ　）の　ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のＮ　の一部をＰ　、Ａｓ等のＶ　族元素で置換しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る通信用の半導体発光素子１００の断面図。
【図２】本実施例に係る発光素子の井戸層の数と出力との関係を測定した特性図。
【図３】本実施例に係る発光素子の出力と出力光の立ち下がり時間との関係を測定した特性図。
【図４】本実施例に係る発光素子の出力と出力光の高域遮断周波数との関係を測定した特性図。
【図５】本実施例に係る発光素子の井戸層の数及び発光面積と、光出力及び応答速度との関係を測定した結果を表で示した図。
【図６】本実施例に係る発光素子で、各種の発光面積を有した素子の発光層の厚さと容量との関係の測定結果を高域遮断周波数をパラメータとして表した特性図。
【図７】本実施例に係る発光素子で、同一の発光面積における素子の発光層の厚さと容量との関係の測定結果を高域遮断周波数をパラメータとして表した特性図。
【符号の説明】
１００　…　通信用の半導体発光素子
１０１　…　サファイヤ基板
１０２　…　バッファ層
１０３　…　高キャリア濃度ｎ^＋層
１０４　…　ｎ型半導体層
１０５　…　発光層
１０６　…　ｐ型半導体層
１０７　…　ｐ型コンタクト層
１１０　…　透光性薄膜正電極
１２０　…　正電極
１３０　…　保護膜
１４０　…　負電極
１５０　…　反射金属層

Claims

ＩＩＩ　族窒化物系化合物半導体を用いた通信用の発光素子において、
発光層を井戸層の数を１から５の範囲の任意の数とした量子井戸構造とし、
発光層の発光部の面積を０．００１ｍｍ^２〜０．０３２ｍｍ^２としたことを特徴とする通信用発光素子。
前記井戸層の厚さは、１ｎｍ　〜５ｎｍ　であることを特徴とする請求項１に記載の通信用発光素子。
前記発光層は多重量子井戸構造から成り、障壁層の厚さは、５ｎｍ〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の通信用発光素子。
前記発光層から発光する光の波長は、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に存在することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の通信用発光素子。
前記通信用発光素子はプラスチックファイバーに接続されることを特徴する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の通信用発光素子。