JP2010212347A

JP2010212347A - 受発光装置

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Publication number: JP2010212347A
Application number: JP2009055048A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Imai; 保貴今井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことが可能な受発光装置を提供する。
【解決手段】受発光装置１０００において、発光素子１００は、第１部分と、ミラー部と、を有し、第１部分は、少なくとも、第１クラッド層１０４と、第１クラッド層の上方に設けられた活性層１０６と、活性層の上方に設けられた第２クラッド層１０８と、を構成し、活性層の少なくとも一部は、光導波路１４２，１４４を構成し、活性層は、光導波路において、光を生じ、光導波路は、ミラー部の側方に設けられ、光導波路に生じる光を反射させる反射面と、活性層の側面に設けられ、前記光導波路に生じる光を出射する出射面と、を有し、受光素子２００は、光吸収層２０６を有し、反射面を透過した光の一部であって、ミラー部によって光吸収層の方向に向かって回折された光を受光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受発光装置に関する。

光通信等で用いられる半導体発光デバイスにおいては、一般的に、装置の外部に半透過ミラーや回折素子を配置して出射した光の一部を取り出し、その光を受光素子によって検出することで、光量の調整等を行っている。

例えば、特許文献１では、レーザーダイオードからの光を分光プリズム等で分岐させ、その分岐させた光を検出するモニター用フォトダイオードを有する光ピックアップ装置が提案されている。

特開平１０−３６９１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された方法では、発光素子と受光素子が個々に設けられているため、別途分光プリズム等の光学素子が必要となり、部品点数が多くなる、小型化が難しい、表示装置に用いるためには、複数のレーザーダイオードの光量を個々に検出する必要があるが、個別に受光素子を設けるのは困難である、といった問題がある。

本発明の目的の一つは、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことが可能な受発光装置を提供することにある。

本発明に係る受発光装置は、
少なくとも発光素子と受光素子とで構成された受発光装置において、
第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分の間に設けられたミラー部と、を有する半導体層と、
前記第２部分の上方に設けられた光吸収層と、
を含み、
前記発光素子は、前記第１部分と、前記ミラー部と、を有し、
前記第１部分は、少なくとも、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に設けられた活性層と、
前記活性層の上方に設けられた第２クラッド層と、
を構成し、
前記活性層の少なくとも一部は、光導波路を構成し、
前記活性層は、前記光導波路において、光を生じ、
前記光導波路は、
前記ミラー部の側方に設けられ、前記光導波路に生じる光を反射させる反射面と、
前記活性層の側面に設けられ、前記光導波路に生じる光を出射する出射面と、
を有し、
前記受光素子は、前記光吸収層を有し、
前記受光素子は、前記反射面を透過した光の一部であって、前記ミラー部によって前記光吸収層の方向に向かって回折された光を受光する。

本発明に係る受発光装置によれば、発光素子および受光素子をモノリシックに集積することができ、個別に光量検出を行うことが可能な受発光装置を提供することができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記光導波路の前記出射面は、前記活性層の第１側面に設けられ、
前記光導波路は、前記出射面から前記反射面まで、前記第１側面の垂線に対して傾いた方向に向かって設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記光導波路は、複数設けられ、
前記複数の光導波路は、少なくとも１つの前記光導波路の対を成し、
前記光導波路の対の一方の第１光導波路は、一の方向に向かって設けられ、
前記光導波路の対の他方の第２光導波路は、前記一の方向と異なる他の方向に向かって設けられ、
前記第１光導波路の前記ミラー部側の端面と、前記第２光導波路の前記ミラー部側の端面とは、重なっていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記光導波路に生じる光は、当該光導波路内において利得を受けることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記ミラー部は、分布ブラッグ反射型ミラーまたはフォトニック結晶領域からなることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記分布ブラッグ反射型ミラーは、複数の溝から構成され、
前記複数の溝は、前記反射面の垂線に沿って所定の間隔で配置されていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記フォトニック結晶領域は、前記半導体層の面内方向に所定の格子配列で周期的に配置された複数の穴で構成されていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記受光素子は、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層との間に設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記第１コンタクト層は、素子分離層を介して、前記半導体層の前記第２部分の上方に設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記発光素子は、
前記第１クラッド層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２クラッド層に電気的に接続された第２電極と、
を含み、
前記受光素子は、
前記第１コンタクト層と電気的に接続された第３電極と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続された第４電極と、
を含むことができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記第２電極と、前記第３電極は、共通の電極であることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記受光素子は、第３クラッド層と、第４クラッド層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第３クラッド層と、前記第４クラッド層との間に設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記受光素子は、第１ミラー層と、第２ミラー層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第１ミラー層と、前記第２ミラー層との間に設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記受光素子は、前記光吸収層の上方に設けられた一対のショットキー電極をさらに有し、
前記ショットキー電極の各々は、櫛型形状を有し、互いに所定の間隔をあけて櫛歯が噛み合わさるようにして設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記発光素子および前記受光素子は、複数設けられていることができる。

本発明に係る受発光装置において、
前記光導波路に生じる光は、当該光導波路において利得を受けることができる。

本実施形態に係る受発光装置を模式的に示す斜視図。本実施形態に係る受発光装置を模式的に示す平面図。本実施形態に係る受発光装置を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置を模式的に示す断面図。本実施形態の活性層を第１側面側から平面的に見た図。本実施形態に係る受発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の第１の変形例を模式的に示す平面図。本実施形態に係る受発光装置の第１の変形例を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の第２の変形例を模式的に示す斜視図。本実施形態に係る受発光装置の第３の変形例を模式的に示す斜視図。本実施形態に係る受発光装置の第４の変形例を模式的に示す平面図。本実施形態に係る受発光装置の第５の変形例を模式的に示す平面図。本実施形態に係る受発光装置の第５の変形例を模式的に示す断面図。本実施形態に係る受発光装置の第６の変形例を模式的に示す斜視図。本実施形態に係る受発光装置の第７の変形例を模式的に示す斜視図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

１．受発光装置
まず、本実施形態に係る受発光装置１０００について説明する。

図１は、本発明を適用した実施形態に係る受発光装置１０００を模式的に示す斜視図である。図２は、受発光装置１０００を模式的に示す平面図である。図３は、図２のIII−III線断面図であり、図４は、図２のIV−IV線断面の一部拡大図である。なお、図１では、便宜上、第２電極１２２及び反射防止膜１１４の図示を省略している。図２では、便宜上、第２電極１２２の図示を省略している。

本実施形態に係る受発光装置１０００は、発光素子１００と受光素子２００とで構成されている。受発光装置１０００は、図１〜図４に示すように、第１部分１０ａと、第２部分１０ｂと、ミラー部１７０と、を有する半導体層１０と、第２部分１０ｂの上方に設けられた光吸収層２０６と、を含む。

半導体層１０は、複数の層からなることができる。半導体層１０は、第１の層１４と、第２の層１６と、第３の層１８と、を有することができる。半導体層１０は、例えば、さらに、基板１２と、第４の層１９と、を有することができる。

基板１２としては、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板などを用いることができる。

第１の層１４は、基板１２上に形成されている。第１の層１４は、例えば、第１導電型の半導体からなる。第１の層１４としては、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。なお、図示はしないが、基板１２と第１の層１４との間に、バッファー層が形成されていてもよい。バッファー層としては、例えば基板１２よりも結晶性の良好な（例えば欠陥密度の低い）第１導電型（ｎ型）のＧａＡｓ層などを用いることができる。

第２の層１６は、第１の層１４上に形成されている。第２の層１６は、例えば、ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。

第３の層１８は、第２の層１６上に形成されている。第３の層１８は、例えば第２導電型（例えばｐ型）の半導体からなる。第３の層１８としては、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。

第４の層１９は、第３の層１８上に形成されている。第４の層１９としては、第２電極１２２とオーミックコンタクトする層を用いることができる。第４の層１９は、例えば第２導電型の半導体からなる。第４の層１９としては、例えばｐ型ＧａＡｓ層などを用いることができる。

半導体層１０は、互いに平行な側面１１ａ，１１ｂを有する。半導体層１０は、半導体層１０の一方の側面１１ａ側に設けられた第１部分１０ａと、半導体層１０の他方の側面１１ｂ側に設けられた第２部分１０ｂと、を有する。第１部分１０ａは、発光素子１００を構成する部材となることができる。第２部分１０ｂ上には、受光素子２００の光吸収層２０６が設けられている。第１部分１０ａと第２部分１０ｂとの間には、ミラー部１７０が設けられている。

以下、発光素子１００、受光素子２００、および受発光装置１０００の動作について説明する。

（１）発光素子
発光素子１００は、図１〜図４に示すように、第１部分１０ａと、ミラー部１７０と、を有する。発光素子１００は、さらに、例えば、絶縁部１１２と、反射防止膜１１４と、第１電極１２０と、第２電極１２２と、を有することができる。

第１部分１０ａの第１の層１４、第２の層１６、および第３の層１８は、それぞれ、第１クラッド層１０４、活性層１０６、および第２クラッド層１０８を構成している。さらに、第１部分１０ａの第４の層１９は、上部コンタクト層１０９を構成することができる。例えば、ｐ型の第２クラッド層１０８、不純物がドーピングされていない活性層１０６、及びｎ型の第１クラッド層１０４により、ｐｉｎダイオードが構成される。第１クラッド層１０４及び第２クラッド層１０８の各々は、活性層１０６よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。

活性層１０６の一部は、光導波路を構成している。本実施例において、光導波路には、光を生じさせることができ、この光は、例えば、光導波路内で利得を受けることができる。光導波路は、光導波路に生じる光を反射させる反射面と、光導波路に生じる光を出射する出射面と、を有する。図示の例では、活性層１０６は、複数（２つ）の光導波路（第１光導波路１４２及び第２光導波路１４４）を構成している。光導波路は、図示はしないが、単数であってもよい。複数の光導波路１４２，１４４の各々は、対を成していてもよい。図示の例では、第１光導波路１４２及び第２光導波路１４４が、光導波路対１４０を構成している。第１光導波路１４２は、第１端面１５１と、第３端面１５３とを有する。第２光導波路１４４は、第２端面１５２と、第４端面１５４とを有する。第１端面１５１および第２端面１５２の各々は、活性層１０６の第１側面１０５に設けられ、光導波路に生じる光を出射する出射面であることができる。第３端面１５３および第４端面１５４の各々は、ミラー部１７０の側方に設けられ、光導波路１４２，１４４に生じる光を反射させる反射面１６０を構成することができる。第１光導波路１４２及び第２光導波路１４４の平面形状は、例えば、平行四辺形である。

光導波路１４２，１４４は、図２に示すように、出射面（第１端面１５１，第２端面１５２）から反射面１６０まで、第１側面１０５の垂線Ｐ１に対して傾いた方向に向かって設けられていることができる。これにより、光導波路１４２，１４４に生じる光のレーザー発振を抑制または防止することができる。また、第１光導波路１４２と第２光導波路１４４とは、異なる方向に向かって設けられている。図示の例では、第１光導波路１４２は、第１側面１０５の垂線Ｐ１に対して一方の側に傾いており、角度θ_１の傾きを有する一の方向（以下「第１方向」ともいう）Ａに向かって設けられている。また、第２光導波路１４４は、第１側面１０５の垂線Ｐ１に対して他方の側（上記一方の側の反対側）に傾いており、角度θ_２の傾きを有する他の方向（以下「第２方向」ともいう）Ｂに向かって設けられている。なお、第１光導波路１４２が一の方向に向かって設けられている場合とは、当該一の方向が、平面的に見て、第１光導波路１４２の第１端面１５１の中心と、第３端面１５３の中心とを結ぶ方向に一致する場合をいう。このことは、他の光導波路についても同様である。第１方向Ａの垂線Ｐ１に対する角度θ_１と、第２方向Ｂの垂線Ｐ１に対する角度θ_２とは、図示の例では、等しいが、異なっていてもよい。

図５は、活性層１０６を第１側面１０５側から平面的に見た図である。図５に示すように、第１光導波路１４２の第１端面１５１と第３端面１５３とは、重なっていない。同様に、第２光導波路１４４の第２端面１５２と第４端面１５４とは、重なっていない。これにより、第１光導波路１４２に生じる光を第１端面１５１と第３端面１５３との間で、および第２光導波路１４４に生じる光を第２端面１５２と第４端面１５４との間で、直接的に多重反射させないことができる。その結果、直接的な共振器を構成させないことができるため、光導波路１４２，１４４に生じる光のレーザー発振をより確実に抑制または防止することができる。したがって、発光素子１００は、レーザー光ではない光を発することができる。なお、この場合には、図５に示すように、例えば第１光導波路１４２において、第１端面１５１と第３端面１５３とのずれ幅ｘは、正の値であればよい。

なお、図示はしないが、光導波路は、第１側面１０５側の端面からミラー部１７０側の端面まで、直線状に、第１側面１０５の垂線Ｐ１と平行となる方向に向かって設けられていてもよい。すなわち、活性層１０６を第１側面１０５側から平面的にみたときに、第１側面１０５側の端面と第２側面側の端面とは、完全に重なっていてもよい。この場合には、共振器が構成され、発光素子１００は、レーザー光を発することができる。また、例えば、光導波路内で生じた光が利得を受けないこともできる。すなわち、発光素子１００としては、例えば、半導体レーザー、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などのその他の端面発光型の半導体発光素子を用いてもよい。

反射面１６０は、ミラー部１７０の側方に設けられている。反射面１６０は、第１光導波路１４２の第３端面１５３と、第２光導波路１４４の第４端面１５４と、で構成されている。図示の例では、第３端面１５３と、第４端面１５４とは、完全に重なっており、反射面１６０は、第３端面１５３および第４端面１５４と一致する面である。なお、図示はしないが、第３端面１５３と第４端面１５４とは、一部が重なっていてもよい。図２の例では、反射面１６０は、平面的に見て、第１側面１０５に対して、平行であることができる。第１方向Ａと反射面１６０の垂線Ｐ２とがなす角度と、第２方向Ｂと反射面１６０の垂線Ｐ２とがなす角度とは、例えば、等しい。

光導波路１４２，１４４に生じる光の波長帯において、反射面１６０の反射率は、出射面１５１，１５２の反射率よりも高い。出射面１５１，１５２には、例えば、反射防止膜１１４が設けられていることにより、低い反射率を得ることができる。反射防止膜１１４は、第１側面１０５の全面に設けられることができる。反射防止膜１１４としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３単層、または、ＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層、Ｔａ_２Ｏ_５層や、これらの多層膜などを用いることができる。反射面１６０は、ミラー部１７０が設けられることにより、高い反射率を得ることができる。

ミラー部１７０は、複数の溝１７２で構成されているＤＢＲミラーであることができる。溝１７２の平面形状は、例えば、矩形である。溝１７２の底面の位置は、第２の層１６の下面の位置より下に設けられていることが望ましい。図４の例では、溝１７２の底面の位置は、基板１２の上面の位置より下である。溝１７２の内部は、空洞（空気）であってもよいし、絶縁材料で埋めこまれていてもよい。溝１７２は、図示の例では、４つ設けられているが、その数は限定されない。ミラー部１７０は、溝１７２の数または底面の位置（溝の深さ）によって、反射率を調整することができる。具体的には、溝１７２の数を増やすことで、反射率が高くなり、溝１７２の数を減らすことで、反射率が低くなる。また、溝１７２の深さを深くすることで反射率が高くなり、溝１７２の深さを浅くすることで、反射率が低くなる。

溝１７２は、反射面１６０の垂線Ｐ２に沿って、所定の間隔で形成されている。溝１７２は、図４に示すように、例えば、幅ａの大きさが、（２ｍ_ａ＋１）λ／（４ｎ_ａｃｏｓθ_１’）または、（２ｍ_ａ＋１）λ／（４ｎ_ａｃｏｓθ_２’）であり、間隔ｂの大きさが、（２ｍ_ｂ＋１）λ／（４ｎ_ｂｃｏｓθ_１）または、（２ｍ_ｂ＋１）λ／（４ｎ_ｂｃｏｓθ_２）であるように配置されることができる。なお、ｍ_ａ、ｍ_ｂは、０以上の整数であり、λは、光導波路１４２，１４４に生じる光の波長であり、ｎ_ａは、溝１７２における垂直断面の有効屈折率であり、ｎ_ｂは、溝１７２を形成していない領域における垂直断面の有効屈折率である。また、θ_１’およびθ_２’は、光導波路１４２，１４４からθ_１またはθ_２で反射面１６０に入射した場合の屈折角であり、θ_１’＝ｓｉｎ^−１（（ｎ_ｂ／ｎ_ａ）ｓｉｎθ_１）およびθ_２’＝ｓｉｎ^−１（（ｎ_ｂ／ｎ_ａ）ｓｉｎθ_２）である。このように、ミラー部１７０は、所定の幅を有する溝１７２が所定の間隔で設けられることにより、ＤＢＲミラーを構成することができる。

上部コンタクト層１０９と、第２クラッド層１０８の一部とは、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」という）１３０を構成することができる。上部コンタクト層１０９は、光導波路１４２，１４４と同じ平面形状を有していることができる。すなわち、例えば、柱状部１３０の平面形状によって、電極１２０，１２２間の電流経路が決定され、その結果、光導波路１４２，１４４の平面形状が決定される。なお、例えば、図示はしないが、第１クラッド層１０４の一部、活性層１０６の一部、第２クラッド層１０８の一部が、柱状部１３０を構成することもできる。

絶縁部１１２は、図１および図３に示すように、例えば第２クラッド層１０８上であって、柱状部１３０の側方に設けられていることができる。絶縁部１１２は、柱状部１３０の側面に接している。絶縁部１１２の上面は、例えば、上部コンタクト層１０９の上面と連続していることができる。絶縁部１１２としては、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ_２層、ポリイミド層などを用いることができる。絶縁部１１２としてこれらの材料を用いた場合、第１電極１２０及び第２電極１２２間の電流は、絶縁部１１２を避けて、該絶縁部１１２に挟まれた柱状部１３０を流れることができる。絶縁部１１２は、図示はしないが、例えば、活性層１０６の側面のうち、第１端面１５１から第４端面１５４以外の側面を覆うことができる。絶縁部１１２は、活性層１０６の屈折率よりも低い屈折率を有することができる。この場合、絶縁部１１２を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁部１１２を形成しない部分、すなわち、柱状部１３０が形成された部分の垂直断面の有効屈折率より小さくなる。これにより、平面方向について、光導波路１４２，１４４内に効率良く光を閉じ込めることができる。また、絶縁部１１２を設けないこともできる。例えば、絶縁部１１２が空気であってもよい。

第１電極１２０は、基板１２の下に形成されていることができる。図１の例では、第１電極１２０は、基板１２の下の全面に形成されている。第１電極１２０は、該第１電極１２０とオーミックコンタクトする層（図示の例では基板１２）と接していることができる。第１電極１２０は、基板１２を介して、第１クラッド層１０４と電気的に接続されている。第１電極１２０は、発光素子１００を駆動するための一方の電極である。第１電極１２０としては、例えば、基板１２側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。

第２電極１２２は、上部コンタクト層１０９上及び絶縁部１１２上の全面に形成されていることができる。図示はしないが、第２電極１２２は、上部コンタクト層１０９（柱状部１３０）上の一部および絶縁部１１２上の一部に形成されていてもよい。第２電極１２２は、上部コンタクト層１０９を介して、第２クラッド層１０８と電気的に接続されている。第２電極１２２は、発光素子１００を駆動するための他方の電極である。第２電極１２２としては、例えば、上部コンタクト層１０９側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。第２電極１２２と上部コンタクト層１０９との接触面は、光導波路１４２，１４４と同様の平面形状を有していることができる。

（２）受光素子
受光素子２００は、図１〜図４に示すように、光吸収層２０６を含む。受光素子２００は、さらに、例えば、第１コンタクト層２０４と、第２コンタクト層２０８と、素子分離層２０２と、第３電極２１０と、第４電極２１２と、を含むことができる。

素子分離層２０２は、第２部分１０ｂの第４の層１９上に形成されていることができる。素子分離層２０２は、発光素子１００と、受光素子２００とを電気的に分離することができる。素子分離層２０２は、例えば、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。

第１コンタクト層２０４は、図４に示すように、素子分離層２０２上に形成されている。第１コンタクト層２０４は、例えば、第１導電型の半導体からなる。第１コンタクト層２０４としては、例えばｎ型ＧａＡｓ層などを用いることができる。

光吸収層２０６は、第１コンタクト層２０４上に形成されている。光吸収層２０６は、例えば、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層などを用いることができる。

第２コンタクト層２０８は、光吸収層２０６上に形成されている。第２コンタクト層２０８は、例えば第２導電型（例えばｐ型）の半導体からなる。第２コンタクト層２０８としては、例えばｐ型ＧａＡｓ層などを用いることができる。

第３電極２１０は、第１コンタクト層２０４上に形成されていることができる。第３電極２１０は、受光素子２００を駆動するための一方の電極である。第３電極２１０は、第１コンタクト層２０４と電気的に接続されている。第３電極２１０としては、第１電極１２０と同様の材料を用いることができる。

第４電極２１２は、第２コンタクト層２０８上に形成されている。第４電極２１２は、受光素子２００を駆動するための他方の電極である。第４電極２１２は、第２コンタクト層２０８と電気的に接続されている。第４電極２１０としては、第２電極１２２と同様の材料を用いることができる。

受光素子２００では、第３電極２１０と第４電極２１２との間に、ｐｉｎダイオードの逆バイアス電圧を印加すると、入射された光によって生成された電子−正孔対が加速され電流として取り出すことができる。すなわち、受光素子２００は、ｐｉｎフォトダイオードを構成することができる。

（３）受発光装置の動作
発光素子１００では、第１電極１２０と第２電極１２２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、光導波路１４２，１４４において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路１４２，１４４内で光の強度が増幅される。例えば、図１に示すように、第１光導波路１４２に生じる光の一部４は、反射面１６０において反射して第２光導波路１４４の第２端面１５２から第２出射光２として出射されるが、その間に光の強度が増幅される。同様に、第２光導波路１４４に生じる光の一部は、反射面１６０において反射して、第１光導波路１４２の第１端面１５１から第１出射光１として出射されるが、その間に光の強度が増幅される。なお、第１光導波路１４２に生じる光には、直接、第１光導波路１４２の第１端面１５１から第１出射光１として出射されるものもある。同様に第２光導波路１４４に生じる光には、直接、第２光導波路１４４の第２端面１５２から第２出射光２として出射されるものもある。これらの光も同様に各利得部分において増幅される。また、光導波路１４２，１４４に生じる光の一部は、反射面１６０を透過して、ミラー部１７０によって回折される。回折された光の一部は、図１に示すように、受光素子２００の光吸収層２０６に向かって回折された回折光６となる。回折光６は、受光素子２００によって、受光される。これにより、発光素子１００に生じた光の光出力をモニターすることができる。

本実施形態に係る受発光装置１０００は、例えば、プロジェクタ、ディスプレイ、照明装置、計測装置などの光源に適用されることができる。このことは、後述する実施形態についても同様である。

受発光装置１０００は、例えば、以下の特徴を有する。

本実施形態に係る受発光装置１０００では、モノリシックに発光素子１００と受光素子２００が形成されていることができる。これにより、後述するように受発光装置のアレイ化を、容易に行うことができる。また、例えば、別途、受光素子を設置する場合と比較して、部品点数の削減および製造コストの削減が可能となる。

本実施形態に係る受発光装置１０００では、発光素子１００に生じた光の光出力を、受光素子２００において、モニターすることができる。したがって、モニターされた光出力に基づいて、発光素子１００に印加する電圧値を調整することができる。これにより、輝度むらを低減し、また、明るさを自動調整することができる受発光装置を提供することができる。発光素子１００に生じた光の光出力を、発光素子１００に印加する電圧値にフィードバックする制御は、例えば、外部電子回路（図示しない）を用いて行うことができる。

本実施形態に係る受発光装置１０００では、受光素子２００が、反射面１６０を透過した光の一部であって、前記ミラー部１７０によって光吸収層２０６の方向に向かって回折された回折光６を受光することができる。回折光６は、ミラー部１７０の反射率の影響を受けにくいため、ミラー部１７０が高い反射率を有している場合であっても、受光素子２００は、発光素子１００の光強度をモニターすることができる。したがって、本実施形態に係る受発光装置１０００によれば、ミラー部１７０の反射率を高めることができるため、発光素子１００の効率化を図ることができる。

本実施形態に係る受発光装置１０００では、上述したように、発光素子１００は、光導波路１４２，１４４に生じる光のレーザー発振を抑制または防止することができる。従って、スペックルノイズを低減させることができる。さらに、本実施形態に係る発光素子１００では、光導波路１４２，１４４に生じる光は、光導波路１４２，１４４内において利得を受けながら進行して、外部に出射されることができる。従って、従来の一般的なＬＥＤよりも高い出力を得ることができる。以上のように、本実施形態によれば、スペックルノイズを低減でき、かつ高出力である新規な発光素子を有する受発光装置を提供することができる。

本実施形態に係る受発光装置１０００では、反射面１６０には、複数の溝１７２で構成されたＤＢＲミラーからなるミラー部１７０が設けられることができる。したがって、平面プロセスでミラー部１７０を製造することができるため、発光素子と受光素子とをモノリシックに形成でき、また、チップ毎に誘電体ミラーの形成や劈開を行う場合と比較して、生産性を向上しつつ、使用する資源の量を削減することもできる。

２．受発光装置の製造方法
次に、第１の実施形態に係る発光装置１０００の製造方法について説明する。

図６〜図１０は、受発光装置１０００の製造工程を模式的に示す断面図である。図６〜図８および図１０は、図４に示す断面図に対応している。図９は、図３に示す断面図に対応している。

まず、図６に示すように、基板１２上に、第１の層１４、第２の層１６、第３の層１８、第４の層１９、素子分離層２０２、第１コンタクト層２０４、光吸収層２０６、および第２コンタクト層２０８を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いることができる。

図７に示すように、第２コンタクト層２０８、光吸収層２０６、第１コンタクト層２０４の一部をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて行われる。

図８に示すように、第４の層１９の上面の一部をエッチングにより露出させる。具体的には、まず、第１コンタクト層２０４をアンモニアと過酸化水素水の水溶液（ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ）で選択エッチングする。次に、素子分離層２０２を緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ）または、フッ化水素酸水溶液（ＨＦ＋Ｈ_２Ｏ）で選択エッチングする。これにより、第４の層１９の上面の一部を露出することができる。

図９に示すように、第１部分１０ａの第４の層１９（上部コンタクト層１０９）および第１部分１０ａの第３の層１８（第２クラッド層１０８）をパターニングする。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて行われる。これにより、柱状部１３０が形成される。

図１０に示すように、第４の層１９、第３の層１８、第２の層１６、第１の層１４、及び基板１２をパターニングすることにより、溝１７２を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて行われる。これにより、溝１７２によって構成されたミラー部１７０が形成される。

図３に示すように、柱状部１３０の側面を覆うように絶縁部１１２を形成する。具体的には、まず、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、塗布法などにより、第２クラッド層１０８の上方（上部コンタクト層１０９を含む）に絶縁層（図示せず）を成膜する。次に、例えば、エッチング技術などを用いて、上部コンタクト層１０９の上面を露出させる。以上の工程により、絶縁部１１２を形成することができる。なお、本工程で、溝１７２を絶縁層で埋め込んでもよい。また、例えば、本工程で、受光素子２００の光吸収層２０６に無反射膜（図示しない）を形成してもよい。

次に、柱状部１３０を構成する上部コンタクト層１０９上および絶縁部１１２上に第２電極１２２を形成し、第１コンタクト層２０４上に第３電極２１０を形成し、第２コンタクト層２０８上に第４電極２１２を形成する。第２電極１２２、第３電極２１０および第４電極２１２は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりレジスト膜（図示しない）等で所定の領域を覆った後、真空蒸着法およびリフトオフ法を行うことにより、所望の形状に形成されることができる。なお、ミラー部１７０が形成された領域は、溝１７２に電極材料が入り込むことで短絡しないように、例えば、溝１７２より広い領域をレジスト膜等で覆うことが望ましい。次に、基板１２の下面下に第１電極１２０を形成する。第１電極１２０は、例えば、真空蒸着法により形成される。

次に、図２に示すように、活性層１０６の第１側面１０５の全面に反射防止膜１１４を形成する。反射防止膜１１４は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法、イオンアシスト蒸着(Ion Assisted Deposition)法などにより形成される。

以上の工程により、受発光装置１０００を製造することができる。

本実施形態に係る受発光装置１０００の製造方法によれば、平面プロセスでミラー部１７０を製造することができる。したがって、発光素子と受光素子とをモノリシックに形成でき、また、チップ毎に誘電体ミラーの形成や劈開を行う場合と比較して、生産性を向上しつつ、使用する資源の量を削減することもできる。

３．変形例
次に本実施形態に係る受発光装置の変形例について説明する。なお、上述した図１〜図４に示す受発光装置１０００の例と異なる点について説明し、同様の点については同一の符号を付し説明を省略する。

（１）まず、第１の変形例について説明する。

図１１は、本変形例に係る受発光装置２０００を模式的に示す平面図である。図１２は、図１１のXII−XII断面の一部拡大図である。図１１に示す平面図は、図２に対応している。

受発光装置１０００の例では、ミラー部１７０が、ＤＢＲミラーである場合について説明した。これに対し、本変形例では、ミラー部１７０が、フォトニック結晶領域であることができる。ミラー部１７０は、半導体層１０の面内方向に所定の格子配列で周期的に配置された複数の穴１７４で構成されている。すなわち、ミラー部１７０は、面方向に周期的な屈折率分布が形成された２次元フォトニック結晶構造を有することができる。穴１７４の形状は、例えば、円柱状である。穴１７４の平面形状は、例えば、円状、楕円形状、三角形状、四角形状等である。穴１７４の底面の位置は、例えば、第２の層１６の下面の位置より下であることができる。十分な周期数を確保すれば、第２の層１６の上面の位置よりも上であることもできる。穴１７４は、図示の例では、正方格子状に等間隔で複数配列されている。穴１７４の配列は、例えば、三角格子状、長方格子状、ハニカム格子状等であってもよい。ミラー部１７０は、フォトリソグラフィ技術（干渉露光技術や液浸露光技術等を含む）を用いて形成することができる程度の大きさであっても、十分な反射帯域を有することができる。穴１７４の内部は、空洞であってもよいし、絶縁性材料で満たされていてもよい。なお、ミラー部１７０には、周期的なフォトニック結晶構造を有するものと、例えば、擬周期的なフォトニック結晶を有するフォトニック準結晶構造、および円座標格子構造等を含むことができる。

穴１７４は、例えば、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを用いて形成されることができる。これにより、穴１７４によって構成されたミラー部１７０を形成することができる。

本変形例によれば、ミラー部１７０が、フォトニック結晶領域であることができる。これにより、上述した受発光装置１０００の例と同様の作用効果を得ることができる。

（２）次に、第２の変形例について説明する。

図１３は、本変形例に係る受発光装置３０００を模式的に示す斜視図である。

受発光装置１０００の例では、第１電極１２０が基板１２の下面側に形成されている場合について説明した。これに対し、本変形例では、第１電極１２０が、基板１２の上面側に形成されていることができる。すなわち、受発光装置３０００は、片面電極構造を得ることができる。例えば、第１クラッド層１０４と基板１２との間に、下部コンタクト層１１０を設け、ドライエッチングなどにより下部コンタクト層１１０を露出させることで、第１電極１２０を下部コンタクト層１１０上に設ける。これにより、第１電極１２０を基板１２の上面側に形成することができる。発光素子１００と受光素子２００の間には、発光素子１００と受光素子２００を電気的に分離する分離溝３０１０が設けられる。この形態は、基板１２が絶縁性である場合に特に有効である。

（３）次に、第３の変形例について説明する。

図１４は、本変形例に係る受発光装置４０００を模式的に示す斜視図である。

受発光装置１０００の例では、電極１２０，１２２，２１０，２１２が４つ形成された４端子構造の場合について説明した。これに対し、本変形例では、発光素子１００の第２電極１２２と受光素子２００の第３電極２１０が共通の電極となる３端子構造の受発光装置であることができる。

本変形例では、第３の層１８および第４の層１９は、第２部分１０ｂにおいて、受光素子２００の第１コンタクト層２０４として用いることができる。なお、素子分離層２０２は、形成されていない。例えば、第１の層１４、第３の層１８および第４の層１９、第２コンタクト層２０８をそれぞれ、第１導電型（例えばｎ型）、第２導電型（例えばｐ型）、第１導電型（例えばｎ型）の半導体とすることで、第２部分１０ｂの第３の層１８および第４の層１９を第１コンタクト層２０４として用いることができる。これにより、受発光装置４０００は、発光素子１００の第２電極１２２と、受光素子２００の第３電極２１０とを、共通電極とすることができる。本変形例によれば、３端子構造の受発光装置を提供することができる。

（４）次に、第４の変形例について説明する。

図１５は、本変形例に係る受発光装置５０００を模式的に示す平面図である。

受発光装置１０００の例では、発光素子１００および受光素子２００の対が１つである場合について説明した。これに対し、本変形例では、発光素子１００および受光素子２００の対が、複数設けられていることができる。ミラー部１７０は、上述した通り、平面プロセスで製造することができるため、例えば、チップ毎に誘電体ミラーの形成や劈開を行う場合と比較して、容易にアレイ化することができる。また、複数の発光素子１００の各々に対して、受光素子２００が設けられることができる。これにより、個々の発光素子１００の光出力を検出することができる。なお、図示はしないが、発光素子１００と受光素子２００の数は、異なっていてもよい。例えば、複数の発光素子１００に対し、一つの受光素子２００が対応していてもよい。このような構成は、複数の発光素子を交互に駆動するような場合に、受光素子の総数が減少し、発光素子の電圧調整等を行う外部電子回路が簡素化するなどの利点がある。

本変形例に係る受発光装置５０００によれば、発光素子全体の高出力化を図ることができる。また、受発光装置５０００によれば、個々の発光素子の光出力をモニターすることができる。

（５）次に、第５の変形例について説明する。

図１６は、本変形例に係る受発光装置６０００を模式的に示す平面図である。図１７は、図１６のXVII-XVII断面図である。図１６に示す平面図は、図２に対応している。

受発光装置１０００の例では、絶縁部１１２が形成されている領域と、絶縁部１１２が形成されていない領域、すなわち柱状部１３０を形成している領域に屈折率差を設けて光を閉じ込める屈折率導波型について説明した。これに対して、本変形例では、柱状部１３０を形成することによって屈折率差を設けず、光導波路１４２，１４４がそのまま導波領域となる、利得導波型を用いることができる。

本変形例では、図１７に示すように、第２クラッド層１０８と上部コンタクト層１０９とは、柱状部１３０を構成していない。第２電極１２２は、上部コンタクト層１０９上に形成されている。第２電極１２２は、上部コンタクト層１０９を介して、第２クラッド層１０８と電気的に接続されている。第２電極１２２の下面は、図１６に示すように、光導波路１４２，１４４と同様の平面形状を有している。図示の例では、第２電極１２２と上部コンタクト層１０９との接触面の平面形状によって、電極１２０，１２２間の電流経路が決定され、その結果、光導波路１４２，１４４の平面形状が決定されることができる。図示の例では、第２電極１２２の上面も、光導波路１４２，１４４と同じ平面形状を有している。

（６）次に、第６の変形例について説明する。

図１８は、本変形例に係る受発光装置７０００を模式的に示す斜視図である。

受発光装置１０００の例では、受光素子２００がｐｉｎフォトダイオードである場合について説明した。これに対して、本変形例では、受光素子２００が、光吸収層２０６と、第３クラッド層２２４と、第４クラッド層２２８と、を有する導波路型フォトダイオードであることができる。

第３クラッド層２２４は、第１コンタクト層２０４上に形成されている。第３クラッド層２２４は、例えば、第１導電型の半導体からなる。第３クラッド層２２４としては、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。第３クラッド層２２４上には、光吸収層２０６が形成されている。

第４クラッド層２２８は、光吸収層２０６上に形成されている。第４クラッド層２２８は、例えば第２導電型（例えばｐ型）の半導体からなる。第４クラッド層２２８としては、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓ層などを用いることができる。

第３クラッド層２２４および第４クラッド層２２８の各々は、光吸収層２０６よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層である。

本変形例に係る受光素子２００において、回折光６の一部は、光吸収層２０６とクラッド層２２４，２２８の境界で反射され、光吸収層２０６内を進行する。したがって、本変形例に係る受発光装置によれば、光吸収層２０６から光が漏れることを抑制または防止することができるため、受光素子２００の検出効率を高めることができる。

なお、図示はしないが、クラッド層２２４，２２８に替えて、半導体多層膜ミラー（例えば第１ミラー層、第２ミラー層）を用いてもよい。半導体多層膜ミラーとしては、例えば、ｎ型（ｐ型）Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とｎ型（ｐ型）Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ａｓ層とを交互に積層させたものを用いることができる。これにより、光吸収層２０６から光が漏れることを、さらに抑制または防止することができるため、受光素子２００の検出効率をより高めることができる。

（７）次に、第７の変形例について説明する。

図１９は、本変形例に係る受発光装置８０００を模式的に示す斜視図である。

受発光装置１０００の例では、受光素子２００がｐｉｎフォトダイオードである場合について説明した。これに対して、本変形例では、受光素子２００が、ＭＳＭ（Metal Semiconductor Metal）型フォトダイオードであることができる。

受光素子２００は、光吸収層２０６と、光吸収層２０６上に形成された一対のショットキー電極２３０ａ，２３０ｂを有する。

ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂは、受光素子２００を駆動するための電極である。ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂは、平面的に見て、それぞれ櫛型形状を有し、互いに所定の間隔をあけて櫛歯が噛み合わさるようにして設けられている。ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂには、光吸収層２０６とショットキー接触する材料を用いることができる。ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂとしては、例えば、光吸収層２０６側からＴｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順序で積層したもの、Ｔｉ層、Ｐｄ層、Ａｕ層の順で積層したもの等を用いることができる。ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂは、例えば、スパッタ法とリフトオフ法とを組み合わせることにより形成できる。なお、図示はしないが、ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂの一方と、発光素子１００の第２電極１２２を共通の電極にすることにより、３端子構造の受発光装置を得ることができる。

受光素子２００は、ショットキー電極２３０ａ，２３０ｂの間に電圧を印加すると、光吸収層２０６によって吸収された光によって生成された電子−正孔対が加速され電流として取り出すことができる。受光素子２００は、ＭＳＭ型フォトダイオードであることができるため、高速応答が可能である。本変形例によれば、高速応答が可能な受光素子を有する受発光装置を得ることができる。

（８）次に、第８の変形例について説明する。

受発光装置１０００の例では、ＧａＡｓ系の場合について説明したが、本変形例では、発光利得領域が形成可能なあらゆる材料系を用いることができる。半導体材料であれば、例えば、ＩｎＧａＡｌＰ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＺｎＣｄＳｅ系などの半導体材料を用いることができる。本変形例では、基板１２として、例えばＧａＮ基板などを用いることができる。また、本変形例では、例えば有機材料などを用いることもできる。

なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

１０半導体層、１０ａ第１部分、１０ｂ第２部分、１２基板、１４第１の層、１６第２の層、１８第３の層、１９第４の層、１００発光素子、１０４第１クラッド層、１０６活性層、１０８第２クラッド層、１０９上部コンタクト層、１１０下部コンタクト層、１１２絶縁部、１１４反射防止膜、１２０第１電極、１２２第２電極、１３０柱状部、１４０光導波路対、１４２第１光導波路、１４４第２光導波路、１５１第１端面、１５２第２端面、１５３第３端面、１５４第４端面、１６０反射面、１７０ミラー部、１７２溝、１７４穴、２００受光素子、２０２素子分離層、２０４第１コンタクト層、２０６光吸収層、２０８第２コンタクト層、２１０第３電極、２１２第４電極、２２４第３クラッド層、２２８第４クラッド層、２３０ａ，２３０ｂショットキー電極、１０００，２０００，３０００，４０００，５０００，６０００，７０００，８０００受発光装置、３０１０分離溝

Claims

少なくとも発光素子と受光素子とで構成された受発光装置において、
第１部分と、第２部分と、前記第１部分と前記第２部分の間に設けられたミラー部と、を有する半導体層と、
前記第２部分の上方に設けられた光吸収層と、
を含み、
前記発光素子は、前記第１部分と、前記ミラー部と、を有し、
前記第１部分は、少なくとも、
第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上方に設けられた活性層と、
前記活性層の上方に設けられた第２クラッド層と、
を構成し、
前記活性層の少なくとも一部は、光導波路を構成し、
前記活性層は、前記光導波路において、光を生じ、
前記光導波路は、
前記ミラー部の側方に設けられ、前記光導波路に生じる光を反射させる反射面と、
前記活性層の側面に設けられ、前記光導波路に生じる光を出射する出射面と、
を有し、
前記受光素子は、前記光吸収層を有し、
前記受光素子は、前記反射面を透過した光の一部であって、前記ミラー部によって前記光吸収層の方向に向かって回折された光を受光する、受発光装置。
請求項１において、
前記出射面は、前記活性層の第１側面に設けられ、
前記光導波路は、前記出射面から前記反射面まで、前記第１側面の垂線に対して傾いた方向に向かって設けられている、受発光装置。
請求項２において、
前記光導波路は、複数設けられ、
前記複数の光導波路は、少なくとも１つの前記光導波路の対を成し、
前記光導波路の対の一方の第１光導波路は、一の方向に向かって設けられ、
前記光導波路の対の他方の第２光導波路は、前記一の方向と異なる他の方向に向かって設けられ、
前記第１光導波路の前記ミラー部側の端面と、前記第２光導波路の前記ミラー部側の端面とは、重なっている、受発光装置。
請求項２または３において、
前記光導波路に生じる光は、当該光導波路内において利得を受ける、受発光装置。
請求項１乃至４のいずれか一項において、
前記ミラー部は、分布ブラッグ反射型ミラーまたはフォトニック結晶領域からなる、受発光装置。
請求項５において、
前記分布ブラッグ反射型ミラーは、複数の溝から構成され、
前記複数の溝は、前記反射面の垂線に沿って所定の間隔で配置されている、受発光装置。
請求項５において、
前記フォトニック結晶領域は、前記半導体層の面内方向に所定の格子配列で周期的に配置された複数の穴で構成されている、受発光装置。
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記受光素子は、第１コンタクト層と、第２コンタクト層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第１コンタクト層と、前記第２コンタクト層との間に設けられている、受発光装置。
請求項８において、
前記第１コンタクト層は、素子分離層を介して、前記半導体層の前記第２部分の上方に設けられている、受発光装置。
請求項８または９において、
前記発光素子は、
前記第１クラッド層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２クラッド層に電気的に接続された第２電極と、
を含み、
前記受光素子は、
前記第１コンタクト層と電気的に接続された第３電極と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続された第４電極と、
を含む、受発光装置。
請求項１０において、
前記第２電極と、前記第３電極は、共通の電極である、受発光装置。
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記受光素子は、第３クラッド層と、第４クラッド層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第３クラッド層と、前記第４クラッド層との間に設けられている、受発光装置。
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記受光素子は、第１ミラー層と、第２ミラー層と、をさらに有し、
前記光吸収層は、前記第１ミラー層と、前記第２ミラー層との間に設けられている、受発光装置。
請求項１乃至７のいずれか一項において、
前記受光素子は、前記光吸収層の上方に設けられた一対のショットキー電極をさらに有し、
前記ショットキー電極の各々は、櫛型形状を有し、互いに所定の間隔をあけて櫛歯が噛み合わさるようにして設けられている。受発光装置。
請求項１乃至１４のいずれか一項において、
前記発光素子および前記受光素子は、複数設けられている、受発光装置。