JP3638515B2 - 垂直共振器型半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と垂直方向に光を出射する垂直共振器型の半導体発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
共振器型発光ダイオード(以下RCLED(Resonant-Cavity Light Emitting Diode) と記す)は、垂直共振器型面発光レーザ(以下VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)と記す)と類似な構造をした発光素子で、光出射側の反射率を低く設定することにより、レーザ発振させないでLEDモードで動作する発光素子である。RCLEDは、通常のLEDと比べると、共振器構造の効果により、1)発光スペクトル線幅が狭い、2)出射光の指向性が高い、3)自然放出によるキャリア寿命が短い、などの特徴がある。このため、RCLEDは、通常のLEDと比べて、光LANや光データリンク向けの送信光源として非常に適しており、特に伝送速度が100Mbps〜1Gbps程度において重要な役割を果たす発光素子である。
【0003】
図5は従来例であり、特開平5−218500に示されているものと概略同一構成のRCLEDの構造断面図である。以下、この従来例のRCLEDの作成法を簡単にのべる。まず半導体基板509上に、バッファ層508、屈折率の異なる半導体を交互に積層してなる下部DBR(Distibuted Bragg Reflector)ミラー507、下部クラッド層506、活性層505、上部クラッド層503を順次結晶成長する。次いで、電流閉じ込めのための高抵抗半導体を形成するために、酸素を選択的にイオン注入して、酸素注入領域504を形成した後、上部DBRミラー502を結晶成長する。次いで、裏面研磨と表面電極501と裏面電極509の形成とを行い図5のようなRCLEDが作成される。このとき、下部DBRミラーの反射率を約99%、上部DBRミラーの反射率を約90%ととし、活性層で発光した光は上部DBRミラー側から選択的に取り出せる構造とする。また、基板表面から外部に光が取り出すために、表面電極は、電流が閉じ込められる発光領域の直上に開口を設ける。
【0004】
RCLEDはLEDモードで発光する光を用いるので、素子の応答速度は活性層でのキャリア寿命で概ね決まる。このため、発光領域が小さいほど、電流密度(キャリア密度)が高く、キャリア寿命が短いので、高速応答性は優れる。一方、十分な光出力を得るためには、発光領域を大きくする必要がある。通常、100Mbps〜1Gbps程度の伝送速度で用いるRCLEDの発光径は、30〜100μm程度大きさであり、発光径が10μm程度のVCSELと比べると素子サイズは非常に大きくなる。このため、RCLEDでは、発光領域の大きさに起因した容量は非常に大きい。
【0005】
ところで、図5の従来例のRCLED構造では、発光領域での容量に加えて、周辺部での容量も非常に大きい。これは、素子周辺部の大部分の領域がp−i−n構造となっていることと、表面電極501から注入される電流が非常に広がり幅を持っていることによる。このため、比較的大きな発光領域での容量に加え、周辺部の容量により、素子全体の容量は非常に大きいく、高速動作させるのが困難である。また、駆動用ICの設計も非常に難しくなる。
【0006】
従来構造のRCLEDにおいて、素子の低容量化を図る方法としては、素子周辺部をメサ状に加工することや、ワイアボディングのためのボンディングパッドと素子表面の間にSiO2膜を挿入することなどが考えられる。しかしながら、これらは製造工程が複雑になるため、製造歩留まり低下とコスト上昇を避けて通れない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域における容量に加え、発光領域周辺部の付加的な容量が非常に大きく、素子全体の容量が非常に大きいという問題があった。このため、素子の高速動作が難しいという課題と、加えて、駆動用のICの設計マージンが小さく設計が難しいという課題があった。
【0008】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、活性層の上下に半導体DBRミラーを配置するとともに、高抵抗半導体を電流狭窄に用いた垂直共振器型発光素子において、発光領域周辺部における付加的な容量を低減し、高速動作を可能とすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、この基板上に形成された第1の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、この第1の半導体分布ブラッグ反射型ミラー上に形成された少なくとも発光層となる活性層を含む半導体層と、この活性層を含む半導体層上に形成された第2の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、発光領域周辺部に形成された電流閉じ込めのための高抵抗半導体領域とを具備し、光出射領域を凸部とした凸型形状をなすとともに、基板表面側電極におけるオーミック電極部は凸部上に設けられ、ボンディングパッド部は凸部周辺部において高抵抗半導体に接触して設けられたこと特徴とする垂直共振器型半導体発光素子を提供する。
【0010】
このように構成された本発明の垂直共振器型半導体発光素子は、高抵抗半導体領域を活性近傍の基板の内部にのみ形成し、基板の一部をエッチング除去して高抵抗半導体を露出させ、高抵抗半導体上にボンディングパッドを形成することが特徴であり、素子周辺部の付加的な容量は小さい。さらに、電流注入のためのコンタクト電極は面積の広い低抵抗半導体上に形成するので、位置あわせが非常に容易である。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図である。また図2は同じく第1の実施形態に係わるRCLEDの素子表面の電極パターン図である。図1は、図2におけるA−A'での断面図に相当する。素子表面の電極は、内部に光取り出し窓201の開口部を有するリング状コンタクト電極202とワイアボンディングのためのボンディングパッド203とにより構成されている。本実施例は、活性層にInGaAlP系多重量子井戸(MQW)構造を用いた発光波長が約660nmの赤色RCLEDで、製造方法を簡単に説明すると以下の通りである。
【0014】
まず、n型GaAs基板110に、n型GaAsバッファ層109、AlGaAs系n型DBRミラー106、n型InGaAlPクラッド層105、発光ピーク波長が650nmとなるように調整されたInGaAlP系MQW活性層108、p型InGaAlPクラッド層104、AlGaAs系p型DBRミラー103、p型GaAsコンタクト層102をMOCVD法により順次結晶成長する。このとき、AlGaAs系DBRミラーは、Al0.95Ga0.05AsとAl0.5Ga0.5Asを交互に積層した構造で、繰り返し数は、n型DBRミラーでは40、p型DBRミラーでは10とした。また、活性層上下のDBRミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約660nmとなるようにした。次に、発光領域となる直径70μmの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域107を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は、200kV、130kV、60kVの3段階に設定し、それぞれの加速電圧でのドーズ量をすべて1×1015cm−2とした。次に、p側電極101を形成する。リングコンタクト部の電極内径は60μmとし、幅5μmのリング状領域でオーミックコンタクトが形成される。次に、基板の厚さが約150μmの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、n側電極111を形成して、素子構造が完成する。なお基板表面最終層のGaAsコンタクト層は、波長660nmの光を吸収するので、厚さを5nmと十分薄くした。
【0015】
本実施形態においては、活性層から基板表面までの厚さは約1μmであり、上記の条件でプロトンをイオン注入すると、基板表面から深さ1.5μm付近の領域までがすべて高抵抗化される。したがって、プロトンが注入された発光領域周辺部においては、pn接合が存在しないため接合容量が発生しない。また、基板表面においても、電流は発光領域直上の幅5μmのリング領域のみから注入されるため、電流広がりが十分小さく、発光領域のpn接合以外の付加的な容量がほとんど発生しない。作製した素子の容量を、ゼロバイアス状態で測定すると約3pFであり、LEDとしてはきわめて低容量であった。同一素子サイズの従来構造のRCLEDにおける素子容量は約70pFであり、本実施形態のLEDを用いることにより素子容量は20分の1以下に低減された。また、注入電流が20mAのとき、動作電圧は約2.1Vと十分低く、光出力は約2mWと十分大きかった。さらに、作製したRCLEDを、ピーキング回路と逆バイアス回路を内蔵する駆動ICで駆動することで、約1Gbpsまでの高速変調が可能であった。なお、素子容量が約70pFときわめて大きい従来構造のRCLEDでは、素子の変調帯域はCR時定数で制限されるために、ピーキング・逆バイアスを用いて駆動しても、変調帯域は約250Mbps程度であり、本実施形態のLEDを用いることで約4倍の高速化が可能となった。
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図である。第1の実施形態と同様に、活性層にInGaAlP系多重量子井戸(MQW)構造を用いた発光波長が約660nmの赤色RCLEDで、製造方法を説明すると以下の通りである。
【0016】
まず、n型GaAs基板310に、n型GaAsバッファ層309、AlGaAs系n型DBRミラー306、n型InGaAlPクラッド層305、発光ピーク波長が650nmとなるように調整されたInGaAlP系MQW活性層308、p型InGaAlPクラッド層304、AlGaAs系p型DBRミラー303、p型GaAsコンタクト層302をMOCVD法により順次結晶成長する。このとき、AlGaAs系DBRミラーは、Al0.95Ga0.05AsとAl0.5Ga0.5Asを交互に積層した構造で、繰り返し数は、n型DBRミラーでは40、p型DBRミラーでは10とした。また、活性層上下のDBRミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約660nmとなるようにした。次に、発光領域となる直径70μmの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域307を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は、200kV、ドーズ量は3×1015cm−2とし、イオン注入後に500℃で10分のアニールを行った。次に、非プロトン注入領域である発光領域と同心で直径90μmを除く領域において、約0.5μmのエッチングを施し、メサを形成する。次に、p側電極301を形成する。リングコンタクト電極部は、内径は60μmおよび外径80μmとし、幅10μmのリングとした。また、ワイアボンディング用のボンディングパッドは、メサの外側の領域に形成した。次に、基板の厚さが約150μmの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、n側電極311を形成して、素子構造が完成する。
【0017】
このようにして作製したRCLEDでは、プロトンを注入した領域は、素子の内部でのみ高抵抗であり、素子表面付近は低抵抗となる。また、約0.5μmのエッチングを施した領域では高抵抗が露出される。したがって、電流注入のためのリング電極は低抵抗領域上に、またボンディングパッドは高抵抗領域上に形成される。また、第1の実施形態と同様に、発光領域周辺部にはpn接合は存在しない。したがって、素子の容量は十分に小さく、第1の実施形態とほぼ同じ特性のRCLED得ることができた。比較的広い低抵抗領域でリング状のオーミックコンタクトを形成するため、表面電極形成時の位置合わせが非常に容易になることが、第2の実施形態のRCLEDにおける特徴である。
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図である。第1および第2の実施形態と同様に、活性層にInGaAlP系多重量子井戸(MQW)構造を用いた発光波長が約660nmの赤色RCLEDで、製造方法を説明すると以下の通りである。
【0018】
まず、n型GaAs基板410に、n型GaAsバッファ層409、AlGaAs系n型DBRミラー406、n型InGaAlPクラッド層405、発光ピーク波長が650nmとなるように調整されたInGaAlP系MQW活性層408、p型InGaAlPクラッド層404、AlGaAs系p型DBRミラー403、p型GaAsコンタクト層402をMOCVD法により順次結晶成長する。このとき、AlGaAs系DBRミラーは、Al0.95Ga0.05AsとAl0.5Ga0.5Asを交互に積層した構造で、繰り返し数は、n型DBRミラーでは40、p型DBRミラーでは10とした。また、活性層上下のDBRミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約660nmとなるようにした。次に、発光領域となる直径70μmの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して第1の高抵抗領域407を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は200kVに設定し、ドーズ量は3×1015cm−2とし、イオン注入後に500℃で10分のアニールを行った。次に、第1の高抵抗領域407と同心で直径が90μmの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して第2の高抵抗領域412を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は40kVに設定し、ドーズ量は1×1015cm−2とした。次に、p側電極401を形成する。リングコンタクト部の電極内径は70μmとし、幅10μmのリング状領域でオーミックコンタクトが形成される。次に、基板の厚さが約150μmの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、n側電極411を形成して、素子構造が完成する。なお基板表面最終層のGaAsコンタクト層は、波長660nmの光を吸収するので、厚さを5nmと十分薄くした。
【0019】
この第3の実施形態のRCLEDでは、第1の実施形態と比べると作製工程は複雑であるが、1)オーミック電極の面積が広いので位置合わせ精度に余裕がある、2)p側DBR中の電流経路が広いので低抵抗化が可能である、第1の実施形態にはない特徴を有する。
【0020】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部が素子表面から活性層にいたるまで、すべて高抵抗化されているため、接合容量に起因する付加的な容量がなく、素子全体の容量は発光領域のpn接合のみで決まる。このため、素子容量が非常に小さく高速動作が可能であるとともに、駆動用ICも容易に設計することが可能である。加えて、素子の作製工程は非常に簡単で、低コスト性も優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図2】第1の実施形態に係わるRCLEDの表面電極パターン図。
【図3】第2の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図4】第2の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図5】従来の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
101,301,401…p電極
102,302,402…p型GaAsコンタクト層
103,303,403…AlGaAs系p側DBRミラー
104,304,404…p型InGaAlPクラッド層
105,305,405…n型InGaAlPクラッド層
106,306,406…AlGaAs系n側DBRミラー
107,307…プロトン注入領域
108,308,408…InGaAlP系MQW活性層
109,309,409…n型GaAsバッファ層
110,310,410…n型GaAs基板
111,311,411…n電極
201…光取り出し窓
202…リングコンタクト電極
203…ボンディングパッド
407…第1のプロトン注入領域
412…第2のプロトン注入領域
501…表面電極
502…上部DBRミラー
503…上部クラッド層
504…酸素注入領域
505…活性層
506…下部クラッド層
507…下部DBRミラー
508…バッファ層
509…半導体基板
510…裏面電極
Claims (1)
- 基板と、この基板上に形成された第1の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、この第1の半導体分布ブラッグ反射型ミラー上に形成された少なくとも発光層となる活性層を含む半導体層と、この活性層を含む半導体層上に形成された第2の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、発光領域周辺部に形成された電流閉じ込めのための高抵抗半導体領域とを具備し、光出射領域を凸部とした凸型形状をなすとともに、基板表面側電極におけるオーミック電極部は凸部上に設けられ、ボンディングパッド部は凸部周辺部において高抵抗半導体に接触して設けられたこと特徴とする垂直共振器型半導体発光素子。
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