JP3397864B2 - 半導体光素子、その製造方法、及びその半導体光素子を用いて行う光伝送方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光情報伝送の基本となる
半導体光素子、その製造方法、及びその半導体光素子を
用いて行う光伝送方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器内でのボード間や電子機器同志
の屋内での短距離の通信に、光ファイバーを数本束ねた
光ファイバーアレーを用いる研究が、近年盛んに行われ
ている。これは、例えばＪames Ｗ．Ｐarker ,ＩＥＥＥ
Ｊounal of Ｌightwave Ｔechnology,Ｖol.９,Ｎo.12,
p1764(1991),'Ｏptical Ｉnterconnection for Ａdvanc
ed Ｐrocessor Ｓystems'に記載されている。

【０００３】このような用途に光ファイバーアレーを用
いる場合、従来のフラットケーブル等におけるコネクタ
と同じような簡便で安価な光ファイバーアレー接続手段
が必要である。このため、送信に発光ダイオードを用い
て受信にＰｉｎ型フォトダイオードを用い、これらをそ
れぞれモジュール化して送信用モジュール、受信用モジ
ュールを構成する方法が考案されている。

【０００４】このような方法としては、金子秀樹他 電
子情報通信学会春期全国大会講演論文集 ４−３３１
(１９９０)がある。これまで考案されているモジュール
のほとんどは、受信専用もしくは送信専用であり、この
ことから必然的にそれぞれの光ファイバーは必ず一方向
のみの通信になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような受信専用
モジュール、送信専用モジュールを用いてデータバスの
ような双方向の通信が必要とされるものを構成した場合
は、１チャンネル当り２本の光ファイバーが必要とな
る。

【０００６】本発明は、上記欠点を改善し、１チャンネ
ル当り１本の光ファイバーで並列光伝送が可能となる、
受光及び発光が可能な半導体光素子及びその製造方法、
これを用いることにより使用光ファイバーを削減できる
前記半導体光素子を用いて行う光伝送方式を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、半導体基板に対して水平方
向にモノリシックに集積化され、受光面の法線が前記半
導体基板面の法線と一致していないフォトディテクタ
と、端面発光型発光ダイオードとを有し、この発光ダイ
オードの光出射方向と前記フォトディテクタの受光面の
法線を前記半導体基板面に水平な成分と垂直な成分に分
解した場合の水平方向成分の方向とを同一とし同一の光
ファイバーで受発光を可能としたものである。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の半
導体光素子において、半導体基板上に形成した段差の側
面部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、前記半
導体基板における前記段差の下段に前記端面発光型発光
ダイオードを形成したものである。

【０００９】請求項３記載の発明は、請求項１記載の半
導体光素子において、半導体基板上に形成した段差の側
面部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、前記半
導体基板における前記段差の上段に前記端面発光型発光
ダイオードを形成したものである。

【００１０】請求項４記載の発明は、請求項１記載の半
導体光素子において、半導体基板上に形成した溝の側面
部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、前記半導
体基板における前記溝の上段に前記端面発光型発光ダイ
オードを形成したものである。

【００１１】請求項５記載の発明は、請求項２記載の半
導体光素子において、該素子の上方から見て前記半導体
基板における前記フォトディテクタと前記発光ダイオー
ドとを結ぶ直線上で、前記発光ダイオードの前記フォト
ディテクタ側ではない方向に溝を設けたものである。

【００１２】請求項６記載の発明は、請求項３記載の半
導体光素子において、該素子の上方から見て前記半導体
基板における前記フォトディテクタと前記発光ダイオー
ドとを結ぶ直線上で、前記フォトディテクタの前記発光
ダイオード側ではない方向に溝を設けたものである。

【００１３】請求項７記載の発明は、請求項２または３
または４記載の半導体光素子を製造する半導体光素子製
造方法であって、前記半導体基板上に段差もしくは溝を
形成し、この段差もしくは溝の形成前もしくは形成後に
エピタキシャル成長法を用いて前記発光ダイオードを形
成し、これらの後に前記フォトディテクタをイオン注入
法を用いて形成する。

【００１４】請求項８記載の発明は、同一方向に対して
光の受発光を行うことのできる請求項１〜７のいずれか
１つに記載の半導体光素子を用いて並列光伝送を行う光
伝送方式であって、双方向とも同一構造の半導体素子を
用いて通信を行い、双方向とも同一の波長の光を用い、
装置がデータや命令を入力可能であるかどうかを示す第
１の信号以外の信号に対しては前記半導体光素子の受発
光を時系列で行い、前記第１の信号に対しては２つの前
記半導体光素子をそれぞれ受光専用と発光専用として割
り当てて並列光伝送を行うものである。

【００１５】

【００１６】

【作用】請求項１〜３記載の発明では、受光面の法線が
半導体基板面の法線と一致していない、つまり、受光面
が半導体基板に対して水平でないフォトディテクタと端
面発光型発光ダイオードとが半導体基板に対して水平方
向に、かつ、発光ダイオードの光出射方向とフォトディ
テクタの受光面の法線を前記半導体基板面に水平な成分
と垂直な成分に分解した場合の水平方向成分の方向とが
同一となるようにモノリシックに集積化されていること
から、発光ダイオードは半導体基板面に対して水平に光
を出射し、また、フォトディテクタは半導体基板面に対
して水平でかつ発光ダイオードの光出射方向からの光を
受光することが可能である。このため、半導体基板上部
から見た位置で、フォトディテクタと発光ダイオードを
結ぶ直線同一直線上に光ファイバーを配置することによ
って、光ファイバーに対して光の入射及び出射を行うこ
とができ、１本の光ファイバーで光の送信及び受信を行
うことが可能となる。

【００１７】請求項４〜６記載の発明では、半導体基板
における光の入出射面の前方から光の入出射方向に溝が
形成されていることから、この溝内に光ファイバーの一
部を埋設する形で光ファイバーの端面を半導体光素子の
光入出射部に近接させて配置することによって、光ファ
イバーと半導体光素子との光学的位置合わせを行うこと
ができる。

【００１８】請求項８記載の発明では、同一方向に対し
て光の受発光を行うことのできる請求項１〜７のいずれ
か１つに記載の半導体光素子を用いて並列光伝送を行う
光伝送方式であって、双方向とも同一構造の半導体素子
を用いて通信を行い、双方向とも同一の波長の光を用
い、装置がデータや命令を入力可能であるかどうかを示
す第１の信号以外の信号に対しては半導体光素子の受発
光を時系列で行い、第１の信号に対しては２つの半導体
光素子をそれぞれ受光専用と発光専用として割り当てて
並列光伝送を行う。

【００１９】

【００２０】

【実施例】図８（ａ）（ｂ）は本発明の第１実施例を示
す。この第１実施例は、請求項１，３記載の発明の実施
例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１上に１
段の階段状の段差１２が形成されている。半導体基板１
１における段差１２の側面（上段と下段との間の部分の
側面）にフォトダイオードからなるフォトディテクタ１
３が形成されて基板１１における段差１２の上段に端面
発光型発光ダイオード１４が形成されることにより、フ
ォトダイオード１３と発光ダイオード１４が半導体基板
１１に対して水平方向にモノリシックに集積化される。
フォトダイオード１３は受光面の法線１が半導体基板１
１面の法線５と一致していないように形成され、発光ダ
イオード１４の光出射方向２と、フォトダイオード１３
の受光面の法線１を基板面１１に水平な成分３と垂直な
成分４に分解した場合の水平方向成分３の方向とが同一
となっている。この第１実施例では、フォトダイオード
１３が発光ダイオード１４からの光出力１５と同一の方
向からの入力光１６を受光でき、同一の光ファイバーに
対して受発光を行うことができる。

【００２１】次に、この第１実施例の半導体光素子の作
製プロセスを説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓからなる半
導体基板１１上に通常のフォトリソグラフィー技術とウ
ェットエッチングを利用して段差１２を形成する。次
に、ウェハーの上部全面に基板１１側からｎ−Ａｌ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度３×１０¹⁷、膜厚１μｍ）
からなるクラッド層１７、ｎ−ＧａＡｓ（キャリア密度
８×１０¹⁶、膜厚０．０５μｍ）からなる活性層１８、
ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度１×１０¹⁸、膜
厚１μｍ）からなるクラッド層１９、ｐ−ＧａＡｓ（キ
ャリア密度１×１０²⁰、膜厚０．２μｍ）からなるコン
タクト層２０を有機金属気相成長法を用いてエピタキシ
ャル成長を行い、フォトリソグラフィー技術とＥＣＲ−
ＲＩＢＥを用いて、少なくとも基板１１に達するまでエ
ッチングを行い、基板１１面に対して垂直な光出射端面
を持つ端面発光型発光ダイオード１４を段差１２の上段
に形成すると同時に、受光面の法線が基板１１面と一致
しないフォトダイオード１３を段差１２の側面に形成す
る。

【００２２】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ₂からなる絶縁膜２１を形成し、ウェッ
トエッチングによってコンタクトホール２２，２３を形
成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロンスパッ
タ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリソグラ
フィー技術とＲＩＥを用いて配線電極２４，２５を形成
する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極２６とする。これによっ
て、発光及び受光機能を有する第１実施例の半導体光素
子が得られる。

【００２３】この第１実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。
すなわち、受光面の法線が基板面の法線と一致していな
い、つまり、受光面が基板１１に対して水平でないフォ
トダイオード１３と端面発光型発光ダイオード１４とが
基板１１に対して水平方向に、かつ、発光ダイオード１
４の光出射方向とフォトダイオード１３の受光面の法線
の水平方向成分とが同一となるようにモノリシックに集
積化されていることから、発光ダイオード１４は基板１
１面に対して水平に光を出射し、また、フォトダイオー
ド１３は基板１１面に対して水平でかつ発光ダイオード
１４の光出射方向からの光を受光することが可能であ
る。このため、基板１１の上部から見た位置で、フォト
ダイオード１３と発光ダイオード１４を結ぶ直線同一直
線上に光ファイバーを配置することによって、光ファイ
バーに対して光の入射及び出射を行うことができ、１本
の光ファイバーで光の送信及び受信を行うことが可能と
なる。

【００２４】また、第１実施例の製造方法では、発光ダ
イオード１４とフォトダイオード１３を同時に形成する
ことから、プロセスが簡便であるという特徴を有する。
但し、発光ダイオード１４とフォトダイオード１３が同
一の層構成となることから、発光ダイオード１４とフォ
トダイオード１３をそれぞれ個別に層構造の最適化を計
ることができない。

【００２５】図１（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を
示す。この第２実施例は請求項１，２記載の発明の実施
例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板３１上に１
段の階段状の段差３２が形成されている。半導体基板３
１における段差３２の側面（上段と下段との間の部分の
側面）にフォトダイオードからなるフォトディテクタ３
３が形成されて基板３１における段差３２の下段に端面
発光型発光ダイオード３４が形成されることにより、フ
ォトダイオード３３と発光ダイオード３４が半導体基板
３１に対して水平方向にモノリシックに集積化される。
フォトダイオード３３は受光面の法線が半導体基板３１
面の法線と一致していないように形成され、発光ダイオ
ード３４の光出射方向とフォトダイオード３３の受光面
の法線の水平方向成分とが同一となっている。この第２
実施例では、フォトダイオード３３が発光ダイオード３
４からの光出力３５と同一の方向からの入力光３６を受
光でき、同一の光ファイバーに対して受発光を行うこと
ができる。

【００２６】次に、この第２実施例の半導体光素子を製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例を
説明する。ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板３１上に通
常のフォトリソグラフィー技術とウェットエッチングを
利用して段差３２を形成する。次に、ウェハーの上部全
面に基板３１側からｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア
密度３×１０¹⁷、膜厚１μｍ）からなるクラッド層３
７、ｎ−ＧａＡｓ（キャリア密度８×１０¹⁶、膜厚０．
０５μｍ）からなる活性層３８、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａ
ｓ（キャリア密度１×１０¹⁸、膜厚１μｍ）からなるク
ラッド層３９、ｐ−ＧａＡｓ（キャリア密度１×１
０²⁰、膜厚０．２μｍ）からなるコンタクト層４０を有
機金属気相成長法を用いてエピタキシャル成長を行い、
フォトリソグラフィー技術とＥＣＲ−ＲＩＢＥを用い
て、少なくとも基板３１に達するまでエッチングを行
い、基板３１面に対して垂直な光出射端面を持つ端面発
光型発光ダイオード３４を段差３２の下段に形成する。
その後、イオン注入法を用いてＰ型不純物注入領域４７
を形成して、受光面の法線が基板３１面と一致しないフ
ォトダイオード３３を段差３２の側面に形成する。注入
イオンの活性化にはＲＴＡを用いて発光ダイオード３４
への影響を最小限にする。この工程を用いることによつ
て発光ダイオード３４作製時のフォトダイオード３３へ
の熱の影響を無くすことができる。このため、発光ダイ
オード３４とフォトダイオード３３の構造を、それぞれ
個別に最適化を行うことができる。

【００２７】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ₂からなる絶縁膜４１を形成し、ウェッ
トエッチングによってコンタクトホール４２，４３を形
成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロンスパッ
タ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリソグラ
フィー技術とＲＩＥを用いて配線電極４４，４５を形成
する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極４６とする。これによっ
て、発光及び受光機能を有する第２実施例の半導体光素
子が得られる。

【００２８】この第２実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。

【００２９】ところで、上記実施例の半導体光素子を製
造する場合には、発光ダイオードとフォトダイオードは
発光及び受光に対してそれぞれ最適化された構造とする
ことが望ましい。また、発光ダイオードにおいて端面発
光型で高い発光効率を得るためにはエピタキシャル成長
法を用いてヘテロ構造とすることが望ましい。しかし、
エピタキシャル成長は通常５００℃以上の高い温度で長
時間行われることから、それ以前にフォトダイオードが
形成されていた場合には不純物の拡散によって特性の変
化が生ずる。このため、上記第２実施例の半導体光素子
を製造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施
例では、半導体基板上に段差を形成し、これらの後に発
光ダイオードに対する熱の影響の少ないイオン注入法を
用いて基板にフォトダイオードを形成するので、発光ダ
イオードとフォトダイオードをそれぞれ個別に設計する
ことが可能となる。

【００３０】図２（ａ）（ｂ）は本発明の第３実施例を
示す。この第３実施例は請求項１，３記載の発明の実施
例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板５１上に１
段の階段状の段差５２が形成されている。半導体基板５
１における段差５２の側面（上段と下段との間の部分の
側面）にフォトダイオードからなるフォトディテクタ５
３が形成されて基板５１における段差５２の上段に端面
発光型発光ダイオード５４が形成されることにより、フ
ォトダイオード５３と発光ダイオード５４が半導体基板
５１に対して水平方向にモノリシックに集積化される。
フォトダイオード５３は受光面の法線が半導体基板５１
面の法線と一致していないように形成され、発光ダイオ
ード５４の光出射方向とフォトダイオード５３の受光面
の法線の水平方向成分とが同一となっている。この第３
実施例では、フォトダイオード５３が発光ダイオード５
４からの光出力５５と同一の方向からの入力光５６を受
光でき、同一の光ファイバーに対して受発光を行うこと
ができる。

【００３１】次に、この第３実施例の半導体光素子を製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例を
説明する。まず、ウェハーの上部全面に基板５１側から
ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度３×１０¹⁷、膜
厚１μｍ）からなるクラッド層５７、ｎ−ＧａＡｓ（キ
ャリア密度８×１０¹⁶、膜厚０．０５μｍ）からなる活
性層５８、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度１×
１０¹⁸、膜厚１μｍ）からなるクラッド層５９、ｐ−Ｇ
ａＡｓ（キャリア密度１×１０²⁰、膜厚０．２μｍ）か
らなるコンタクト層６０を有機金属気相成長法を用いて
エピタキシャル成長を行い、フォトリソグラフィー技術
とＥＣＲ−ＲＩＢＥを用いて、少なくとも基板５１に達
するまでエッチングを行い、基板５１面に対して垂直な
光出射端面を持つ端面発光型発光ダイオード５４を形成
する。次に、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板５１上に
通常のフォトグラフィー技術とウェットエッチング技術
を利用して段差５２を形成する。その後、イオン注入法
を用いてＰ型不純物注入領域６７を形成して、受光面の
法線が基板５１面と一致しないフォトダイオード５３を
段差５２の側面に形成する。注入イオンの活性化にはＲ
ＴＡを用いて発光ダイオード５４への影響を最小限にす
る。以上の工程を用いることによつて発光ダイオード５
４作製時のフォトダイオード５３への熱の影響を無くす
ことができる。このため、発光ダイオード５４とフォト
ダイオード５３の構造を、それぞれ個別に最適化を行う
ことができる。

【００３２】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ₂からなる絶縁膜６１を形成し、ウェッ
トエッチングによってコンタクトホール６２，６３を形
成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロンスパッ
タ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリソグラ
フィー技術とＲＩＥを用いて配線電極６４，６５を形成
する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極６６とする。これによっ
て、発光及び受光機能を有する第３実施例の半導体光素
子が得られる。

【００３３】この第３実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。
また、第３実施例の半導体光素子を製造する請求項７記
載の半導体光素子製造方法の実施例では、第２実施例の
半導体光素子を製造する請求項７記載の半導体光素子製
造方法の実施例と同様に発光ダイオードとフォトダイオ
ードをそれぞれ個別に設計することが可能となる。

【００３４】図３（ａ）（ｂ）は本発明の第４実施例を
示す。この第４実施例は請求項１，４，６記載の発明の
実施例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板７１上
に端面発光型発光ダイオード７４が形成され、この端面
発光型発光ダイオード７４の光出射端面前方から光出射
方向に向けて基板７１上に溝７２が形成され、基板７１
における溝７２の側面のうち発光ダイオード７４に近接
する面にフォトダイオードからなるフォトディテクタ７
３が形成されることにより、フォトダイオード７３と発
光ダイオード７４が半導体基板７１に対して水平方向に
モノリシックに集積化される。フォトダイオード７３は
受光面の法線が半導体基板７１面の法線と一致していな
いように形成され、発光ダイオード７４の光出射方向と
フォトダイオード７３の受光面の法線の水平方向成分と
が同一となっている。また、この第４実施例は、上方か
ら見てフォトダイオード７３と発光ダイオード７４とを
結ぶ直線上で、フォトダイオード７３の発光ダイオード
７４側でない方向に溝７２が設けられている。この第４
実施例では、フォトダイオード７３が発光ダイオード７
４からの光出力７５と同一の方向からの入力光７６を受
光でき、同一の光ファイバーに対して受発光を行うこと
ができる。

【００３５】次に、この第４実施例の半導体光素子の製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例を
説明する。まず、ウェハーの上部全面に基板７１側から
ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度３×１０¹⁷、膜
厚１μｍ）からなるクラッド層７７、ｎ−ＧａＡｓ（キ
ャリア密度８×１０¹⁶、膜厚０．０５μｍ）からなる活
性層７８、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度１×
１０¹⁸、膜厚１μｍ）からなるクラッド層７９、ｐ−Ｇ
ａＡｓ（キャリア密度１×１０²⁰、膜厚０．２μｍ）か
らなるコンタクト層８０を有機金属気相成長法を用いて
エピタキシャル成長を行い、フォトリソグラフィー技術
とＥＣＲ−ＲＩＢＥを用いて、少なくとも基板７１に達
するまでエッチングを行い、基板７１面に対して垂直な
光出射端面を持つ端面発光型発光ダイオード７４を形成
する。次に、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板７１上に
通常のフォトグラフィー技術とウェットエッチング技術
を利用して発光ダイオード７４の光出射端面前方から光
出射方向に向けて溝７２を形成する。その後、基板７１
における溝７２の側面のうち発光ダイオード７４に近接
する面にイオン注入法を用いてＰ型不純物注入領域８７
を形成して、受光面の法線が基板７１面と一致しないフ
ォトダイオード７３を形成する。注入イオンの活性化に
はＲＴＡを用いて発光ダイオード７４への影響を最小限
にする。以上の工程を用いることによつて発光ダイオー
ド７４作製時のフォトダイオード７３への熱の影響を無
くすことができる。このため、発光ダイオード７４とフ
ォトダイオード７３の構造を、それぞれ個別に最適化を
行うことができる。

【００３６】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ₂からなる絶縁膜８１を形成し、ウェッ
トエッチングによってコンタクトホール８２，８３を形
成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロンスパッ
タ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリソグラ
フィー技術とＲＩＥを用いて配線電極８４，８５を形成
する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極８６とする。これによっ
て、発光及び受光機能を有する第４実施例の半導体光素
子が得られる。

【００３７】この第４実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。
また、半導体基板７１には光の出入力方向と同一方向に
溝７２が設けられていることから、この溝７２内に光フ
ァイバーをその一部が埋設される形で端面が第４実施例
の光入出射面に近接するように設置することによって、
光ファイバーと第４実施例の半導体光素子との光学的な
位置合わせを行うことができる。また、第４実施例の半
導体光素子を製造する請求項７記載の半導体光素子製造
方法の実施例では、第３実施例の半導体光素子を製造す
る請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例と同様
に発光ダイオードとフォトダイオードをそれぞれ個別に
設計することが可能となる。

【００３８】図４は（ａ）（ｂ）は本発明の第５実施例
を示す。この第５実施例は請求項１，２，５記載の発明
の実施例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板９１
上に１段の階段状の段差９２が形成されている。半導体
基板９１における段差９２の側面（上段と下段との間の
部分の側面）にフォトダイオードからなるフォトディテ
クタ９３が形成されて基板９１における段差９２の下段
に端面発光型発光ダイオード９４が形成されることによ
り、フォトダイオード９３と発光ダイオード９４が半導
体基板９１に対して水平方向にモノリシックに集積化さ
れる。フォトダイオード９３は受光面の法線が半導体基
板９１面の法線と一致していないように形成され、発光
ダイオード９４の光出射方向とフォトダイオード９３の
受光面の法線の水平方向成分とが同一となっている。ま
た、この第５実施例は、上方から見てフォトダイオード
９３と発光ダイオード９４とを結ぶ直線上で、発光ダイ
オード９４のフォトダイオード９３側でない方向に溝１
０８が設けられている。この第５実施例では、フォトダ
イオード９３が発光ダイオード９４からの光出力９５と
同一の方向からの入力光９６を受光でき、同一の光ファ
イバーに対して受発光を行うことができる。

【００３９】次に、この第５実施例の半導体光素子の製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例を
説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板９１
上に通常のフォトリソグラフィー技術とウェットエッチ
ングを利用して段差９２を形成する。次に、ウェハーの
上部全面に基板９１側からｎ−Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａ
ｓ（キャリア密度３×１０^１７、膜厚１μｍ）からなる
クラッド層９７、ｎ−ＧａＡｓ（キャリア密度８×１０
^１６、膜厚０．０５μｍ）からなる活性層９８、ｐ−Ａ
ｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ（キャリア密度１×１０^１８、
膜厚１μｍ）からなるクラッド層９９、ｐ−ＧａＡｓ
（キャリア密度１×１０^２０、膜厚０．２μｍ）からな
るコンタクト層１００を有機金属気相成長法を用いてエ
ピタキシャル成長を行い、フォトリソグラフィー技術と
ＥＣＲ−ＲＩＢＥを用いて、少なくとも基板３１に達す
るまでエッチングを行い、基板９１面に対して垂直な光
出射端面を持つ端面発光型発光ダイオード９４を段差９
２の下段に形成する。その後、イオン注入法を用いてＰ
型不純物注入領域１０７を形成して、受光面の法線が基
板９１面と一致しないフォトダイオード９３を段差９２
の側面に形成する。注入イオンの活性化にはＲＴＡを用
いて発光ダイオード９４への影響を最小限にする。この
工程を用いることによつて発光ダイオード９４作製時の
フォトダイオード９３への熱の影響を無くすことができ
る。このため、発光ダイオード９４とフォトダイオード
９３の構造を、それぞれ個別に最適化を行うことができ
る。

【００４０】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ_２からなる絶縁膜１０１を形成し、ウェ
ットエッチングによってコンタクトホール１０２，１０
３を形成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロン
スパッタ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリ
ソグラフィー技術とＲＩＥを用いて配線電極１０４，１
０５を形成する。次に、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基
板９１上に通常のフォトグラフィー技術とウェットエッ
チング技術によって、素子上方から見てフォトダイオー
ド９３と発光ダイオード９４を結ぶ直線上で、発光ダイ
オード９４のフォトダイオード９３側でない方向に発光
ダイオード９４の光出射端面前方から光出射方向に向け
て溝１０８を形成する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用い
てＡｕ／Ｎｉ／Ａｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極１０６と
する。これによって、発光及び受光機能を有する第５実
施例の半導体光素子が得られる。

【００４１】この第５実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。
また、半導体基板９１には光の出入力方向と同一方向に
溝１０８が設けられていることから、この溝１０８内に
光ファイバーをその一部が埋設される形で端面が第５実
施例の光入出射面に近接するように設置することによっ
て、光ファイバーと第５実施例の半導体光素子との光学
的な位置合わせを行うことができる。また、第５実施例
の半導体光素子を製造する請求項７記載の半導体光素子
製造方法の実施例では、第３実施例の半導体光素子を製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例と
同様に発光ダイオードとフォトダイオードをそれぞれ個
別に設計することが可能となる。

【００４２】図５は（ａ）（ｂ）は本発明の第６実施例
を示す。この第６実施例は請求項１，３，６記載の発明
の実施例であり、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１
１上に１段の階段状の段差１１２が形成されている。半
導体基板１１１における段差１１２の側面（上段と下段
との間の部分の側面）にフォトダイオードからなるフォ
トディテクタ１１３が形成されて基板１１１における段
差１１２の上段に端面発光型発光ダイオード１１４が形
成されることにより、フォトダイオード１１３と発光ダ
イオード１１４が半導体基板１１１に対して水平方向に
モノリシックに集積化される。フォトダイオード１１３
は受光面の法線が半導体基板１１１面の法線と一致して
いないように形成され、発光ダイオード１１４の光出射
方向とフォトダイオード１１３の受光面の法線の水平方
向成分とが同一となっている。また、この第６実施例
は、上方から見てフォトダイオード１１３と発光ダイオ
ード１１４とを結ぶ直線上で、フォトダイオード１１３
の発光ダイオード１１４側でない方向に溝１２８が設け
られている。この第６実施例では、フォトダイオード１
１３が発光ダイオード１１４からの光出力１１５と同一
の方向からの入力光１１６を受光でき、同一の光ファイ
バーに対して受発光を行うことができる。

【００４３】次に、この第６実施例の半導体光素子の製
造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例を
説明する。まず、ウェハーの上部全面に基板１１１側か
らｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密度３×１０¹⁷、
膜厚１μｍ）からなるクラッド層１１７、ｎ−ＧａＡｓ
（キャリア密度８×１０¹⁶、膜厚０．０５μｍ）からな
る活性層１１８、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（キャリア密
度１×１０¹⁸、膜厚１μｍ）からなるクラッド層１１
９、ｐ−ＧａＡｓ（キャリア密度１×１０²⁰、膜厚０．
２μｍ）からなるコンタクト層１２０を有機金属気相成
長法を用いてエピタキシャル成長を行い、フォトリソグ
ラフィー技術とＥＣＲ−ＲＩＢＥを用いて、少なくとも
基板１１１に達するまでエッチングを行い、基板１１１
面に対して垂直な光出射端面を持つ端面発光型発光ダイ
オード１１４を形成する。次に、ｎ−ＧａＡｓからなる
半導体基板１１１上に通常のフォトグラフィー技術とウ
ェットエッチング技術を利用して段差１１２を形成す
る。その後、基板１１１における段差１１２の側面にイ
オン注入法を用いてＰ型不純物注入領域１２７を形成し
て、受光面の法線が基板１１１面と一致しないフォトダ
イオード１１３を形成する。注入イオンの活性化にはＲ
ＴＡを用いて発光ダイオード１１４への影響を最小限に
する。以上の工程を用いることによつて発光ダイオード
１１４作製時のフォトダイオード１１３への熱の影響を
無くすことができる。このため、発光ダイオード１１４
とフォトダイオード１１３の構造を、それぞれ個別に最
適化を行うことができる。

【００４４】次に、ウェハー全体にプラズマ気層成膜法
を用いてＳｉＯ₂からなる絶縁膜１２１を形成し、ウェ
ットエッチングによってコンタクトホール１２２，１２
３を形成する。次に、ウェハー全体にｒｆマグネトロン
スパッタ法によつてＡｌの膜を成膜し、通常のフォトリ
ソグラフィー技術とＲＩＥを用いて配線電極１２４，１
２５を形成する。次に、ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基
板１１１上に通常のフォトグラフィー技術とウェットエ
ッチング技術によって、素子上方から見てフォトダイオ
ード１１３と発光ダイオード１１４を結ぶ直線上で、フ
ォトダイオード１１３の発光ダイオード１１４側でない
方向にフォトダイオード１１３の光出射方向から発光ダ
イオード１１４の光出射端面前方に向けて溝１２８を形
成する。最後に、抵抗加熱蒸着法を用いてＡｕ／Ｎｉ／
Ａｕ−Ｇｅを成膜して裏面電極１２６とする。これによ
って、発光及び受光機能を有する第６実施例の半導体光
素子が得られる。

【００４５】この第６実施例は、光の入出力を同一方向
に行うことから、前方に光ファイバーを設置することに
よって、複雑な光学系を用いること無く、１本の光ファ
イバーで双方向通信を行うことができる利点を有する。
また、半導体基板１１１には光の出入力方向と同一方向
に溝１２８が設けられていることから、この溝１２８内
に光ファイバーをその一部が埋設される形で端面が第６
実施例の光入出射面に近接するように設置することによ
って、光ファイバーと第６実施例の半導体光素子との光
学的な位置合わせを行うことができる。また、第６実施
例の半導体光素子を製造する請求項７記載の半導体光素
子製造方法の実施例では、第３実施例の半導体光素子を
製造する請求項７記載の半導体光素子製造方法の実施例
と同様に発光ダイオードとフォトダイオードをそれぞれ
個別に設計することが可能となる。

【００４６】上記実施例においては、ＧａＡｓ／ＡｌＧ
ａＡｓ系半導体を用いたが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系
などの他の半導体を用いるようにしてもよい。また、上
記実施例では、エピタキシャル成長法として有機金属気
相成長法を用いたが、分子線エピタキシャル成長法や液
相成長法を用いるようにしてもよい。また、上記実施例
において述べた各相の組成及び膜厚については特に限定
されるものではない。

【００４７】図６は本発明の第７実施例の前提となる並
列光伝送用送受信モジュールを示す。この並列光伝送用
送受信モジュールは、請求項６記載の発明の実施例（例
えば上記第４実施例）の半導体光素子を同一基板上に直
線状に配置した半導体光素子アレー１３１の溝７２_１〜
７２_ｎにそれぞれ光ファイバー１３２_１〜１３２_ｎを、
その一部が埋設する形で端面が半導体光素子の光入出射
面に近接するように配置している。半導体光素子アレー
１３１の各半導体光素子の配線電極８４_１〜８４_ｎ，８
５_１〜８５_ｎは駆動ＩＣからなる駆動回路１３３に接続
され、装置がデータや命令を入力可能であるかどうかを
示す信号（以下ビジー信号と呼ぶ）以外の信号１３４は
光ファイバー１３２_１〜１３２_ｎ−２が１チャンネル当
り１本づつ駆動ＩＣ１３３を介して割り当てられ、ビジ
ー信号１３５は１チャンネル当り２本の光ファイバー１
３２_ｎ−１，１３２_ｎが駆動ＩＣ１３３を介して割り当
てられて半導体光素子アレー１３１及び駆動ＩＣ１３３
により並列光伝送用送受信モジュール１３６が構成され
る。

【００４８】ビジー信号１３５は駆動ＩＣ１３３及び半
導体光素子アレー１３１を介して１チャンネル当り２本
の光ファイバー１３２_n-1，１３２_nにより送受信され、
ビジー信号以外の信号１３４は駆動ＩＣ１３３及び半導
体光素子アレー１３１を介して１チャンネル当り１本づ
つの光ファイバー１３２₁〜１３２_n-2により送受信され
る。

【００４９】上記実施例の半導体光素子は、発光ダイオ
ードから出射された光が直接に、もしくは光ファイバー
の端面の反射でフォトダイオードに入射するから、光の
入出力を１個のみで同時に行うことはできない。しか
し、デジタル機器間の信号伝送においては、ビジー信号
を以外の信号は双方のデジタル機器から同時に信号を発
することはない。このため、並列光伝送用送受信モジュ
ール１３６では、ビジー信号以外の信号１３４は１チャ
ンネル当り１本づつの光ファイバー１３２_１〜１３２
_ｎ−２を割り当てたことにより、使用する光ファイバー
の本数を大幅に削減することができる。

【００５０】図７は本発明の第７実施例を示す。この第
７実施例は請求項８記載の発明の実施に用いたものであ
り、伝送を行う機器の双方に上記並列光伝送用送受信モ
ジュール１３６をそれぞれ用いている。ビジー信号以外
の信号１３８は１チャンネル当り１本づつの光ファイバ
ー１３２_１〜１３２_ｎ−２が割り当てられて上記実施例
の半導体光素子１３７_１１〜１３７_１ｎ，１３７_２１〜
１３７_２ｎ及び駆動用回路１３３_１１〜１３
３_１ｎ−１，１３３_２１〜１３３_２ｎ−１からなる並列
光伝送用送受信モジュール１３６を介して光ファイバー
１３２_１〜１３２_ｎ−２により時系列で送受信される。
ビジー信号以外のコントロール信号やデータバスでは、
複数の機器から同時に信号が発せられることはない。こ
のため、ビジー信号以外の信号１３８の並列光伝送が可
能となる。

【００５１】また、同時に複数の機器から信号が発せら
れることがあるビジー信号１３９は１チャンネル当り２
本の光ファイバー１３２_n-1，１３２_nが割り当てられ、
上記実施例の半導体光素子１３７_1n-1，１３７_1n，１３
７_2n-1，１３７_2nが受光専用半導体光素子１３７_1n，１
３７_2n及び発光専用半導体光素子１３７_1n-1，１３７
_2n-1とされて光ファイバー１３２₁〜１３２_n-2に対する
各々の光伝送方向が１方向のみとされることによって見
かけ上論理和機能が持たせられている。すなわち、ビジ
ー信号１３９は半導体光素子１３７_1n-1〜１３７_1n，１
３７_2n-1〜１３７_2n、駆動用回路１３３₁₁〜１３
３_1n-1，１３３₂₁〜１３３_2n-1からなる並列光伝送用送
受信モジュール１３６を介して光ファイバー１３２₁〜
１３２_n-2により送受信される。この第８実施例では、
ビジー信号以外の信号１３８は１チャンネル当り１本づ
つの光ファイバー１３２₁〜１３２_n-2を割り当てたこと
により、使用する光ファイバーの本数を大幅に削減する
ことができる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、半導体基板に対して水平方向にモノリシックに集積
化され、受光面の法線が前記半導体基板面の法線と一致
していないフォトディテクタと、端面発光型発光ダイオ
ードとを有し、この発光ダイオードの光出射方向と前記
フォトディテクタの受光面の法線を前記半導体基板面に
水平な成分と垂直な成分に分解した場合の水平方向成分
の方向とを同一とし同一の光ファイバーで受発光を可能
としたので、光ファイバーに対して光の入射及び出射を
行うことができ、１チャンネル当り１本の光ファイバー
で光の送信及び受信を行うことが可能となる。

【００５３】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の半導体光素子において、半導体基板上に形成した段
差の側面部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、
前記半導体基板における前記段差の下段に前記端面発光
型発光ダイオードを形成したので、光ファイバーに対し
て光の入射及び出射を行うことができ、１本の光ファイ
バーで光の送信及び受信を行うことが可能となる。

【００５４】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の半導体光素子において、半導体基板上に形成した段
差の側面部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、
前記半導体基板における前記段差の上段に前記端面発光
型発光ダイオードを形成したので、光ファイバーに対し
て光の入射及び出射を行うことができ、１本の光ファイ
バーで光の送信及び受信を行うことが可能となる。

【００５５】請求項４記載の発明によれば、請求項１記
載の半導体光素子において、半導体基板上に形成した溝
の側面部分に前記フォトディテクタを形成し、かつ、前
記半導体基板における前記溝の上段に前記端面発光型発
光ダイオードを形成したので、光ファイバーに対して光
の入射及び出射を行うことができて１本の光ファイバー
で光の送信及び受信を行うことが可能となり、溝内に光
ファイバーをその一部が埋設される形でその端面が半導
体光素子光入出射面に近接するように設置することによ
って、光ファイバーとの光学的な位置合わせを行うこと
ができる。

【００５６】請求項５記載の発明によれば、請求項２記
載の半導体光素子において、該素子の上方から見て前記
半導体基板における前記フォトディテクタと前記発光ダ
イオードとを結ぶ直線上で、前記発光ダイオードの前記
フォトディテクタ側ではない方向に溝を設けたので、光
ファイバーに対して光の入射及び出射を行うことができ
て１本の光ファイバーで光の送信及び受信を行うことが
可能となり、溝内に光ファイバーをその一部が埋設され
る形でその端面が半導体光素子光入出射面に近接するよ
うに設置することによって、光ファイバーとの光学的な
位置合わせを行うことができる。

【００５７】請求項６記載の発明によれば、請求項３記
載の半導体光素子において、該素子の上方から見て前記
半導体基板における前記フォトディテクタと前記発光ダ
イオードとを結ぶ直線上で、前記フォトディテクタの前
記発光ダイオード側ではない方向に溝を設けたので、光
ファイバーに対して光の入射及び出射を行うことができ
て１本の光ファイバーで光の送信及び受信を行うことが
可能となり、溝内に光ファイバーをその一部が埋設され
る形でその端面が半導体光素子光入出射面に近接するよ
うに設置することによって、光ファイバーとの光学的な
位置合わせを行うことができる。

【００５８】請求項７記載の発明によれば、請求項２ま
たは３または４記載の半導体光素子を製造する半導体光
素子製造方法であって、前記半導体基板上に段差もしく
は溝を形成し、この段差もしくは溝の形成前もしくは形
成後にエピタキシャル成長法を用いて前記発光ダイオー
ドを形成し、これらの後に前記フォトディテクタをイオ
ン注入法を用いて形成するので、発光ダイオードとフォ
トダイオードをそれぞれ個別に設計することが可能とな
る。

【００５９】請求項８記載の発明によれば、同一方向に
対して光の受発光を行うことのできる請求項１〜７のい
ずれか１つに記載の半導体光素子を用いて並列光伝送を
行う光伝送方式であって、双方向とも同一構造の半導体
素子を用いて通信を行い、双方向とも同一の波長の光を
用い、装置がデータや命令を入力可能であるかどうかを
示す第１の信号以外の信号に対しては前記半導体光素子
の受発光を時系列で行い、前記第１の信号に対しては２
つの前記半導体光素子をそれぞれ受光専用と発光専用と
して割り当てて並列光伝送を行うので、使用光ファイバ
ーを大幅に削減できる。

【００６０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【図２】本発明の第３実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【図３】本発明の第４実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【図４】本発明の第５実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【図５】本発明の第６実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【図６】本発明の第７実施例の前提となる並列光伝送用
送受信モジュールを示す平面図である。

【図７】本発明の第７実施例を示す概略図である。

【図８】本発明の第１実施例を示す斜視図及び断面図で
ある。

【符号の説明】

１１，３１，５１，７１，９１，１１１ 半導体基
板 １２，３２，５２，９２，１１２ 段差 １３，３３，５３，７３，９３，１１３ フォトダ
イオード １４，３４，５４，７４，９４，１１４ 発光ダイ
オード ７２，１０８，１２８ 溝 １３１ 半導体光素子アレー １３２_１〜１３２_ｎ 光ファイバー １３３ 駆動ＩＣ １３３_１１〜１３３_１ｎ−１，１３３_２１〜１３３
_２ｎ−１ 駆動用回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/15 H01L 33/00 H01L 31/10

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に対して水平方向にモノリシッ
   クに集積化され、受光面の法線が前記半導体基板面の法
   線と一致していないフォトディテクタと、端面発光型発
   光ダイオードとを有し、この発光ダイオードの光出射方
   向と前記フォトディテクタの受光面の法線を前記半導体
   基板面に水平な成分と垂直な成分に分解した場合の水平
   方向成分の方向とを同一とし同一の光ファイバーで受発
   光を可能としたことを特徴とする半導体光素子。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体光素子において、半
   導体基板上に形成した段差の側面部分に前記フォトディ
   テクタを形成し、かつ、前記半導体基板における前記段
   差の下段に前記端面発光型発光ダイオードを形成したこ
   とを特徴とする半導体光素子。
3. 【請求項３】請求項１記載の半導体光素子において、半
   導体基板上に形成した段差の側面部分に前記フォトディ
   テクタを形成し、かつ、前記半導体基板における前記段
   差の上段に前記端面発光型発光ダイオードを形成したこ
   とを特徴とする半導体光素子。
4. 【請求項４】請求項１記載の半導体光素子において、半
   導体基板上に形成した溝の側面部分に前記フォトディテ
   クタを形成し、かつ、前記半導体基板における前記溝の
   上段に前記端面発光型発光ダイオードを形成したことを
   特徴とする半導体光素子。
5. 【請求項５】請求項２記載の半導体光素子において、該
   素子の上方から見て前記半導体基板における前記フォト
   ディテクタと前記発光ダイオードとを結ぶ直線上で、前
   記発光ダイオードの前記フォトディテクタ側ではない方
   向に溝を設けたことを特徴とする半導体光素子。
6. 【請求項６】請求項３記載の半導体光素子において、該
   素子の上方から見て前記半導体基板における前記フォト
   ディテクタと前記発光ダイオードとを結ぶ直線上で、前
   記フォトディテクタの前記発光ダイオード側ではない方
   向に溝を設けたことを特徴とする半導体光素子。
7. 【請求項７】請求項２または３または４記載の半導体光
   素子を製造する半導体光素子製造方法であって、前記半
   導体基板上に段差もしくは溝を形成し、この段差もしく
   は溝の形成前もしくは形成後にエピタキシャル成長法を
   用いて前記発光ダイオードを形成し、これらの後に前記
   フォトディテクタをイオン注入法を用いて形成すること
   を特徴とする半導体光素子製造方法。
8. 【請求項８】同一方向に対して光の受発光を行うことの
   できる請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体光素
   子を用いて並列光伝送を行う光伝送方式であって、双方
   向とも同一構造の半導体素子を用いて通信を行い、双方
   向とも同一の波長の光を用い、装置がデータや命令を入
   力可能であるかどうかを示す第１の信号以外の信号に対
   しては前記半導体光素子の受発光を時系列で行い、前記
   第１の信号に対しては２つの前記半導体光素子をそれぞ
   れ受光専用と発光専用として割り当てて並列光伝送を行
   うことを特徴とする光伝送方式。