JP2008159629A

JP2008159629A - 光通信用半導体素子

Info

Publication number: JP2008159629A
Application number: JP2006343446A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Senda; 和彦千田; Shunji Nakada; 俊次中田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-07-10
Also published as: US20080149950A1

Abstract

【課題】製造工程の簡略化、小型化及び長寿命化を実現可能な光通信用半導体素子を提供する。
【解決手段】光通信用半導体素子１は、基板２上に積層された反射層３と、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型ウインドウ層８とを備えている。第１発光層５は、約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの波長に発光ピークを有するセンサ用の光を発光するためのものである。第１発光層５は、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる。第２発光層６は、約８２０ｎｍ〜約８７０ｎｍの波長に発光ピークを有するＩｒＤＡ光通信用の光を発光するためのものである。第１発光層５は、約５００ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の異なる波長に発光ピークを有する光を発光可能な光通信用半導体素子に関する。

従来、波長の異なる複数の光を使用し、少なくとも１つは光通信に用いられる光通信用の半導体素子及び半導体装置が知られている。

例えば、特許文献１に記載しているような発光ピークを１つだけ有する光を発光可能な半導体素子を用いて２波長の光を利用する技術が知られている。具体的には、図７に示すような約９００ｎｍの波長に発光ピークを有する光を発光可能な半導体素子を用いて２波長の光を利用する場合には、発光ピークよりも短波長側の約８５０ｎｍの光を光通信に使用し、発光ピークよりも長波長側の約９５０ｎｍの光をセンサに使用する技術が知られている。これによって、発光ピークが１つの光を発光する半導体素子を用いて２波長の光を利用することができた。

また、特許文献２には、２つの半導体素子を２つ並べて送受信が可能な半導体装置が開示されている。この半導体装置の技術を応用して、異なる２つの波長（例えば、約８５０ｎｍと約９５０ｎｍ）に発光ピークを有する光を発光可能な２つの半導体素子を並べることにより２波長の光を利用可能な半導体装置を実現することができた。
特開２０００−５１６７６８号公報特開２００１−７７４０７号公報

しかしながら、図７に示すような発光ピークが１つである半導体素子を用いて２波長の光を使用する場合、使用する波長の光を所望の発光強度にするためには、発光ピーク（波長約９００ｎｍ）の発光強度を使用する波長の光の発光強度よりも数倍にしなくてはならない。この結果、発光強度を強めることによる半導体素子の高温化に起因する半導体素子の短寿命化といった課題が生じている。また、図７に示す発光ピークを調整することにより使用する２つの光の強度などを調整することができるが、２つの光のうち、一方の光の強度を調整すると他方の光の強度も変化するので、単独で光の強度を調整することが困難であるといった課題がある。

また、上述した半導体装置の場合、半導体素子を２つ配置しなければならないため必然的に半導体装置が大型化するといった課題や、２つの半導体素子の光軸の調整に起因する製造工程の複雑化といった課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、製造工程の簡略化、小型化、長寿命化及び光の強度の調整の容易化を実現できる光通信用半導体素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の異なる波長の光を使用し、前記光のうち少なくとも１つは光通信に使用される光通信用半導体素子において、半導体からなる第１発光層と、前記第１発光層とは波長の異なる発光ピークを有する光を発光可能な半導体からなる第２発光層とを備えたことを特徴とする光通信用半導体素子である。

また、請求項２に記載の発明は、前記第１発光層及び前記第２発光層から発光された光を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光通信用半導体素子である。

本発明によれば、第１発光層と第２発光層とを設けることによって、それぞれの発光層から異なる波長に発光ピークを有する光を発光することができる。そして、各発光層の発光ピークを所望の波長に設定することができるので、所望の波長以外の波長に強い発光ピークを必要としない。この結果、光通信用半導体素子の高温化を抑制できるので、長寿命化を実現することができる。また、第１発光層と第２発光層のそれぞれの厚みや材料の比率などを調整することにより、それぞれの発光層から発光される光を単独で容易に調整できる。

また、光通信用半導体素子に第１発光層と第２発光層とを設けることにより、１つの光通信用半導体素子によって２つの異なる光を発光することができるので、２つの半導体素子により２つの異なる光を発光する半導体装置と比較して小型化を実現することができる。また、光通信用半導体素子に第１発光層と第２発光層とを設けることにより、各光の光軸を調整する必要がないので、製造工程を簡略化することができる。

また、反射層を設けることにより、第１発光層及び第２発光層で発光された光が基板などに吸収されることを低減することができるので、外部へ照射される光の強度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明を２波長の光を発光可能な光通信用半導体素子に適用した第１実施形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による光通信用半導体素子の断面図である。

図１に示すように、光通信用半導体素子（以下、半導体素子という）１は、基板２と、基板２上に積層された反射層３と、ｎ型クラッド層４と、第１発光層５と、第２発光層６と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型ウインドウ層８とを備えている。また、半導体素子１は、基板２〜ｐ型ウインドウ層８を挟むように一対のｐ側電極９とｎ側電極１０とを備えている。

基板２は、約１５０μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる。

反射層３は、第１発光層５及び第２発光層６から反射されて矢印Ｃ方向へと進行する光を反射して矢印Ａ方向（光の照射方向）に進行させるためのものである。反射層３は、約７０ｎｍの厚みを有するｎ型のＡｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層と約６０ｎｍの厚みを有するｎ型のＧａＡｓ層が交互に１０ペア積層されたＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造を有する。尚、Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層及びＧａＡｓ層には、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされている。

ｎ型クラッド層４は、約７００ｎｍの厚みを有し、ｎ型のドーパントとしてシリコンがドープされたＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなる。

第１発光層５は、約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの波長に発光ピークを有するセンサ用の光（赤外線）を発光するためのものである。第１発光層５は、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる。

第２発光層６は、約８３０ｎｍ〜約８７０ｎｍの波長に発光ピークを有するＩｒＤＡ光通信用の光（赤外線）を発光するためのものである。第１発光層５は、約５００ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる。

ｐ型クラッド層７は、約７００ｎｍの厚みを有し、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされたｐ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなる。

ｐ型ウインドウ層８は、ｐ側電極９から注入されたホールを矢印Ｂ及びＤ方向に分散させるためのものである。また、ｐ型ウインドウ層８は、ｐ側電極９によって遮られる光の比率を小さくするとともに、ｐ型ウインドウ層８の上面で反射される光の比率を小さくするためのものである。ｐ型ウインドウ層８は、約１０μｍの厚みを有し、光を透過でき、ｐ型のドーパントとして亜鉛がドープされた導電性のｐ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなる。

ｐ側電極９は、複数の金属層が積層された構造を有し、ｐ型ウインドウ層８の上面の一部とオーミック接続された状態で形成されている。ｎ側電極１０は、複数の金属が積層された構造を有し、基板２の裏面とオーミック接続された状態で形成されている。

次に、上述した半導体素子の動作説明をする。

まず、半導体素子１にｐ側電極９及びｎ側電極１０を介して電流が供給されると、ｐ側電極９からホールが供給され、ｎ側電極１０から電子が供給される。そして、ホールはｐ型ウインドウ層８、ｐ型クラッド層７を介して発光層５、６に注入される。ここでｐ型ウインドウ層８は、約１０μｍの厚みを有するので、ｐ型ウインドウ層８の上面の一部に形成されたｐ側電極９からホールが注入されても矢印Ｂ及びＤ方向にホールが分散されて、発光層６、５の全域にホールが注入される。また、電子は、基板２、反射層３、ｎ型クラッド層４を介して発光層５、６に注入される。

そして、第１発光層５に注入されたホール及び電子は結合して、約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの波長に発光ピークを有するセンサ用の光を発光し、第２発光層６に注入されたホール及び電子は結合して、約８２０ｎｍ〜約８７０ｎｍの波長に発光ピークを有するＩｒＤＡ用の光を発光する。

ここで、矢印Ｃ方向に進行する光は、反射層３に反射されて矢印Ａ方向へと進行する。そして、矢印Ａ方向に進行する光は、ｐ型クラッド層７及びｐ型ウインドウ層８を介して外部へと照射される。ここでｐ型ウインドウ層８は、約１０μｍの厚みを有するので、ｐ側電極９により遮られる光の比率が小さく、また、ｐ型ウインドウ層８の上面への入射角が小さくなるので全反射される比率も小さくなり、外部へと照射される光の強度を高めることができる。

次に、上述した半導体素子の製造方法について説明する。

まず、約１５０μｍの厚みを有するＧａＡｓからなる基板２をＭＯＣＶＤ装置に搬入する。次に、キャリアガス（Ｈ_２ガス）によりトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧ）、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約７０ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層を形成する。その後、キャリアガスによりＴＭＧ、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約６０ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＡｓ層を形成する。そして、これらｎ型Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ層及びｎ型ＧａＡｓ層を交互に１０ペア積層させて反射層３を形成する。

次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びモノシランを供給して、シリコンがドープされた約７００ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなるｎ型クラッド層４を形成する。

次に、キャリアガスによりトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩ）、ＴＭＧ及びアルシンを供給して、約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる第１発光層５を形成する。

次に、キャリアガスによりＴＭＧ及びアルシンを供給して、約５００ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる第２発光層６を形成する。

次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約７００ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなるｐ型クラッド層７を形成する。

次に、キャリアガスによりＴＭＡ、ＴＭＧ、アルシン及びジメチル亜鉛を供給して、亜鉛がドープされた約１０μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層からなるｐ型ウインドウ層８を形成する。

次に、ｐ型ウインドウ層８の上面にｐ側電極９を形成し、基板２の裏面にｎ側電極１０を形成する。最後に、素子単位に分割して半導体素子１が完成する。

上述したように半導体素子１は、第１発光層５及び第２発光層６の２つの発光層を有し、それぞれの発光層５、６から異なる波長に発光ピークを有する光を発光することができる。そして、各発光層５、６の発光ピークを所望の波長に設定することができるので、所望の波長以外の波長に強い発光ピークを必要としない。この結果、強い発光ピークに起因する半導体素子１の高温化を抑制できるので、半導体素子１の長寿命化を実現することができる。また、第１発光層５及び第２発光層６の厚みや材料の比率を調整することにより、それぞれの発光層５、６から発光される光の強度を容易に調整することができる。

また、半導体素子１は、２つの発光層５、６を有するので、単独で２つの異なる波長に発光ピークを有する光を発光することができるので、２つの半導体素子を必要とする半導体装置と比較して小型化を実現することができる。また、半導体素子１に２つの発光層５、６を設けることによって、各光の光軸を別々に調整する必要がないので、製造工程を簡略化することができる。

また、反射層３を設けることにより、基板２に吸収される光を低減することができるので、外部へ照射される光の強度を向上させることができる。

次に、上述した第１実施形態の一部を変更した第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態による光通信用半導体素子の断面図である。尚、第１実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。

図２に示すように、半導体素子１Ａは、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層７との間に第１発光層５Ａと第２発光層６Ａとが形成されている。

第１発光層５Ａは、約８２０ｎｍ〜約８７０ｎｍの波長に発光ピークを有するＩｒＤＡ光通信用の光を発光するためのものである。第１発光層５Ａは、約５００ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる。

第２発光層６Ａは、約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの波長に発光ピークを有するセンサ用の光を発光するためのものである。第２発光層６Ａは、約２０ｎｍの厚みを有するＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる。

上述した第２実施形態においても２つの発光層５Ａ、６Ａを有するので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

次に、上述した第１及び第２実施形態の効果を証明するために行った実験について説明する。

まず、第１及び第２実施形態と比較するために作製した比較例の半導体素子について説明する。図３は、比較例の半導体素子の断面図である。

図３に示すように、比較例の半導体素子１０１は、約１４０μｍの厚みを有するｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなるｐ型クラッド層１０２と、約１．０μｍの厚みを有するＧａＡｓ層からなる発光層１０３と、約３０μｍの厚みを有するｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなるｎ型クラッド層１０４とを備えている。

これら第１実施形態、第２実施形態及び比較例の半導体素子１、１Ａ、１０１に５０ｍＡの電流を供給して各半導体素子１、１Ａ、１０１の発光スペクトルを調べた。その結果を図４に示す。図４において、横軸が波長［ｎｍ］を示し、縦軸が発光強度［ｍＷ／ｎｍ］を示す。また、縦軸の発光強度は、ある波長［ｎｍ］での出力［ｍＷ］を示す。

図４に示すように、ＩｒＤＡ光通信に使用される波長が約８５０ｎｍの近傍では、半導体素子１、１Ａは、それぞれ約０．０８８ｍＷ／ｎｍ、０．０３５ｍＷ／ｎｍの発光強度を示し、半導体素子１０１は、約０．０５６ｍＷ／ｎｍの発光強度を示している。ここで、これらの発光強度を得るために、比較例による半導体素子１０１では、発光ピーク（波長約８９５ｎｍ近傍）において約０．２１ｍＷ／ｎｍの発光強度を必要としているが、本発明による半導体素子１、１Ａでは、そのような強い発光ピークを必要としない。この結果、比較例による半導体素子１０１では、当該発光ピークの光により半導体素子１０１が高温化されるが、本発明による半導体素子１、１Ａでは、強い発光ピークを有さないので半導体素子１、１Ａの高温化を抑制でき、半導体素子１、１Ａの長寿命化を実現できる。

また、図４に示すように、センサに使用される波長が約９５０ｎｍの近傍では、半導体素子１Ａは、約０．０５４ｍＷ／ｎｍの発光強度を示し、半導体素子１０１は、約０．０１９ｍＷ／ｎｍの発光強度を示している。ここで、これらの発光強度を得るために、比較例による半導体素子１０１では、約８９５ｎｍの波長における強い発光ピークを必要とするが、第２実施形態による半導体素子１Ａでは、そのような強い発光ピークを必要としない。この結果、上述したように第２実施形態による半導体素子１０１では、高温化を抑制でき、長寿命化を実現することができる。

尚、第１実施形態による半導体素子１０１では、波長が約９５０ｎｍの近傍では発光強度が弱いが、第１発光層５を構成するＩｎＧａＡｓ層におけるＩｎとＧａの比率を変えることにより、波長が約９２５ｎｍ近傍に存在する発光ピークを約９５０ｎｍの波長まで移動させることができ、第２実施形態の半導体素子１Ａと同様の効果を得ることができると考えられる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、発光層の積層位置は適宜変更可能である。具体的には、図５に示す半導体素子１Ｂのように、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層７との間にＧａＡｓ層からなる第１発光層５Ｂを形成し、ｐ型ウインドウ層８とｐ側電極９との間に亜鉛がドープされたｐ型Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる第２発光層６Ｂを形成してもよい。このように構成することにより、ｐ側電極９及びｎ側電極１０を介して電流が供給されると、まず、第１発光層５Ｂにおける電子とホールとの再結合により発光ピークが約８３０ｎｍ〜約８７０ｎｍの光が発光される。その後、その光が第２発光層６Ｂに入射すると、一部は透過し、残りの光は第２発光層６Ｂの内部で発光ピークが約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの光に変換されて外部へ照射される。

また、図６に示す半導体素子１Ｃのように、ｎ型クラッド層４とｐ型クラッド層７との間にＧａＡｓ層からなる第１発光層５Ｃを形成し、ｎ型クラッド層４と反射層３との間にｎ型Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層からなる第２発光層６Ｃを形成してもよい。このように構成した場合、電流が供給されると、第１発光層５Ｃによって発光ピークが約８３０ｎｍ〜約８７０ｎｍの光が発光される。その後、その光が第２発光層６Ｃに入射すると、第２発光層６Ｃの内部で発光ピークが約９２０ｎｍ〜約９７０ｎｍの光に変換されて発光される。

また、半導体素子１、１Ａを構成する各層の材料や厚みは適宜変更可能である。例えば、第１発光層５を構成する約１０ｎｍの厚みを有するＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層を、約５ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（０≦ｘ≦０．３）を適用してもよい。また、約８３０ｎｍ〜約８７０ｎｍの波長に発光ピークを有する光を発光させる発光層を、約６ｎｍの厚みを有するＧａＡｓ層と約８ｎｍの厚みを有するＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層とが交互に７０ペア積層されたＭＱＷ構造に構成してもよい。また、反射層３を、約５０ｎｍ〜約１２０ｎｍの厚みを有するｎ型のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ層（０＜ｙ≦１）と、約３０ｎｍ〜約１００ｎｍの厚みを有するｎ型のＧａＡｓ層とが交互に５ペア〜３０ペア積層されたＤＢＲ構造としてもよい。

また、上述した半導体素子１、１Ａでは、２つの発光層を備え、２つの異なる発光ピークの光を発光可能に構成したが、３以上の発光層を設け、３以上の異なる発光ピークの光を発光可能に構成してもよい。

本発明の第１実施形態による光通信用半導体素子の断面図である。第２実施形態による光通信用半導体素子の断面図である。比較例による半導体素子の断面図である。波長と発光強度の関係の実験結果を示す図である。変更形態による光通信用半導体素子の断面図である。別の変更形態による光通信用半導体素子の断面図である。従来の半導体素子の波長と発光強度を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ光通信用半導体素子
２基板
３反射層
４ｎ型クラッド層
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ第１発光層
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ第２発光層
７ｐ型クラッド層
８ｐ型ウインドウ層
９ｐ側電極
１０ｎ側電極

Claims

複数の異なる波長の光を使用し、前記光のうち少なくとも１つは光通信に使用される光通信用半導体素子において、
半導体からなる第１発光層と、
前記第１発光層とは波長の異なる発光ピークを有する光を発光可能な半導体からなる第２発光層とを備えたことを特徴とする光通信用半導体素子。
前記第１発光層及び前記第２発光層から発光された光を反射可能な反射層を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光通信用半導体素子。