JP4687358B2

JP4687358B2 - 通信用発光素子及びそれを用いた光通信装置

Info

Publication number: JP4687358B2
Application number: JP2005283933A
Authority: JP
Inventors: 昌伸千田; 直樹柴田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: JP2007096026A

Description

本発明は、光通信用のIII族窒化物系化合物半導体を用いた発光素子に関する。例えば、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた通信システムの光送信器に用いることができる。

最近、プラスチックオプテカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた短距離のＬＡＮ通信の光源に発光ダイオードを用いたシステムが知られている。そのシステムでは、光通信用の発光素子として、GaAs系の化合物半導体を用いた赤色の発光ダイオードが用いられ、発光ダイオードを用いた短距離通信が盛んに研究開発されている。一例として高域遮断周波数が３０MHzの赤色の発光ダイオード（非特許文献１）や、７５ＭＨｚのＲｅｓｏｎａｎｔＣａｖｉｔｙ構造の赤色発光ダイオード（特許文献１、非特許文献２）がある。尚、発光効率と遮断周波数の関係は例えば下記非特許文献３に記載がある。
特開２０００−２９９４９３ http://www.daido.co.jp/products/led/med8p.html 加藤俊宏「ＰＯＦ通信用高速赤色点光源ＬＥＤ」光アライアンス２００２．３、２５〜２８頁米津宏雄「光通信素子光学」光学図書株式会社、１０９〜１１０頁

ＰＯＦの伝送損失は、短波長の波長領域、例えば、発光波長４５０nm〜５５０nmの領域で小さい。また赤色発光ダイオードは、発光波長の温度依存性が高い。そこで、ＰＯＦを用いた光通信には、赤色の光を用いるよりは、発光波長４５０nm〜５５０nmの領域の光を発光する発光ダイオードを用いることが望ましい。そのためには、III族窒化物系化合物半導体を用いた発光ダイオードを光通信用の光源として用いることが考えられる。

しかしながら、現在のIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードを用いたのでは、応答速度が遅く高域遮断周波数が約３０MHzであり低いという問題がある。また、一般に通信用ＬＥＤにおいては、光強度と通信速度がトレードオフの関係にあり、通信速度を向上させると光強度又は発光効率が低下していた（上記非特許文献３）。更に、III族窒化物系化合物半導体発光ダイオードをＲＣ構造にすることは、研究はされているものの、実用化には至っていない。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、光通信用に用いるIII族窒化物系化合物半導体発光ダイオードの応答速度を向上させて高域遮断周波数を高くすると共に光強度を低下させないことである。

請求項１に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体を発光層とした通信用発光素子において、結晶成長側の面に凹凸加工が施されて凸部がドット状に点在した基板と、基板上に成長された発光層を含むIII族窒化物系化合物半導体の積層とを有し、基板の結晶成長側の面に存在する凸部は、平方ミリメートルあたり４万個以上点在し、積層は、凸部の周辺部における結晶欠陥が、凹凸加工がない場合に比べて、増加した層であり、発光層は単一量子井戸構造としたことを特徴とする通信用発光素子である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の通信用発光素子をＰＯＦに接続したことを特徴とする光通信装置である。

結晶成長面側に凹凸を有する加工基板を用い、いわゆる横方向成長でないエピタキシャル成長を行ったならば、凸部周辺に結晶欠陥が増加する。即ち、横方向成長であれば結晶欠陥を低減させることができるが、横方向成長をしなければ結晶欠陥は低減せず、却って増加する。これにより、順方向電圧のオン、オフに対する応答が速くなる。

結晶欠陥が多いことで順方向電圧のオン、オフに対する応答が速くなる理由は次の通りである。電源オン時には、発光層にキャリアが蓄積されるまでの時間と再結合に至る迄の時間が必要であり、これが立ち上がり時間である。一方、電源オフ時には、発光層に蓄積されていたキャリアが全て再結合して消滅する迄の時間が必要であり、これが立ち下がり時間である。III族窒化物系化合物半導体は、この立ち下がり時間が１０ｎｓを越えており長かった。一方、立ち上がり時間は立ち下がり時間よりも短いが、やはり１０ｎｓを越えており長かった。本願発明によれば、欠陥を増加させ、欠陥での非発光の再結合を増加させることでキャリアの寿命を短くできるので、これら立ち上がり時間と立ち下がり時間をいずれも短くすることで遮断周波数を向上させることができる。

また、凹凸を有する加工基板を用いたので、当該発光素子からの光取り出し効率も向上させることができる。これにより、遮断周波数を高くしながら、光強度の大きい通信用発光素子とすることが可能となる。

本発明の適用される半導体発光素子の半導体材料は限定されるものではないが、半導体発光素子をIII族窒化物半導体で構成した場合には、形成する各半導体層は、少なくともAl_xGa_yIn_1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体等で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン（B）、タリウム（Tl）で置き換えても良く、また、窒素（N）の一部をリン（P）、砒素（As）、アンチモン（Sb）、ビスマス（Bi）で置き換えても良い。

更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。

また、これらの半導体層を結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。エピタキシャル成長側に設ける表面の凹凸は、任意の方法により形成できる。例えば研磨による場合やエッチングによる場合については特開２００３−１９７９６１号公報記載の技術を用いることができる。凸部を点在させる場合、その配置は任意であり、単位が正方形の格子点や単位が正三角形状に設けることができる。

また、これらの半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。

図１に、本発明の実施例に係る通信用の半導体発光素子１００の模式的な断面図を示す。図１では明示していないが、サファイヤ基板１０１は素子形成側の面にエッチングにより凹凸が形成されており、凸部がドット状に点在している。その凸部は断面が台形状であり、平方ミリメートルあたり５万個の密度で形成された。図１の半導体発光素子１００は、凹凸を有する厚さ約３００μmのサファイヤ基板１０１の上に、窒化アルミニウム(AlN)から成る膜厚約３０nmのバッファ層１０２が成膜され、その上にシリコン(Si)ドープのGaNから成る膜厚約４μmのｎ型コンタクト層１０３（高キャリヤ濃度ｎ⁺層）が形成されている。また、このｎ型コンタクト層１０３の上には、膜厚約１００nmのSiドープのAl_0.3Ga_0.7Nから成るｎ型半導体層１０４が形成され、更にその上には、発光層１０５が形成されている。

更に、この発光層１０５の上には、Mgドープのｐ型Al_0.2Ga_0.8Nから成る膜厚約３０nmのｐ型半導体層１０６が形成されており、また、ｐ型半導体層１０６の上には、Mgドープのｐ型Al_0.06Ga_0.94Nから成る膜厚約７０nmのｐ型コンタクト層１０７が形成されている。

又、ｐ型コンタクト層１０７の上には金属蒸着による透光性薄膜正電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０３上には負電極１４０が形成されている。透光性薄膜正電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０７に直接接合する膜厚約１．５nmのコバルト(Co)より成る薄膜正電極第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金（Au）より成る薄膜正電極第２層１１２とで構成されている。

厚膜正電極１２０は、膜厚約１８nmのバナジウム（V）より成る厚膜正電極第１層１２１と、膜厚約１．５μｍの金（Au）より成る厚膜正電極第２層１２２と、膜厚約１０nmのアルミニウム（Al）より成る厚膜正電極第３層１２３とを透光性薄膜正電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造の負電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０３の一部露出された部分の上から、膜厚約１８nmのバナジウム(V)層１４１と膜厚約１００nmのアルミニウム(Al)層１４２とを積層させることにより構成されている。

また、最上部には、SiO₂膜より成る保護膜１３０が形成されている。
サファイヤ基板１０１の底面に当たる反対側の最下部には、膜厚約５００nmのアルミニウム（Al）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh,Ti,W等の金属の他、TiN,HfN等の窒化物でも良い。

発光層１０５は単一量子井戸構造であり、膜厚約３nmのIn_0.25Ga_0.75Nの井戸層で構成されている。また、発光部の面積は０．０２２mm²とした。

このような通信用の半導体発光素子１００の特性を測定した。発光波長は５００ｎｍ、光出力は２．１ｍＷ、小信号遮断周波数は４５ＭＨｚと測定された。尚、電源オンから光出力が安定値の９０％に達するまでの立ち上がり時間は５．４ｎｓ、電源オフから光出力が安定値の１０％を切るまでの立ち下がり時間は１０．０ｎｓであった。

〔比較例１〕
表面に凹凸を有するサファイア基板１０１の代わりに、表面加工をしないサファイア基板を用いたほかは、上記実施例と全く同様に形成した半導体発光素子を第１の比較例として形成し、その特性を測定した。発光波長は５００ｎｍ、光出力は１．６ｍＷ、小信号遮断周波数は３８ＭＨｚと測定された。尚、電源オンから光出力が安定値の９０％に達するまでの立ち上がり時間は６．５ｎｓ、電源オフから光出力が安定値の１０％を切るまでの立ち下がり時間は１２．０ｎｓであった。この比較例１に対し、表面に凹凸を有するサファイア基板１０１を用いた実施例１の通信用の半導体発光素子１００は、光出力で３１％の向上が得られ、遮断周波数においては１８％の向上が得られた。

〔比較例２〕
表面に凹凸を有するサファイア基板１０１の代わりに、表面加工をしないサファイア基板を用い、発光層を井戸層を３層有する多重量子井戸層とした他は上記実施例と全く同様に形成した半導体発光素子を第２の比較例として形成し、その特性を測定した。小信号遮断周波数は２８ＭＨｚと測定された。尚、電源オンから光出力が安定値の９０％に達するまでの立ち上がり時間は１１．１ｎｓ、電源オフから光出力が安定値の１０％を切るまでの立ち下がり時間は１３．８ｎｓであった。この比較例２に対し、表面に凹凸を有するサファイア基板１０１を用いた実施例１の通信用の半導体発光素子１００は、遮断周波数においては６１％の向上が得られた。

尚、上記の実施例においては、ワイヤボンディング型の発光ダイオードについて説明したが、本発明はフリップチップ型等の任意の型の発光ダイオードであっても同様に適応できる。フリップチップ型の場合には、反射金属層１５０は不要であり、透光性薄膜正電極１１０の代わりに、ロジウム(Rh)等の反射率の良好な金属を用いた膜厚約２００nm程度の非透光性の厚膜電極を形成する。この場合には、厚膜正電極１２０は不要である。

（変形例）
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。例えば、III族窒化物系化合物半導体素子として、GaN系の半導体層を用いたが、勿論Ga_xIn_1-xN等から成る層、その他、任意の混晶比の３元乃至４元系のAlGaInNとしても良い。より具体的には、「Al_xGa_yIn_1-x-yN（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）」成る一般式で表される３元（GaInN，AlInN，AlGaN）或いは４元（AlGaInN）のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることもできる。また、そられの化合物のNの一部をP、As等のV族元素で置換しても良い。

本発明の実施例に係る通信用の半導体発光素子１００の断面図。

符号の説明

１００：通信用の半導体発光素子
１０１：サファイヤ基板
１０２：バッファ層
１０３：高キャリア濃度ｎ⁺層
１０４：ｎ型半導体層
１０５：発光層
１０６：ｐ型半導体層
１０７：ｐ型コンタクト層
１１０：透光性薄膜正電極
１２０：正電極
１３０：保護膜
１４０：負電極
１５０：反射金属層

Claims

III族窒化物系化合物半導体を発光層とした通信用発光素子において、
結晶成長側の面に凹凸加工が施されて凸部がドット状に点在した基板と、
前記基板上に成長された発光層を含むIII族窒化物系化合物半導体の積層とを有し、
前記基板の結晶成長側の面に存在する前記凸部は、平方ミリメートルあたり４万個以上点在し、
前記積層は、前記凸部の周辺部における結晶欠陥が、前記凹凸加工がない場合に比べて、増加した層であり、
前記発光層は単一量子井戸構造としたことを特徴とする通信用発光素子。
請求項１に記載の通信用発光素子をＰＯＦに接続したことを特徴とする光通信装置。