JP2733933B2 - 半導体受発光装置 - Google Patents
半導体受発光装置Info
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- light emitting
- light receiving
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- gaalas
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- Light Receiving Elements (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
- Led Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、光通信用受発光素子のチップ構造に関す
る。 従来の技術 従来の光通信用受発光素子として、たとえば、発光素
子に、発光ピーク波長λP820〜880nmで、発光出力P05
mW,遮断周波数Ｃ 30〜60MHz,GI50/125光ファイバ
で、ファイバ端出力Pf＝10〜50μＷ程度のGaAlAs結晶を
用いた発光ダイオード（LED）が実用化されている。 一方、通信用受光素子には、受光径が、100〜300μｍ
φで、受光波長λＰ＝850nmで、量子効率η＝50〜70
％，遮断周波数Ｃ＝100〜300MHzのSiを用いたPINフォ
トダイオードが実用化されている。 以上のような受発光素子を用いて、伝送速度16〜32Mb
it/sec,伝送距離3km程度の光データリンクが市販されて
いる。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来の光通信用受発光素子には、次の
ような問題点が存在している。発光素子であるLEDは、
ビデオ伝送などの映像信号を伝達する場合には、常に動
作状態であるが、デジタル信号を伝送するようなデジタ
ルリンクの場合には、一定時間の動作状態の後、LED
は、休止する時間を有する。そこで、この休止時間に
は、LEDを逆に信号を受ける受光素子として使用するこ
とも多くなってきている。 ところで、光通信用LEDとして前述のような秀れた特
性を持つ発光素子を受光素子として使用すると、受光感
度が低く、実用レベルからは、ほど遠い。 一方、光通信用PINフォトダイオードは、受光素子と
しては、前述のような優秀な特性を有しているが、材質
がシリコン（Si）であるため、発光素子として使用する
ことはできない。つまり、１つの素子で、受光と発光と
の両者の特性を、実用レベルでその要求を満たすこと
は、極めて困難である。 問題点を解決するための手段 本発明の半導体受発光装置は、発光部としてIII−Ｖ
化合物半導体結晶による発光素子を用い、受光部として
Si結晶による受光素子を用い、これらを、互いの発光窓
と受光窓とを上下位置で一致させて、層状に接着して一
体化し、その発光素子の発光窓を通じて、前記受光素子
で受光する受光機能と受光機能の両機能を有するもので
ある。 作用 本発明の受発光装置によると、発光素子として、GaAl
As化合物半導体結晶を使用し、電流狭窄構造とダブルヘ
テロ構造を採用することにより、良好な光ファイバ端出
力特性と高速応答性とを確保し、一方、受光素子として
Si−PINフォトダイオードを用い、この上部の受光窓にG
aAlAs発光ダイオードを接着し、発光ダイオードの受光
窓を通じて、ファイバからの出射光を受光することによ
り、高い量子効率と高速応答性を実現できる。 また、これらGaAlAsとSiとでは、熱膨張係数に大きな
差はなく（GaAlAs:6.17×10-6/deg,Si:2.5×10-6/de
g），接着されたデバイスの持つ温度特性は、十分安定
している。 実施例 本発明の受発光装置の実施例を第１図に概要断面図、
第２図に具体例の断面図で示す。 まず、発光素子11の構造について説明する。液相成長
により、Ｎ型GaAs基板上に５層の薄膜を成長した。 N1−GaAlAs基板層１（AlAs混晶比Ｘ＝0.43→0.05）上
にN2−GaAlAsクラッド層２（Ｘ＝0.20）,P1−GaAs活性
層３（厚さ１μｍ）,P2−GaAlAsクラッド層４（Ｘ＝0.3
5）,N3−GaAlAsコンタクト層５（Ｘ＝0.17）を連続的に
形成している。N3−GaAlAsコンタクト層５に直径80μｍ
φの凹部６を選択的に作成し、この後P+拡散層８を1.5
μｍ形成した。Ｎ型GaAs基板を完全に除去した後、Ｐ側
電極９とＮ側電極10を形成した。最後に発光窓の凹部の
真下を選択的にエッチングし、N1−GaAlAs基板層７を深
さ10μｍにわたって、φ200μｍの円形状の空洞領域７
を形成した。 この発光ダイオードの発光波長は、880nmである。 チップ厚さは、約80μｍである。 次に受光素子16について述べる。高比抵抗層12（ρ
3000Ω・cm）を有するＮ型Si基板13に、チャンネルスト
ッパー15とP+拡散層14を形成し、SiO2膜による表面パッ
シベーションと無反射コート膜をこの上部に作成した。 このようにして得られたPIN型受光素子の受光径は300
μｍφ、チップサイズは、1.2×1.2mmである。 以上のようにして作成した受光素子11と受光素子16と
を外周辺の接触部で熱圧着により温度310℃で接着し
た。発光素子と受光素子の絶縁には、SiO2膜を用いた。
この時、発光素子の発光窓が、受光素子の受光窓の真上
にくるように考慮した。接着材には、SnとAuを用いてい
る。この接着した素子をT0−18ヘッダーに入れ、ワイヤ
ーボンドを行ない組立を行なった。受光素子の上部に
は、微小マイクロレンズ17を搭載し、発光した光ビーム
の集光を行なっている。 この素子をLEDとして動作させる場合には、第１図
（ａ）の発光部11の端子ＡとＢを順バイアスし、素子の
上部の部分のみを使用して、発光させ、光ファイバに発
光した光を入射させる動きをする。（第１図（ｂ）参
照） 一方、受光動作の場合には、下部の受光部16の端子Ｃ
とＤに逆バイアスを印加し、光ファイバから出射した光
信号を上部に接着した発光部11を通じて、受光部に照射
する構造となっており（第１図（ｃ）参照）、両者は、
絶縁膜を介して層状に接着されており、各々独立したデ
バイスとして使用できるものである。 本発明の実施例の素子では、発光モードとして動作さ
せると、IF＝100mAで発光出力P05mW、GI50/125での光
ファイバ端出力は、Pf20μＷ、遮断周波数は、Ｃ
35MHzである。 一方、受光モードとして動作させると、逆バイアス電
圧VR＝10Vで、遮断周波数は、Ｃ200MHz,波長λＰ＝
880nmでの量子効率は、η40％であった。この量子効
率の値は、GaAlAsLEDの活性領域を通じての値であり、
活性領域での光の吸収が生じているが、これを差し引い
ても、かなりの高い量子効率が得られている。 このようなデバイス構造を用いることにより、極めて
良好な発光特性と受光特性が安定して得られた。 また、受光部と受光部が同一の場所に存在するため、
従来困難とされていた、ファイバとの光軸調整が比較的
容易であり、Ｘ方向,Y方向の軸変動に対する許容値が大
きくとれる。 発明の効果 以上のように、本発明の受光装置によれば、通信用と
して要求される高性能な発光素子の特性と受光素子の特
性とを同時に充たすことができ、広く利用できるものと
期待される。
る。 従来の技術 従来の光通信用受発光素子として、たとえば、発光素
子に、発光ピーク波長λP820〜880nmで、発光出力P05
mW,遮断周波数Ｃ 30〜60MHz,GI50/125光ファイバ
で、ファイバ端出力Pf＝10〜50μＷ程度のGaAlAs結晶を
用いた発光ダイオード（LED）が実用化されている。 一方、通信用受光素子には、受光径が、100〜300μｍ
φで、受光波長λＰ＝850nmで、量子効率η＝50〜70
％，遮断周波数Ｃ＝100〜300MHzのSiを用いたPINフォ
トダイオードが実用化されている。 以上のような受発光素子を用いて、伝送速度16〜32Mb
it/sec,伝送距離3km程度の光データリンクが市販されて
いる。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来の光通信用受発光素子には、次の
ような問題点が存在している。発光素子であるLEDは、
ビデオ伝送などの映像信号を伝達する場合には、常に動
作状態であるが、デジタル信号を伝送するようなデジタ
ルリンクの場合には、一定時間の動作状態の後、LED
は、休止する時間を有する。そこで、この休止時間に
は、LEDを逆に信号を受ける受光素子として使用するこ
とも多くなってきている。 ところで、光通信用LEDとして前述のような秀れた特
性を持つ発光素子を受光素子として使用すると、受光感
度が低く、実用レベルからは、ほど遠い。 一方、光通信用PINフォトダイオードは、受光素子と
しては、前述のような優秀な特性を有しているが、材質
がシリコン（Si）であるため、発光素子として使用する
ことはできない。つまり、１つの素子で、受光と発光と
の両者の特性を、実用レベルでその要求を満たすこと
は、極めて困難である。 問題点を解決するための手段 本発明の半導体受発光装置は、発光部としてIII−Ｖ
化合物半導体結晶による発光素子を用い、受光部として
Si結晶による受光素子を用い、これらを、互いの発光窓
と受光窓とを上下位置で一致させて、層状に接着して一
体化し、その発光素子の発光窓を通じて、前記受光素子
で受光する受光機能と受光機能の両機能を有するもので
ある。 作用 本発明の受発光装置によると、発光素子として、GaAl
As化合物半導体結晶を使用し、電流狭窄構造とダブルヘ
テロ構造を採用することにより、良好な光ファイバ端出
力特性と高速応答性とを確保し、一方、受光素子として
Si−PINフォトダイオードを用い、この上部の受光窓にG
aAlAs発光ダイオードを接着し、発光ダイオードの受光
窓を通じて、ファイバからの出射光を受光することによ
り、高い量子効率と高速応答性を実現できる。 また、これらGaAlAsとSiとでは、熱膨張係数に大きな
差はなく（GaAlAs:6.17×10-6/deg,Si:2.5×10-6/de
g），接着されたデバイスの持つ温度特性は、十分安定
している。 実施例 本発明の受発光装置の実施例を第１図に概要断面図、
第２図に具体例の断面図で示す。 まず、発光素子11の構造について説明する。液相成長
により、Ｎ型GaAs基板上に５層の薄膜を成長した。 N1−GaAlAs基板層１（AlAs混晶比Ｘ＝0.43→0.05）上
にN2−GaAlAsクラッド層２（Ｘ＝0.20）,P1−GaAs活性
層３（厚さ１μｍ）,P2−GaAlAsクラッド層４（Ｘ＝0.3
5）,N3−GaAlAsコンタクト層５（Ｘ＝0.17）を連続的に
形成している。N3−GaAlAsコンタクト層５に直径80μｍ
φの凹部６を選択的に作成し、この後P+拡散層８を1.5
μｍ形成した。Ｎ型GaAs基板を完全に除去した後、Ｐ側
電極９とＮ側電極10を形成した。最後に発光窓の凹部の
真下を選択的にエッチングし、N1−GaAlAs基板層７を深
さ10μｍにわたって、φ200μｍの円形状の空洞領域７
を形成した。 この発光ダイオードの発光波長は、880nmである。 チップ厚さは、約80μｍである。 次に受光素子16について述べる。高比抵抗層12（ρ
3000Ω・cm）を有するＮ型Si基板13に、チャンネルスト
ッパー15とP+拡散層14を形成し、SiO2膜による表面パッ
シベーションと無反射コート膜をこの上部に作成した。 このようにして得られたPIN型受光素子の受光径は300
μｍφ、チップサイズは、1.2×1.2mmである。 以上のようにして作成した受光素子11と受光素子16と
を外周辺の接触部で熱圧着により温度310℃で接着し
た。発光素子と受光素子の絶縁には、SiO2膜を用いた。
この時、発光素子の発光窓が、受光素子の受光窓の真上
にくるように考慮した。接着材には、SnとAuを用いてい
る。この接着した素子をT0−18ヘッダーに入れ、ワイヤ
ーボンドを行ない組立を行なった。受光素子の上部に
は、微小マイクロレンズ17を搭載し、発光した光ビーム
の集光を行なっている。 この素子をLEDとして動作させる場合には、第１図
（ａ）の発光部11の端子ＡとＢを順バイアスし、素子の
上部の部分のみを使用して、発光させ、光ファイバに発
光した光を入射させる動きをする。（第１図（ｂ）参
照） 一方、受光動作の場合には、下部の受光部16の端子Ｃ
とＤに逆バイアスを印加し、光ファイバから出射した光
信号を上部に接着した発光部11を通じて、受光部に照射
する構造となっており（第１図（ｃ）参照）、両者は、
絶縁膜を介して層状に接着されており、各々独立したデ
バイスとして使用できるものである。 本発明の実施例の素子では、発光モードとして動作さ
せると、IF＝100mAで発光出力P05mW、GI50/125での光
ファイバ端出力は、Pf20μＷ、遮断周波数は、Ｃ
35MHzである。 一方、受光モードとして動作させると、逆バイアス電
圧VR＝10Vで、遮断周波数は、Ｃ200MHz,波長λＰ＝
880nmでの量子効率は、η40％であった。この量子効
率の値は、GaAlAsLEDの活性領域を通じての値であり、
活性領域での光の吸収が生じているが、これを差し引い
ても、かなりの高い量子効率が得られている。 このようなデバイス構造を用いることにより、極めて
良好な発光特性と受光特性が安定して得られた。 また、受光部と受光部が同一の場所に存在するため、
従来困難とされていた、ファイバとの光軸調整が比較的
容易であり、Ｘ方向,Y方向の軸変動に対する許容値が大
きくとれる。 発明の効果 以上のように、本発明の受光装置によれば、通信用と
して要求される高性能な発光素子の特性と受光素子の特
性とを同時に充たすことができ、広く利用できるものと
期待される。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）は、本発明実施例の概要断面図、第１図
（ｂ），（ｃ）は参照図、第２図は、本発明の受発光装
置の一実施例断面図である。 １……N1−GaAlAs基板層、２……N2−GaAlAsクラッド
層、３……P1−GaAs活性層、４……P2−GaAlAsクラッド
層、５……N3−GaAlAsコンタクト層、６……凹領域（発
光窓）、７……円形状領域、８……P+拡散層、９……Ｐ
側電極、10……Ｎ側電極、11……発光素子、12……高抵
抗層、13……Ｎ型Si基板、14……P+拡散領域、15……チ
ャンネルストッパー、16……発光素子、17……球レン
ズ、18……光ファイバ、19……絶縁膜と表面保護膜。
（ｂ），（ｃ）は参照図、第２図は、本発明の受発光装
置の一実施例断面図である。 １……N1−GaAlAs基板層、２……N2−GaAlAsクラッド
層、３……P1−GaAs活性層、４……P2−GaAlAsクラッド
層、５……N3−GaAlAsコンタクト層、６……凹領域（発
光窓）、７……円形状領域、８……P+拡散層、９……Ｐ
側電極、10……Ｎ側電極、11……発光素子、12……高抵
抗層、13……Ｎ型Si基板、14……P+拡散領域、15……チ
ャンネルストッパー、16……発光素子、17……球レン
ズ、18……光ファイバ、19……絶縁膜と表面保護膜。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭57−30389（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−122586（ＪＰ，Ａ)
特開 昭57−164585（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．化合物半導体基板を用いた発光素子の発光窓の周辺
に設けた電極Ｂとシリコン半導体基板を用いた受光素子
の受光窓の周辺に設けた電極Ｃとを介して前記発光窓及
び受光窓を上下位置で一致させて前記発光素子と前記受
光素子とを一体化した半導体受発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27861687A JP2733933B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 半導体受発光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27861687A JP2733933B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 半導体受発光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01120874A JPH01120874A (ja) | 1989-05-12 |
| JP2733933B2 true JP2733933B2 (ja) | 1998-03-30 |
Family
ID=17599760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27861687A Expired - Lifetime JP2733933B2 (ja) | 1987-11-04 | 1987-11-04 | 半導体受発光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2733933B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5848088A (en) * | 1995-07-11 | 1998-12-08 | Seiko Epson Corporation | Surface emission type semiconductor for laser with optical detector, method of manufacturing thereof, and sensor using the same |
| JP4114060B2 (ja) | 2003-02-06 | 2008-07-09 | セイコーエプソン株式会社 | 受光素子の製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5730389A (en) * | 1980-07-31 | 1982-02-18 | Nec Corp | Optical communication device using optical semiconductor element for transmission and reception |
| DE3046140A1 (de) * | 1980-12-06 | 1982-07-15 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | "signaluebertragungsverfahren, ein halbleiter-bauelement sowie ein elektro-optisches bauelement zur durchfuehrung des verfahrens" |
-
1987
- 1987-11-04 JP JP27861687A patent/JP2733933B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01120874A (ja) | 1989-05-12 |
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