JP5211352B2 - 半導体発光素子アレー、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子アレー、およびその製造方法に関する。
従来から、半導体ロッドからの発光を利用する発光素子が開発されている（特許文献１を参照）。たとえば特許文献１には、半導体基板上にｐｎ接合を含む半導体ロッドを形成し、基板側とロッドにそれぞれ電極を設けた発光素子であって、半導体ロッド間の間隔を等間隔とした発光素子が提案されている。この発光素子は、基板表面に垂直または平行な方向に光を発する。
さらに、半導体ロッドからの発光を利用する発光素子を含み、多色で発光する半導体発光素子アレーも知られている（特許文献２および３を参照）。
例えば特許文献２には、井戸層と障壁層との組み合わせを繰り返し積層した（例えば３回繰り返した）多重量子井戸構造を有し、それぞれの井戸層の厚さを変えることにより、多色で発光する発光素子が提案されている。さらに、発生する多色光を、所望の単色波長透透過膜（波長選択フィルタ）に通すことにより、波長選択を行うことが提案されている。
また特許文献３には、２層以上の活性層を形成し、各活性層にそれぞれ対応する電極対を設けた発光素子が記載されている。この発光素子は、各電極対に所定の電圧を印加されることにより、各活性層から発光が起こり多色で発光する。
例えば特許文献２には、井戸層と障壁層との組み合わせを繰り返し積層した（例えば３回繰り返した）多重量子井戸構造を有し、それぞれの井戸層の厚さを変えることにより、多色で発光する発光素子が提案されている。さらに、発生する多色光を、所望の単色波長透透過膜（波長選択フィルタ）に通すことにより、波長選択を行うことが提案されている。
また特許文献３には、２層以上の活性層を形成し、各活性層にそれぞれ対応する電極対を設けた発光素子が記載されている。この発光素子は、各電極対に所定の電圧を印加されることにより、各活性層から発光が起こり多色で発光する。
一方、ナノピラー状の半導体ロッドを形成する重要な技術として、ＭＯＶＰＥ選択成長法（Selective-area metal organic vapor phase epitaxy）が知られている（非特許文献１および２を参照）。ＭＯＶＰＥ選択成長法とは、半導体結晶基板の特定領域だけを露出させて、ＭＯＶＰＥで露出部分に選択的に半導体結晶を成長させる手法である。非特許文献１および２には、半導体結晶基板の露出部分を調整することにより、成長させる半導体結晶の太さや高さを制御することができると報告されている。例えば、成長されたロッド（ナノピラー）の高さは、露出部分の径を小さくすると上昇し、露出部分同士の間隔幅（ピッチ）が狭くなると上昇することが示されている。もちろん、成長されたロッドの太さは、露出部分の面積を大きくすると上昇する。
一方、多波長の面発光素子を作製する技術が報告されている（非特許文献２および３を参照）。これらはいずれも、面発光素子用のＧａＩｎＡｓ/ＧａＡｓ量子井戸構造の薄膜を成長させる技術に関する。この技術では、まずＧａＡｓ（００１）面基板上に、複数の直線状の凸型段差（メサ）を互いに並行に形成する。その後、ＭＯＣＶＤにより基板上に多層薄膜を堆積する。この工程において、メサの上面に薄膜を厚く堆積させる一方で、隣り合うメサ同士の間の谷間の面に、メサ上面の薄膜よりも薄い薄膜を堆積させる。
メサの幅、段差（高さ）、隣り合うメサ同士の間隔など（制御パラメータともいう）によって、メサ同士の間の谷間の面に堆積する薄膜の厚さを制御することができる。つまり、これらの制御パラメータが、ＭＯＣＶＤ薄膜成長による膜厚の分布を決定し、作製される発光素子からの発光波長を制御する。そのため、薄膜の厚さ（発光素子の発光波長）を適切に制御するためには、メサを精密に設計・製造しなければならない。
特開平４−２１２４８９号公報
特開２００３−３４７５８５号公報
特開平７−１８３５７６号公報
Noborisaka, J. et al., "Catalyst-free growth of GaAsnanowires by selective-area metalorganicvapor-phase epitaxy", Applied Physics Letters, vol. 86, pp. 213102-1 - 213102-3, (2005).
Yang, L. et al., "Size-dependent photoluminescence of hexagonal nanopillars with single InGaAs/GaAsquantum wells fabricated by selective-area metal organic vapor phase epitaxy", Applied Physics Letters, vol. 89, pp. 203110-1 - 203110-3, (2006).
M. Arai, et al., "Multiple-wavelength GaInAs-GaAsvertical cavity surface emitting laser array with extended wavelength span", IEEE journal of selected topics in quantum electronics, vol. 9, No.5, (2003) pp. 1367-1373.
A. Onomura, et al., "Densely integrated multiple-wavelength vertical cavity surface-emitting laser array", Japanese journal of applied physics, vol. 42, (2003) pp. L529-L531.
異なる波長の光を発する複数の発光素子を同一基板に形成させれば、波長多重方式と称される長距離通信に有利な通信方式に適用することが可能となる。したがって、同一基板上にそれぞれ異なる波長の光を発する複数の発光素子を含む、より簡易な構造の半導体面発光素子を、簡便に製造することが求められている。
ところが、従来の技術では、同一基板上に複数の波長を有する半導体面発光素子を製造することは、半導体結晶成長後に、複数の工程を別途付加して、別個の部材を設ける必要があった。つまり、特許文献２に示された半導体発光素子は、その半導体結晶部のそれぞれから複数の波長の光が発光するので、必要な波長を波長選択フィルターによって取り出している。そのため、波長選択フィルターを形成するという工程が必要となる。また、特許文献３に示された半導体発光素子も、複数の発光波長に相当する結晶膜部位が積層されていることから、各波長の光を分離して独立に取り出すために、半導体膜にエッチング深さの異なる多段電極構造を形成する工程が必要である。
また、非特許文献２および非特許文献３に記載の技術においては、基板上に形成されるメサが、長さ方向に一定の幅でテーパ状になっていない場合や、メサ同士がクロスしていたり、並び方が曲線状であったり、同心円状であったりする場合には、薄膜成長時の膜厚制御が困難である。そのため、多波長の面発光素子の設計自由度が低い。
さらに、波長１μｍ帯のコースＷＤＭ通信用発光素子の波長間隔は１０ｎｍである。非特許文献２および非特許文献３に記載の技術により、各発光素子からの発光の波長間隔を１０ｎｍとするには、素子同士の分離距離を５００μｍ以上としなければならない。したがって、多モード光ファイバ（コアの直径５０μｍ、ないしは６５μｍ）と発光素子アレーとを光結合させる場合には、発光波長の異なる発光素子毎に、それぞれ別個の光ファイバを結合しなければならない。
本発明者は、ＭＯＶＰＥ選択成長法などを用いて、同一基板上にそれぞれ異なる波長の光を発する複数の発光素子を含む半導体面発光素子（多波長の面発光素子）を製造することを検討した。その結果、設計自由度の高い多波長の面発光素子を作製する方法を見出し、本発明を完成させた。
すなわち本発明の第１は、以下に示す半導体発光素子アレーに関する。
［１］ 半導体結晶基板、
前記半導体結晶基板の表面に配置された絶縁膜であって、
前記絶縁膜は２以上の領域に区分されており、かつ
前記２以上の領域のそれぞれには、前記基板の表面を露出させる２以上の開口部が形成されている絶縁膜、
前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する半導体ロッドであって、前記延伸方向にｎ型半導体層とｐ型半導体層が積層されており、ｐ−ｎ接合を有する半導体ロッド、ならびに
前記半導体結晶基板に接続された第一電極、および前記半導体ロッドの上部に接続された第二電極を含む半導体発光素子アレーであって、
前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さは、前記２以上の領域毎に異なる、半導体発光素子アレー。
ここで半導体ロッド内に形成されるｎ型半導体層とｐ型半導体層の積層順は、基板側からｎ型からｐ型の順であっても、ｐ型からｎ型の順であっても、どちらでもよい。
［２］ 前記半導体ロッドは、ｐ−ｎヘテロ接合を有する、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［３］ 前記半導体ロッドは量子井戸構造を有する、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［４］ 前記開口部の面積の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［５］ 前記開口部の中心間距離の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［６］ 前記半導体結晶基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、およびＡｌ２Ｏ３からなる群から選択される半導体材料の結晶基板であり、かつ
前記絶縁膜が配置された基板の表面は、結晶軸（１１１）面である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［７］ 前記半導体ロッドは、有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法により形成される、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［８］ 前記第一電極はｎ電極であり、かつ
前記第二電極はｐ電極であって、透明電極である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［９］ 前記第一電極はｐ電極であり、かつ
前記第二電極はｎ電極であって、透明電極である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［１］ 半導体結晶基板、
前記半導体結晶基板の表面に配置された絶縁膜であって、
前記絶縁膜は２以上の領域に区分されており、かつ
前記２以上の領域のそれぞれには、前記基板の表面を露出させる２以上の開口部が形成されている絶縁膜、
前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する半導体ロッドであって、前記延伸方向にｎ型半導体層とｐ型半導体層が積層されており、ｐ−ｎ接合を有する半導体ロッド、ならびに
前記半導体結晶基板に接続された第一電極、および前記半導体ロッドの上部に接続された第二電極を含む半導体発光素子アレーであって、
前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さは、前記２以上の領域毎に異なる、半導体発光素子アレー。
ここで半導体ロッド内に形成されるｎ型半導体層とｐ型半導体層の積層順は、基板側からｎ型からｐ型の順であっても、ｐ型からｎ型の順であっても、どちらでもよい。
［２］ 前記半導体ロッドは、ｐ−ｎヘテロ接合を有する、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［３］ 前記半導体ロッドは量子井戸構造を有する、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［４］ 前記開口部の面積の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［５］ 前記開口部の中心間距離の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［６］ 前記半導体結晶基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、およびＡｌ２Ｏ３からなる群から選択される半導体材料の結晶基板であり、かつ
前記絶縁膜が配置された基板の表面は、結晶軸（１１１）面である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［７］ 前記半導体ロッドは、有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法により形成される、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［８］ 前記第一電極はｎ電極であり、かつ
前記第二電極はｐ電極であって、透明電極である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
［９］ 前記第一電極はｐ電極であり、かつ
前記第二電極はｎ電極であって、透明電極である、［１］に記載の半導体発光素子アレー。
本発明の第２は、以下に示す半導体発光素子アレーの製造方法に関する。
［１０］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレーの製造方法であって、
Ａ）結晶軸（１１１）面を絶縁膜で被覆された半導体結晶基板を準備するステップであって、
前記絶縁膜は、２以上の領域に区分されており、
前記２以上の領域のそれぞれには、前記結晶軸（１１１）面を露出させる開口部が形成されているステップ、および
Ｂ）有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法を用いて、前記絶縁膜で被覆された半導体結晶基板から、前記開口部を通して半導体ロッドを形成するステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップ、を有する半導体発光素子アレーの製造方法。
Ｂ）ステップにおいて、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程との順序は限定されず、ｎ型半導体からなる層を形成した後に、ｐ型半導体層を形成してもよく；ｐ型半導体からなる層を形成した後に、ｎ型半導体層を形成してもよい。
［１０］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレーの製造方法であって、
Ａ）結晶軸（１１１）面を絶縁膜で被覆された半導体結晶基板を準備するステップであって、
前記絶縁膜は、２以上の領域に区分されており、
前記２以上の領域のそれぞれには、前記結晶軸（１１１）面を露出させる開口部が形成されているステップ、および
Ｂ）有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法を用いて、前記絶縁膜で被覆された半導体結晶基板から、前記開口部を通して半導体ロッドを形成するステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップ、を有する半導体発光素子アレーの製造方法。
Ｂ）ステップにおいて、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程との順序は限定されず、ｎ型半導体からなる層を形成した後に、ｐ型半導体層を形成してもよく；ｐ型半導体からなる層を形成した後に、ｎ型半導体層を形成してもよい。
本発明の第３は、以下に示す光送信機器に関する。
［１１］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域のそれぞれに配置され、各領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
［１２］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
［１３］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
［１１］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域のそれぞれに配置され、各領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
［１２］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
［１３］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、光送信機器。
本発明の第４は、以下に示す照明機器に関する。
［１４］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、照明機器。
［１５］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および
前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、照明機器。
［１４］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、および前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、照明機器。
［１５］ 前記［１］に記載の半導体発光素子アレー、前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および
前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、照明機器。
本発明により、同一基板上に、それぞれ異なる波長の光を発する複数の発光素子を有する、多色発光する半導体発光素子アレーが提供される。本発明の半導体発光素子アレーは、簡便な構造を有し、かつより簡便に製造される。
つまり半導体ロッドの形状やサイズ（断面積）、半導体ロッド同士の間隔、および半導体ロッドの配置状態などが、絶縁膜パターン（開口部）の形状や配置によって制御されるので、任意の半導体ロッドまたは半導体ロッド群を容易に形成することができる。したがって、半導体ロッドからの発光波長も容易に制御することができる。
例えば、１０μｍ×１０μｍの領域内に５本の半導体ロッドを配置することができ、５本一組で出力１ｍＷの発光素子とすることができる。また、配線スペースや製造工程のマージンを考慮しても、発光素子アレーの基板上の発光素子同士の間隔を約２０μｍにまで縮めることができる。したがって、多モード光ファイバ（例えば、コアの直径５０μｍ）と発光素子アレーとを結合させる場合には、発光波長の異なる複数の発光素子からの発光を、一つの光ファイバに直接入射させることができる。したがって、光合波器を用いることなく、コースＷＤＭ（ＣＷＤＭ）通信において、１本の光ファイバで４波多重通信が実現されうる。
１．半導体発光素子アレーについて
本発明の半導体発光素子アレーは、１）半導体結晶基板、２）半導体結晶基板の表面に配置された絶縁膜であって、基板を露出させる開口部が形成された絶縁膜、３）前記基板の表面から前記開口部を通して上方に延伸するｐ−ｎ接合を有する半導体ロッド、４）前記半導体結晶基板に接続された第一電極、および前記半導体ロッドの上部に接続された第二電極を含む。
ここで、前記絶縁膜はいくつかの領域に区分されており、前記半導体ロッドの基板表面からの高さは、その領域毎に異なることを特徴とする。
本発明の半導体発光素子アレーは、１）半導体結晶基板、２）半導体結晶基板の表面に配置された絶縁膜であって、基板を露出させる開口部が形成された絶縁膜、３）前記基板の表面から前記開口部を通して上方に延伸するｐ−ｎ接合を有する半導体ロッド、４）前記半導体結晶基板に接続された第一電極、および前記半導体ロッドの上部に接続された第二電極を含む。
ここで、前記絶縁膜はいくつかの領域に区分されており、前記半導体ロッドの基板表面からの高さは、その領域毎に異なることを特徴とする。
本発明の半導体発光素子アレーに含まれる基板は半導体結晶であればよく、半導体結晶の例には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ，ＳｉＣ，Ａｌ２Ｏ３などが含まれる。
基板の表面に配置される絶縁膜の材質は特に限定されないが、ＳｉＯ２やＳｉＮなどの無機絶縁材料であればよい。絶縁膜は例えばスパッタ法で形成すればよく、膜厚は数十ｎｍであればよい。
絶縁膜を配置される基板の表面は、基板を構成する半導体結晶の結晶軸（１１１）面である。結晶軸（１１１）面から半導体ロッドを成長させることにより、半導体ロッドの延伸方向を、半導体結晶の結晶軸（１１１）方向とすることができ、結晶の対象性によりレーザ発振を含めた発光素子としての効率が向上する。
基板の表面に配置された絶縁膜は２以上の領域に区分されている。「区分されている」とは、絶縁膜が物理的に分離して分割されていてもよく、連続した絶縁膜を複数の領域に仮想的に区分しているだけでもよい。物理的に分離されている場合には、互いに数マイクロメートル（μｍ）以上、望ましくは５０から１００μｍ程度分離されていればよい。
前記絶縁膜の２以上の領域のそれぞれが、本発明の半導体発光素子アレーの発光素子領域となり、かつ各発光素子からは異なる波長の光が発せられる。
前記絶縁膜の２以上の領域のそれぞれが、本発明の半導体発光素子アレーの発光素子領域となり、かつ各発光素子からは異なる波長の光が発せられる。
絶縁膜の各領域のサイズは、そこに形成される半導体ロッドの本数などに応じて適宜設定すればよく特に限定されない。また後述するように、光導波路と組み合わせて光送信機器とする場合（図１８参照）には、各領域内における半導体ロッドを配置する面積を光導波路のコアサイズと同程度かそれ以下にする。したがって、光導波路のコアの直径が５０マイクロメートルである場合には、絶縁膜の各領域のサイズを目安として１００マイクロメートル程度の矩形とすればよい。
さらに、絶縁膜の各領域同士の距離も、特に限定されない。光導波路と組み合わせて光送信機器とする場合には、光導波路を配置するピッチに合わせて、領域同士の距離を設定すればよい。絶縁膜の各領域同士の距離は、通常は数μｍから数１００μｍ程度である。
絶縁膜のそれぞれの領域には、それぞれ２以上の開口部が形成されており、開口部は基板表面まで貫通している。この開口部から半導体ロッドを成長させる。各領域に形成される開口部の数は２以上であればよいが、通常は１０以上であることが好ましい。開口部の形状は任意であり、矩形、三角形、六角形、または円形などのいずれでもよい。
各領域における開口部の開口面積は一定であることが好ましい。開口面積は、例えば、それを円形としたときの直径が１０ｎｍ〜２μｍであればよい。また各領域において開口部は均一に配置されていることが好ましい。均一に配置されているとは、開口部同士の間隔が一定であることなどを意味する。開口部同士の間隔は、約３μｍ以下であればよい。
開口部は、フォトリソグラフィーや電子線リソグラフィーを用いて半導体結晶基板の表面に形成された絶縁膜の一部を除去して形成すればよい。
さらに本発明の半導体発光素子アレーは、１）絶縁膜の領域ごとに、前記開口部の面積の平均が相違しているか、または２）絶縁膜の領域ごとに、単位面積あたりの前記開口部の密集度（例えば開口部同士の距離または間隔の平均）が相違することを特徴とする。開口部同士の距離または間隔は、絶縁膜の平面内の縦方向（ｘ方向）と横方向（ｙ方向）に関して、（１）ｘ方向とｙ方向とで互いに同一であってもよく、（２）ｘ方向とｙ方向とで互いに異なっていてもよい。つまり、開口部同士の距離または間隔の平均が、絶縁膜の領域ごとに異なっていればよい。
これにより、領域毎に高さの異なる半導体ロッドを形成することが可能となる。
これにより、領域毎に高さの異なる半導体ロッドを形成することが可能となる。
本発明の半導体発光素子アレーは、開口部によって露出された基板の表面から半導体ロッドが延出しており、この半導体ロッドは、有機金属の熱分解を利用した気相成長法などによって形成されうる（後に詳細に説明する）。このとき、半導体ロッドの成長速度は、１）開口部の面積が大きいほど遅く、面積が小さいほど速くなる。つまり、開口部の面積が小さいほど、一定の成長時間で長い半導体ロッドが得られる。また半導体ロッドの成長速度は、２）開口部の密度（密集度）が高いほど早く、密度が低いほど遅くなる。つまり、開口部の密度が高いほど、一定の成長時間で長い半導体ロッドが得られる。
前述の通り、本発明の半導体発光素子アレーは、絶縁膜に形成された開口部で露出した基板から半導体ロッドが延出している。つまり各領域には、開口部数に応じて２本以上の半導体ロッドがある。各領域における半導体ロッドの長さ、および太さはほぼ同じであることが好ましい。
半導体ロッドを構成する半導体成分は、２つの元素からなる半導体、３つの元素からなる半導体、４つの元素からなる半導体、それ以上の元素からなる半導体のいずれでもよい。
２つの元素からなる半導体の例には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ，ＺｎＳ，ＳｉＣ，ＺｎＴｅなどが含まれる。３つの元素からなる半導体の例には、ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＺｎＳＳｅ，ＧａＮＡｓなどが含まれる。４つの元素からなる半導体の例には、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＧａＩｎＡｓＮなどが含まれる。
２つの元素からなる半導体の例には、ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＮ，ＺｎＳ，ＳｉＣ，ＺｎＴｅなどが含まれる。３つの元素からなる半導体の例には、ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＺｎＳＳｅ，ＧａＮＡｓなどが含まれる。４つの元素からなる半導体の例には、ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＧａＩｎＡｓＮなどが含まれる。
前記領域のそれぞれに配置された半導体ロッドは、ｐ−ｎ接合を有することが好ましい。ｐ−ｎ接合とは、半導体結晶中に存在するｐ型領域とｎ型領域とが接していることをいう。半導体ロッドにおいて、ｐ型領域とｎ型領域は、半導体ロッドの延出方向に積層されていることが好ましい。すなわちｐ−ｎ接合面は、半導体ロッドの延出方向に対して垂直な面であることが好ましく、基板面に対して平行であることが好ましい。延出方向に「ｐ型領域、ｎ型領域の順」に積層されていてもよく、「ｎ型領域、ｐ型領域の順」に積層されていてもよい。
本発明の半導体発光素子アレーは、両電極（ｐ電極とｎ電極、後述する）に電圧を印加されることにより、半導体ロッドのｐ−ｎ接合面から光を発する。このとき、半導体ロッドの上下両端面が半導体ロッドの延出方向に対して垂直な面であり、ロッド内部が光りの伝搬に関して低損失であれば、光は半導体ロッドの延出方向と同じ方向に発せられる。
本発明の半導体ロッドはｐ−ｎ接合を有し、かつヘテロ接合を有していてもよい。ヘテロ結合とは、組成の異なる半導体を急峻な組成変化を示す界面によって接合したものをいう。ｐ−ｎ接合を構成する半導体材料の選択によって、発光波長を制御することができる。さらに、ｐ−ｎ接合を有し、かつヘテロ接合を有する半導体ロッドに効率のよい発光機能を付与するには、量子井戸構造を採用することが考えられる。また、量子井戸構造を真性半導体で構成するか、もしくは量子井戸構造ではない半導体部を真性半導体で構成し、これをｐ−ｎ接合の接合界面に挿入すれば、ｐｉｎ構造が形成され、真性半導体部を用いない場合に比べて発光効率を向上させることができる。
量子井戸構造とは、バンドギャップの小さな半導体層（量子井戸層）を、バンドギャップの大きな半導体層（障壁層）で挟みこむ構造をいう。バンドギャップの小さな半導体膜（量子井戸層）に、電子が閉じ込められる。半導体膜に垂直な方向の電子の運動が量子化されて、離散的なエネルギーをもつようになる。
本発明の半導体ロッドは、量子井戸構造を有していることが好ましい。半導体ロッドが量子井戸構造を有する場合には、絶縁膜の各同一領域に存在する半導体ロッドの量子井戸層の厚さは一定であることが好ましく、かつ絶縁膜の領域ごとに半導体ロッドの量子井戸層の厚さが相違することが好ましい。量子井戸層の厚さによって発光する光の波長が相違するので、前記領域ごとに量子井戸層の厚さを制御すれば、多色発光する半導体発光素子アレーを得ることができる。
さらに本発明の半導体ロッドに含まれる、ｐ型領域およびｎ型領域、ならびに量子井戸層は、多層構造を有していてもよい（図１１，図１５，図１６参照）。多層構造とは、互いに異なる半導体成分の２以上の層が、繰り返し積層されている構造をいう。例えば図１１の障壁層（３４および３６）は、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とが交互に繰り返し積層されている。
半導体ロッドのｐ型領域もしくはｎ型領域または量子井戸層を、多層構造とする場合には、層の周期を発光波長と同一にすることにより、発光強度を高めることができる。
半導体ロッドのｐ型領域もしくはｎ型領域または量子井戸層を、多層構造とする場合には、層の周期を発光波長と同一にすることにより、発光強度を高めることができる。
半導体ロッドは、ＭＯＣＶＤ法により形成することができるが、他にも真空装置内における元素の蒸着を利用する分子線エピタクシー法により形成することもできる。半導体ロッドの形成については、後に詳細に説明する。
本発明の半導体発光素子アレーは、領域によって、半導体ロッドの長さが相違することを特徴とする。前述の通り、半導体ロッドはＭＯＣＶＤ法などにより形成されるが、このときの半導体結晶の成長速度は、絶縁膜に形成された開口部の面積や、開口部の密集度によって変化する。したがって、開口部の面積や配列様式を調整することにより、半導体ロッドの高さが制御される。
半導体ロッドはｐ−ｎ接合を有しており、電流を流すと発光するが、その発光の波長は、半導体ロッドを構成する半導体材料に応じて相違する。本発明では特に、半導体ロッドが量子井戸構造を有する場合を主体に記述する。量子井戸構造では、発光する光の波長はその量子井戸層の厚さに依存する。よって、半導体ロッドから発光する光の波長は、絶縁膜の領域ごとによって相違する。
本発明の半導体発光素子アレーは、基板に接続された第１電極と、半導体ロッドの先端部（基板と反対側の端部）に接続された第２電極とを有する。第１電極および第２電極は、ｐ型電極（Ｃｒ／ＡｕまたはＩｎＳｎ酸化物など）とｎ型電極（ＡｕＧｅＮｉなど）の組み合わせである。
第１電極は、２以上の領域を含む半導体結晶基板に一つ以上設ければよい。第２電極は、領域ごと（発光素子ごと）に一つ以上設ければよい。第１電極と第２電極のいずれを、ｐ型電極またはｎ型電極とするかは、半導体ロッドのｐ型領域とｎ型領域との配置に合わせて設定すればよい。
第１電極は、２以上の領域を含む半導体結晶基板に一つ以上設ければよい。第２電極は、領域ごと（発光素子ごと）に一つ以上設ければよい。第１電極と第２電極のいずれを、ｐ型電極またはｎ型電極とするかは、半導体ロッドのｐ型領域とｎ型領域との配置に合わせて設定すればよい。
ｐｎ接合の順方向に通電させることによって、ｐ型電極側から発光が生じるので、ｐ型電極側から発光を取り出すことが可能となる。このときｐ型電極は、基板表面に対して垂直方向の発光を取り出しやすいような透明電極としたり、パターン構造としたりすることが好ましい。また、ｎ型電極側から光を取り出すこともできる。その場合には、ｎ型電極を透明電極とする。いずれにしても、光を取り出す側の電極を透明電極とすることが好ましい。
本発明の半導体発光素子アレーに含まれる半導体ロッドの側面は保護層で被覆されてもよい。保護層は、ロッドの延伸方向を縦方向とした場合に横方向に成長させた結晶層であってもよく（図４参照）、別途に付加した高抵抗物質（図１４参照）などであってもよい。さらに半導体ロッド同士の隙間は、絶縁性物質で満たされていてもよい（図５参照）。
発光特性について
本発明の半導体発光素子アレーからの発光の波長は、半導体ロッドの半導体成分；半導体ロッドの高さ（特に、量子井戸構造を有する場合には量子井戸層の厚さ）などに影響される。
例えば、量子井戸層をＧａＡｓで形成した場合には、量子井戸層の厚さに応じて約７００〜９００ｎｍの波長の発光を生じさせることができる（図７参照）。また量子井戸層をＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどで形成した場合には、量子井戸層のＩｎ原子とＧａ原子との比率に応じて約１．３μｍ〜１．５μｍの波長の発光を生じさせることができ；ＩｎＧａＮなどで形成した場合には、Ｉｎ原子とＧａ原子との比率に応じて約４００〜７００ｎｍの波長の発光を生じさせることができる（図１７参照）。
さらに発光の強度は、ｐ型領域、ｎ型領域、または量子井戸層の積層構造などに影響される。
本発明の半導体発光素子アレーからの発光の波長は、半導体ロッドの半導体成分；半導体ロッドの高さ（特に、量子井戸構造を有する場合には量子井戸層の厚さ）などに影響される。
例えば、量子井戸層をＧａＡｓで形成した場合には、量子井戸層の厚さに応じて約７００〜９００ｎｍの波長の発光を生じさせることができる（図７参照）。また量子井戸層をＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰなどで形成した場合には、量子井戸層のＩｎ原子とＧａ原子との比率に応じて約１．３μｍ〜１．５μｍの波長の発光を生じさせることができ；ＩｎＧａＮなどで形成した場合には、Ｉｎ原子とＧａ原子との比率に応じて約４００〜７００ｎｍの波長の発光を生じさせることができる（図１７参照）。
さらに発光の強度は、ｐ型領域、ｎ型領域、または量子井戸層の積層構造などに影響される。
２．半導体発光素子アレーの製造方法について
本発明の半導体発光素子アレーは、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうるが、例えば以下のステップを含む方法で製造されうる。
本発明の半導体発光素子アレーは、本発明の効果を損なわない限り任意の方法で製造されうるが、例えば以下のステップを含む方法で製造されうる。
半導体結晶基板を準備し、その結晶軸（１１１）面を絶縁膜で被覆する。絶縁膜は、例えばスパッタ法により基板表面に形成すればよい。半導体結晶基板表面に形成された絶縁膜に、開口部を形成する。開口部は、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーによって絶縁膜に形成すればよい。
絶縁膜を２以上の領域に分けて、それぞれ同一の領域内に形成された開口部の開口面積や、開口部の密集度は均一にすることが好ましい。一方、開口部の開口面積や開口部の密集度を、その領域ごとに変えることが好ましい。前述の通り、開口部の開口面積の大きさや開口部の密集度は、形成する半導体ロッドの長さに影響する。よって、所望の半導体ロッドに応じて、各領域の開口部の大きさや配置を適宜設定すれば、各領域に形成される半導体ロッドからの発光波長を互いに相違させることができる。その結果、多色発光する本発明の半導体発光素子アレーが得られる。
開口部を有する絶縁膜で被覆された半導体結晶基板から、開口部を通じて結晶成長させて半導体ロッドを形成する。例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により半導体結晶を成長させる方法は種々知られており、適宜採用すればよい。反応炉に配置された半導体結晶基板を約４００℃〜９００℃に加熱して、反応炉に有機金属原料等のガスを供給すれば、半導体ロッドが形成されうる。
例えばＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａの原料ガスとしてトリメチルガリウムを、Ａｓの原料ガスとしてアルシンを用いればよい。またＡｌＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａの原料ガスとしてトリメチルガリウムを、Ａｓの原料ガスとしてアルシンを、アルミニウムの原料ガスとしてトリメチルアルミニウムを用いればよい。
例えばＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａの原料ガスとしてトリメチルガリウムを、Ａｓの原料ガスとしてアルシンを用いればよい。またＡｌＧａＡｓを成長させる場合には、Ｇａの原料ガスとしてトリメチルガリウムを、Ａｓの原料ガスとしてアルシンを、アルミニウムの原料ガスとしてトリメチルアルミニウムを用いればよい。
結晶成長による半導体ロッドの形成は、ｐ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層を形成する工程とを含む。つまり、半導体ロッドにはｐ型半導体層とｎ型半導体層が含まれ、ｐ−ｎ接合を有する。先にｐ型半導体層を形成してから、ｎ型半導体層を形成してもよく；先にｎ型半導体層を形成してから、ｐ型半導体層を形成してもよい。
半導体層をｐ型またはｎ型にする手段も適宜選択して採用すればよい。例えば、ｎ型ＧａＡｓを成長させる場合には、有機金属原料ガスの供給に加えて、Ｓｉ２Ｈ６ガスを供給すればよい。また、ｐ型ＧａＡｓを成長させる場合には、有機金属原料ガスの供給に加えて、ジメチルジンクを供給すればよい。
半導体層をｐ型またはｎ型にする手段も適宜選択して採用すればよい。例えば、ｎ型ＧａＡｓを成長させる場合には、有機金属原料ガスの供給に加えて、Ｓｉ２Ｈ６ガスを供給すればよい。また、ｐ型ＧａＡｓを成長させる場合には、有機金属原料ガスの供給に加えて、ジメチルジンクを供給すればよい。
さらに、結晶成長による半導体ロッドの形成は、量子井戸層を形成する工程を有していてもよい。また、量子井戸層はノンドープ型とすることが好ましく、つまりｐ型でもｎ型でもない。量子井戸層のポテンシャルは、それを挟むこむ障壁層のポテンシャルよりも小さくする必要があるので、障壁層の材質とは相違する。よって量子井戸層を形成する工程では、反応炉に供給される有機金属原料ガスを変更する。
供給された有機金属原料ガスは、開口部で露出された基板表面（結晶軸（１１１）面）で気相化学分解反応を起こし、所望の結晶が堆積成長する。この結晶成長過程で、成長時間が短い初期段階では、結晶は粒状ないしは丘状に堆積するので、横方向と比較して、ロッド高さ方向には成長しにくく、ロッドの背丈が低い。一方、成長時間を長くすると、次第に高さ方向に結晶成長して、ロッド状の半導体結晶が得られる。
半導体ロッドの成長方向に対する垂直断面は、開口部の形状に応じて変化する。よって、開口部を三角形にすれば三角柱の、六角形にすれば六角柱の、円形にすれば円柱に近い多角柱形状の半導体ロッドを得ることができる。半導体ロッドの太さも、概ね開口部の直径で制御することができる。
さらに、高さ方向の結晶成長の速度は、開口部の面積や配列によって異なる。つまり、開口部の面積を大きくすれば高さ方向の結晶成長速度は遅くなるので、半導体ロッドの高さは小さくなり、また量子井戸層を形成した場合には、その量子井戸層の厚さも薄くなる。同様に、開口部の密集度を下げれば高さ方向の結晶成長速度は遅くなるので、半導体ロッドの高さは小さくなり、また量子井戸層を形成した場合には、その量子井戸層の厚さも薄くなる。
このように、本発明の製造方法では、１つの基板の表面に形成された絶縁膜をいくつかの領域に分けて、領域ごとに開口面積や密集度を変えた開口部を形成する。そのため、当該１つの基板に、同時に半導体結晶を成長させて半導体ロッドを形成しても、領域ごとに発光特性の異なる半導体ロッドが形成されるので、多色発光する発光素子アレーが簡便に製造されうる。
３．光送信機器について
本発明の光送信機器は、本発明の半導体発光素子アレーと、光導波路とを含む。前述の通り、本発明の半導体発光素子アレーは、異なる波長の光を発する複数の発光素子を含むので、並列伝送方式や波長多重方式の送信方式に適用されうる。
本発明の光送信機器は、本発明の半導体発光素子アレーと、光導波路とを含む。前述の通り、本発明の半導体発光素子アレーは、異なる波長の光を発する複数の発光素子を含むので、並列伝送方式や波長多重方式の送信方式に適用されうる。
光送信機器の第一は、図１８に示されるように、半導体発光素子アレーの発光素子領域それぞれに光導波路を設ける。各領域に半導体ロッドが形成される領域のサイズは、対応する光導波路のコアサイズと同じか、やや小さくすることが好ましい。図１８に示される光送信機器は、並列伝送方式に適用されうる。
光送信機器の第二は、図１９Ｂに示されるように、半導体発光素子アレーの発光素子からの光を光合波器で合波して、合波した光を波長多重方式で光導波路中を介して送信する。図１９に示される光送信機器は、波長多重方式の送信方式に適用されうる。
また、図２２に示されるように、半導体発光素子アレーの発光素子領域の全てに対応する、一つの光導波路（たとえば、光ファイバ）を設けてもよい。それにより、光合波器を用いずに、１本の光ファイバで４波多重通信を実現できる。また、各発光領域から発せられる光の波長間隔を約１０ｎｍに調整することもできる。
４．照明機器について
本発明の照明機器は、本発明の半導体発光素子アレーと、光導波路とを有する。例えば、図２４に示されるように、青色光を発する発光素子、緑色光を発する発光素子、および赤色光を発する発光素子の３つの発光素子を含む半導体素子アレーに、１本の光導波路を組み合わせれば、白色光を導波させることができる。本発明の照明機器は、例えば照明用ファイバとして、医療機器などとして用いられうる。
本発明の照明機器は、本発明の半導体発光素子アレーと、光導波路とを有する。例えば、図２４に示されるように、青色光を発する発光素子、緑色光を発する発光素子、および赤色光を発する発光素子の３つの発光素子を含む半導体素子アレーに、１本の光導波路を組み合わせれば、白色光を導波させることができる。本発明の照明機器は、例えば照明用ファイバとして、医療機器などとして用いられうる。
以下において、図面を参照して本発明の半導体発光素子アレーをさらに説明する。
［実施態様１：開口部の密集度の調整］
図１Ａは、半導体結晶基板１（例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉなど）に、絶縁膜２を被覆した状態を示す図である。絶縁膜２で被覆された基板１の表面は、結晶軸（１１１）面である。絶縁膜２の厚さは、例えば２０ｎｍである。絶縁膜２は、絶縁膜部２Ａ〜２Ｄの４つの領域に区分されている。
図１Ａは、半導体結晶基板１（例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｓｉなど）に、絶縁膜２を被覆した状態を示す図である。絶縁膜２で被覆された基板１の表面は、結晶軸（１１１）面である。絶縁膜２の厚さは、例えば２０ｎｍである。絶縁膜２は、絶縁膜部２Ａ〜２Ｄの４つの領域に区分されている。
絶縁膜部２Ａ〜２Ｄのそれぞれの大きさ（ａ×ｂ）は、互いに異なっていてもよく、同一であってもよい。縦ａの長さ、および横ｂの長さは特に限定されないが、以下においていずれも１００μｍとして説明する。また各領域の中心間距離（つまり、絶縁膜部２Ａと絶縁膜部２Ｂとの中心間距離ｃ１、絶縁膜部２Ｂと絶縁膜部２Ｃとの中心間距離ｃ２、絶縁膜部２Ｃと絶縁膜部２Ｄとの中心間距離ｃ３）を、２５０μｍとして説明する。
図１Ｂは、絶縁膜部２Ａ〜２Ｄのそれぞれに、２以上（図では９つ）の開口部３Ａ〜３Ｄを形成した状態を示す図である。開口部３Ａ〜３Ｄは基板１の表面を露出させている。開口部３Ａ〜３Ｄは、半導体製造工程で使用されるフォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーなどの微細パターン形成技術を使用して形成される。開口部３Ａ〜３Ｄの形状は特に制限されず、矩形、三角形、六角形、円形などでありうる。
開口部３Ａ〜３Ｄの開口面積は、開口部を円形とする場合には、直径を１０ｎｍ〜５００ｎｍとすればよい。図１Ｂでは、開口部３Ａ〜３Ｄのいずれの開口面積も同一である。以下において、開口部３Ａ〜３Ｄの直径を８０ｎｍとして説明する。
絶縁膜部２Ａに配置される開口部３Ａ同士の距離（縦方向の距離をｐ１Ａ、横方向の距離をｐ２Ａとする）は、ほぼ一定にされている。同様に、絶縁膜部２Ｂに配置される開口部３Ｂ同士の距離（ｐ１Ｂとｐ２Ｂ）、絶縁膜部２Ｃに配置される開口部３Ｃ同士の距離（ｐ１Ｃとｐ２Ｃ）、絶縁膜部Ｄに配置される開口部３Ｄ同士の距離（ｐ１Ｄとｐ２Ｄ）は、それぞれほぼ一定である。いずれの開口部同士の距離も、数１０ｎｍ〜数μｍに調整されればよい。図１Ｂでは、縦方向の距離ｐ１と、横方向の距離ｐ２がほぼ同一にされているが、ｐ１とｐ２とで互いに異なる距離としても構わない。
図１Ｂでは、絶縁膜部２Ａ〜２Ｄごとに、開口部同士の距離が相違している。つまり、絶縁膜部２Ａにおける開口部３Ａ同士の距離よりも、絶縁膜部２Ｂにおける開口部３Ｂ同士の距離の方が大きく；絶縁膜部２Ｂにおける開口部３Ｂ同士の距離よりも、絶縁膜部２Ｃにおける開口部３Ｃ同士の距離の方が大きく；絶縁膜部２Ｃにおける開口部３Ｃ同士の距離よりも、絶縁膜部２Ｄにおける開口部３Ｄ同士の距離の方が大きい。
具体的には、ｐ１Ａ＝ｐ２Ａ＝０．３μｍとして；ｐ１Ｂ＝ｐ２Ｂ＝１．５μｍとして；ｐ１Ｃ＝ｐ２Ｃ＝２．０μｍとして；ｐ１Ｄ＝ｐ２Ｄ＝３．０μｍとした。
具体的には、ｐ１Ａ＝ｐ２Ａ＝０．３μｍとして；ｐ１Ｂ＝ｐ２Ｂ＝１．５μｍとして；ｐ１Ｃ＝ｐ２Ｃ＝２．０μｍとして；ｐ１Ｄ＝ｐ２Ｄ＝３．０μｍとした。
図１Ｃは、図１Ｂで示された構造体に半導体ロッド４Ａ〜４Ｄを形成した状態を示す図である。半導体ロッド４Ａ〜４Ｄは、有機金属気相成長法などを用いて形成される。
具体的には、ＧａおよびＡｓの原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を用いてＧａＡｓ結晶を成長させ；さらにＡｌ原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いてＡｌＧａＡｓを成長させた。これらの原料ガスを、７５０℃程度に加熱保持した基板１の表面に一定時間供給する。
具体的には、ＧａおよびＡｓの原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシン（ＡｓＨ３）を用いてＧａＡｓ結晶を成長させ；さらにＡｌ原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いてＡｌＧａＡｓを成長させた。これらの原料ガスを、７５０℃程度に加熱保持した基板１の表面に一定時間供給する。
図２には、形成した各半導体ロッド４の模式図が示される。図２に示される半導体ロッド４は、一回の結晶成長サイクルで形成され、そのサイクルには、
１）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにＳｉ２Ｈ６供給量１ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、基板１上にｎ型ＧａＡｓ層２３を形成する工程、
２）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＴＭＡ供給圧力３．５ｘ１０−８ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにＳｉ２Ｈ６供給量１ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、ｎ型ＧａＡｓ層２３にｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４を積み増し成長させる工程、
３）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍにて供給して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４上にＧａＡｓ層２５を積み増し成長させる工程、
４）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＴＭＡ供給圧力３．５ｘ１０−８ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにジメチルジンク供給量０．５ｓｃｃｍにて供給して、ＧａＡｓ層２５上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６を積み増し成長させる工程、さらに
５）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにジメチルジンク供給量０．５ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６上にｐ型ＧａＡｓ層２７を積み増し成長させる工程を含む。
１）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにＳｉ２Ｈ６供給量１ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、基板１上にｎ型ＧａＡｓ層２３を形成する工程、
２）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＴＭＡ供給圧力３．５ｘ１０−８ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにＳｉ２Ｈ６供給量１ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、ｎ型ＧａＡｓ層２３にｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４を積み増し成長させる工程、
３）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍにて供給して、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４上にＧａＡｓ層２５を積み増し成長させる工程、
４）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＴＭＡ供給圧力３．５ｘ１０−８ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにジメチルジンク供給量０．５ｓｃｃｍにて供給して、ＧａＡｓ層２５上にｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６を積み増し成長させる工程、さらに
５）ＴＭＧ供給圧力２．７ｘ１０−７ａｔｍ；ＡｓＨ３供給圧力５．０ｘ１０−４ａｔｍ；さらにジメチルジンク供給量０．５ｓｃｃｍ（ｃｃ毎秒）にて供給して、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６上にｐ型ＧａＡｓ層２７を積み増し成長させる工程を含む。
このようにして、一本の半導体ロッドに、ｎ型ＧａＡｓ層２３／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４／ＧａＡｓ層２５／ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６／ｐ型ＧａＡｓ層２７を形成し、量子井戸層であるＧａＡｓ層２５の両面を、障壁層であるｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６とｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４が挟み込む構造（量子井戸構造）が得られた。なお、図２に示された半導体ロッドのｐｎ接合構造は、ｎ型半導体層を成長させた後に、ｐ型半導体層を成長させて得られるが、これとは逆に、ｐ型半導体層を成長させた後に、ｎ型半導体層を成長させてｐｎ接合構造を有する半導体ロッドを形成してもよい。
図１Ｂで形成されている開口部の開口面積はほぼ一定であるが、一方、絶縁膜部２Ａ〜２Ｄによって開口部同士の間の距離（ｐ１またはｐ２）が相違するため、開口部の密集度は絶縁膜部２Ａ〜２Ｄ毎に相違する。そのため、各半導体ロッドの太さはほぼ同じであるが、一方、高さｈは絶縁膜部２Ａ〜２Ｄによって相違する。具体的に、絶縁膜部２Ａにおける開口部３Ａ同士の距離（ｐ１Ａおよびｐ２Ａ）は短く、開口部の密集度が高いため、形成された半導体ロッド４Ａの高さｈＡが大きく；絶縁膜部Ｂ、絶縁膜部Ｃ、絶縁膜部Ｄの順に開口部同士の距離が長いため、その順に半導体ロッドが短くなっている（ｈＢ＞ｈＣ＞ｈＤ）。つまり、開口部同士の距離と、半導体ロッドの高さは、いわば逆比例の関係にある。
具体的には、絶縁膜部２Ａに形成された半導体ロッド４Ａの高さｈＡ＝１μｍとして；絶縁膜部２Ｂに形成された半導体ロッド４Ｂの高さｈＢ＝０．５μｍとして；絶縁膜部２Ｃに形成された半導体ロッド４Ｃの高さｈＣ＝０．３μｍとして；絶縁膜部２Ｄに形成された半導体ロッド４Ｄの高さｈＤ＝０．２μｍとした。
図１Ｃの半導体ロッド４Ａ〜４Ｄのそれぞれに形成された量子井戸構造（ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６／ＧａＡｓ層２５／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４）について、絶縁膜部２Ａの半導体ロッド４Ａの量子井戸層２５（ＧａＡｓ）の厚さは最も大きく、絶縁膜部２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの半導体ロッド４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの順に量子井戸層２５の厚さが小さくなる。
具体的には、絶縁膜部２Ａの半導体ロッド４Ａの量子井戸層２５の厚さを１０ｎｍとして；絶縁膜部２Ｂの半導体ロッド４Ｂの量子井戸層２５の厚さを５ｎｍとして；絶縁膜部２Ｃの半導体ロッド４Ｃの量子井戸層２５の厚さを４ｎｍとして；絶縁膜部２Ｄの半導体ロッド４Ｄの量子井戸層２５の厚さを２．５ｎｍとした。
図３は、絶縁膜に形成した開口部３Ａ〜３Ｄの中心間の距離（ｐ）と、各半導体ロッド４Ａ〜４Ｄの量子井戸層２５の厚さ（ｔ）の関係を示すグラフである。図３のグラフには、アルシン供給圧力を変えた（５×１０−４ａｔｍ，２．５×１０−４ａｔｍ，または１×１０−３ａｔｍ）３つの曲線が示されている。図３に示されたように、アルシン供給量にかかわらず、開口部の中心間の距離が短いほど、量子井戸層の厚さが大きくなることがわかる。
図４に示されるように、半導体ロッド４はその側面が被覆されていてもよい。図４には、半導体ロッド４が、ＡｌＧａＡｓを横方向に成長させた膜２８でほぼ同心円状に被覆された状態が示される。ＡｌＧａＡｓ横方向成長膜２８は、成長温度を６５０〜７５０℃の範囲で一定に保持しながら、アルシンの供給圧力を高い値（約５×１０−４ａｔｍ〜１×１０−３ａｔｍ）に保持して形成すればよい。
さらに図５に示されたように、基板１に形成された半導体ロッド４同士の間の隙間は、絶縁材料１２で満たされていてもよい。絶縁材料１２の例には、シリコンオキサイドなどが含まれる。図５に示されたように半導体ロッド４の先端（ｐ型ＧａＡｓ層２７の上）には、ｐ型電極１３が形成される。ｐ型電極１３は、半導体ロッド４からの光が取り出しやすいようなパターン構造とされ、透明電極とされる。例えばｐ型電極１３は、Ｃｒ／Ａｕ積層電極や、ＩｎＳｎ酸化物などで形成される。一方、基板１の裏面には、ｎ型電極１１が形成される。ｎ型電極１１は、ＡｕＧｅＮｉなどで形成すればよい。このようにして、本発明の半導体発光素子アレーが得られる。
図６は、本発明の半導体発光素子アレーの斜視図である。絶縁膜部２Ａ〜２Ｄのそれぞれに形成された半導体ロッド４Ａ〜４Ｄは高さが異なり、その内部に形成された量子井戸層の厚さも異なる。また、基板１にはｎ型電極１１が、各半導体ロッド４Ａ〜４Ｄにｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄが形成されている。
ｎ型電極１１とｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄとに電位差を設けて、ｐｎ接合の順方向に通電させたところ、各半導体ロッド４Ａ〜４Ｄのｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄ側から発光が生じた。７７Ｋまたは３００Ｋにおいて各半導体ロッドから発光させた。
図７には、３００Ｋで発光させたときの発光波長のピークが示される。半導体ロッドの量子井戸構造の量子井戸層の厚さｔが大きいほど、発光波長が長くなることがわかる。
表１に、実施態様１で得られた半導体発光素子アレー（図６参照）の絶縁膜開口部や半導体ロッドの各パラメータと、発光波長とをまとめた。表１に示されたように、絶縁膜に形成された開口部同士の距離が小さい（つまり開口部の密集度が高い）ほど、半導体ロッドの高さ、および半導体ロッドに含まれる量子井戸層の厚さが大きくなる。さらに、開口部同士の距離が大きいほど、各温度における発光ピーク波長が長波長側にシフトすることがわかる。
［実施態様２：開口部の開口面積の調整］
図８Ａは、図１Ａと同様の図面であり、半導体結晶基板１の結晶軸（１１１）面が絶縁膜２で被覆されており、絶縁膜２は絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈに分割されている。絶縁膜２の厚さや、絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈの大きさは図１Ａと同様にすればよい。
図８Ａは、図１Ａと同様の図面であり、半導体結晶基板１の結晶軸（１１１）面が絶縁膜２で被覆されており、絶縁膜２は絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈに分割されている。絶縁膜２の厚さや、絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈの大きさは図１Ａと同様にすればよい。
図８Ｂには、絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈのそれぞれに９つの開口部３Ｅ〜３Ｈを形成した状態が示される。図８Ｂの絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈのいずれにおいても、開口部同士の中心間の距離は同一とされている。一方、絶縁膜部２Ｅ〜２Ｈごとに、開口部の面積（つまり、開口部３の直径ｄＥ〜ｄＨ）が相違する。つまり、絶縁膜部２Ｅに形成された開口部３Ｅの面積は小さく、絶縁膜部２Ｆに形成された開口部３Ｆ、絶縁膜部２Ｇに形成された開口部３Ｇ、絶縁膜部２Ｈに形成された開口部３Ｈの順に、開口部面積が大きい。
具体的には、開口部３Ｅの直径ｄＥは５０ｎｍ；開口部３Ｆの直径ｄＦは６０ｎｍ；開口部３Ｇの直径ｄＧは７０ｎｍ；開口部３Ｈの直径ｄＨは１００ｎｍとした。
具体的には、開口部３Ｅの直径ｄＥは５０ｎｍ；開口部３Ｆの直径ｄＦは６０ｎｍ；開口部３Ｇの直径ｄＧは７０ｎｍ；開口部３Ｈの直径ｄＨは１００ｎｍとした。
図８Ｃは、図８Ｂで示された基板１に半導体ロッド４Ｅ〜４Ｈを形成した状態を示す図である。半導体ロッド４Ｅ〜４Ｈの形成は、図１と同様の方法（ＭＯＣＶＤ法など）で、同様の条件で行う。つまり各半導体ロッドは、図２に示されたように、ｎ型ＧａＡｓ層２３／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４／ＧａＡｓ層２５／ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６／ｐ型ＧａＡｓ層２７を有する。
図８Ｃに示されたように、絶縁膜部２Ｅの半導体ロッド４Ｅの高さが最も高く、絶縁膜部２Ｆの半導体ロッド４Ｆ、絶縁膜部２Ｇの半導体ロッド４Ｇ、絶縁膜部２Ｈの半導体ロッド４Ｈの順に高さが低くなる。このように絶縁膜に形成した開口部の面積が小さいほど、長い半導体ロッドが得られる。
図９には、半導体ロッド４Ｅ〜４Ｈの太さ（つまり絶縁膜に形成した開口部３Ｅ〜３Ｈの大きさ）と、半導体ロッド４Ｅ〜４Ｈの量子井戸層の厚さｔとの関係を示す。図９のグラフには、アルシン供給圧を変えた（５×１０−４ａｔｍ，２．５×１０−４ａｔｍ，または１×１０−３ａｔｍ）３つの曲線が示されている。図９に示されたように、それぞれのアルシンの供給量において、半導体ロッドの太さ（開口部の大きさ）が小さいほど、量子井戸層の厚さｔが大きくなることがわかる。
図８Ｃに示される構造体を用いて、半導体ロッド４を被覆し（図４参照）、半導体ロッド４同士の隙間を絶縁膜で満たし（図５参照）、ｐ型電極およびｎ型電極を形成した（図５参照）。このようにして、図１０に示される本発明の半導体発光素子アレーを得た。
図１０に示される半導体発光素子アレーのｎ型電極１１とｐ型電極１３Ｅ〜１３Ｈとに電位差を設けて、ｐｎ接合の順方向に通電させたところ、各半導体ロッド４Ｅ〜４Ｈのｐ型電極１３Ｅ〜１３Ｈ側から発光が生じた。７７Ｋまたは３００Ｋにおいて各半導体ロッドから発光させた。量子井戸構造の量子井戸層の厚さｔが大きい半導体ロッドほど、波長が長い光を発した。
実施態様１および２で説明したように、絶縁膜に形成された開口部の密集度（開口部間の距離）または開口部の面積に応じて、半導体ロッドの高さを制御することができ、かつその発光波長を制御することができる。
［実施態様３：半導体ロッドの構成］
図２で示された半導体ロッドは、ｎ型ＧａＡｓ層２３／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４／ＧａＡｓ層２５／ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６／ｐ型ＧａＡｓ層２７を有するが、半導体ロッドの半導体成分や構成はこれに限定されない。
図２で示された半導体ロッドは、ｎ型ＧａＡｓ層２３／ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２４／ＧａＡｓ層２５／ｐ型ＡｌＧａＡｓ層２６／ｐ型ＧａＡｓ層２７を有するが、半導体ロッドの半導体成分や構成はこれに限定されない。
例えば図１１には、量子井戸構造を有する他の半導体ロッドの例が示される。つまり、量子井戸層であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層３５、および障壁層であるｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層３４と、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層３６を有する。さらに量子井戸構造は、ｎ型ＧａＡｓ層３３とｐ型ＧａＡｓ層３７に挟まれている。
障壁層３４および３６は、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを繰り返し積層した多層構造とされている。このとき、障壁層３４および３６のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層の周期を、量子井戸層３５からの発光波長と同じにすることが好ましい。成長方向の厚さは、結晶成長時間を調整して制御することができる。障壁層３４および３６をこのような多層構造とすることにより、発光する光の強度を高めることができる。
図１２には、量子井戸構造を有する他の半導体ロッドの例が示される。つまり、量子井戸層であるＩｎＧａＡｓ層４５と、それを挟み込む障壁層であるｎ型ＧａＡｓ層４４およびｐ型ＧａＡｓ層４６を有する。さらに量子井戸構造は、ｎ型ＧａＡｓ層４３とｐ型ＧａＡｓ層４７に挟まれている。
図１２に示される半導体ロッドの太さと、それに含まれる量子井戸層であるＩｎＧａＡｓ層４５に含まれるＩｎ原子とＧａ原子の比率（Ｉｎ原子／Ｇａ原子）との関係が、図１３Ａのグラフに示される。図１３Ａに示されるように、ロッド太さが大きくなるほど、前記比率が高まる。
さらに図１２に示される半導体ロッドの太さと、それからの発光波長との関係が、図１３Ｂのグラフに示される。図１３Ｂに示されるように、半導体ロッドの太さが大きくなるほど、発光波長のピークが長波長側にシフトすることがわかる。
さらに図１２に示される半導体ロッドの太さと、それからの発光波長との関係が、図１３Ｂのグラフに示される。図１３Ｂに示されるように、半導体ロッドの太さが大きくなるほど、発光波長のピークが長波長側にシフトすることがわかる。
図１３Ａおよび図１３Ｂに示されたように、半導体ロッドの太さに応じて、量子井戸層４５の発光特性が変わり、発光波長が変わることがわかる。したがって、絶縁膜に形成される開口部（図１Ｂおよび図８Ｂを参照）の面積によって、図１２に示される半導体ロッドの発光波長を制御することができる。
図１４には、量子井戸構造を有する他の半導体ロッドの例が示される。つまり、量子井戸層であるＩｎＧａＡｓ層５５と、それを挟み込む障壁層であるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層５４およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層５６を有する。さらに量子井戸構造は、ｎ型ＩｎＰ層５３とｐ型ＩｎＰ層５７に挟まれている。さらに、半導体ロッドの側面は高抵抗ＩｎＰ層５８で被覆されている。
図１５には、量子井戸構造を有する他の半導体ロッドの例が示される。つまり、量子井戸層であるＩｎＧａＡｓＰ層６５と、それを挟み込む障壁層であるｎ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多層６４およびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多層６６を有する。障壁層６４および６６は、ＩｎＧａＡｓＰ層とＩｎＰ層とが繰り返し積層された多層構造を有する。量子井戸構造は、ｎ型ＩｎＰ層６３およびｐ型ＩｎＰ層６７に狭まれる。
多層構造である障壁層６４および６６の、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層の周期を、ＩｎＧａＡｓＰ層６５からの発光波長と等しくすることにより、発光強度を高めることができる。さらに半導体ロッドの側面は表面保護層６８で被覆されている。
多層構造である障壁層６４および６６の、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層の周期を、ＩｎＧａＡｓＰ層６５からの発光波長と等しくすることにより、発光強度を高めることができる。さらに半導体ロッドの側面は表面保護層６８で被覆されている。
図１４および図１５に示される半導体ロッドの発光部である、量子井戸層ＩｎＧａＡｓ層５５およびＩｎＧａＡｓＰ層６５からの発光波長は、１．３μｍ〜１．５μｍ帯にあるので、光送信システムを構成した場合に通信距離１００ｋｍ以上の長距離通信が可能となる。また、半導体ロッドの側面の保護安定化のために高抵抗ＩｎＰ層５８（図１４）、またはこれと同等な作用をする表面保護層６８（図１５）を形成したことで、発光素子としての長寿命化が達成される。
図１６には、量子井戸構造を有する他の半導体ロッドの例が示される。つまり、量子井戸層であるＩｎＧａＮ層７５と、それを挟み込む障壁層であるｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７４およびｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７６を有する。障壁層７４および７６は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とが繰り返し積層された多層構造を有する。さらに量子井戸構造は、ｎ型ＧａＮ層７３およびｐ型ＧａＮ層７７で挟まれる。
ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７４およびｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７６の、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ層の周期を、発光部である量子井戸層ＩｎＧａＮ層７５からの発光波長と同一にすることによって、発光強度を高めることができる。
ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７４およびｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７６を、ｎ型ＡｌＧａＮ単層およびｐ型ＡｌＧａＮ単層としてもよい。
ｎ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７４およびｐ型ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多層７６を、ｎ型ＡｌＧａＮ単層およびｐ型ＡｌＧａＮ単層としてもよい。
図１６に示される半導体ロッドの量子井戸層であるＩｎＧａＮ層７５のＩｎ原子とＧａ原子との比率（Ｉｎ原子／Ｇａ原子）と、発光波長との関係が、図１７のグラフに示される。図１７に示されるように、量子井戸層７５のＩｎ原子とＧａ原子との比率に応じて、発光波長を青色から赤色にいたる範囲での波長に調整することができる。図１６に示された半導体ロッドは、図４および図５に示される場合と同様に、ｐｎ接合ロッドの周囲をＡｌＧａＮないしは高抵抗保護膜で被覆して、その周囲表面が保護されていてもよい。それにより、素子の信頼性を向上させることができる。
前述の通り、成長させる半導体ロッドの太さを調整することにより、ＩｎＧａＮ層のＩｎ原子とＧａ原子との比率を制御することができる。よって、絶縁膜に形成する開口部（図１Ｂおよび図８Ｂ参照）の面積を調整することによって、半導体ロッドからの発光波長を制御することができる。
光送信機器について
図１８には、本発明の半導体発光素子アレー１００（図１０参照）と、光導波路８０Ａ〜８０Ｄを有する光送信機器が示される。半導体発光素子アレー１００は、発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄを含む。また、半導体発光素子アレー１００は、半導体結晶基板１；半導体結晶基板１に接しているｎ型電極１１を有する。発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄのそれぞれは、複数の半導体ロッド４Ａ〜４Ｄと、半導体ロッドの先端に接触しているｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄとを含む。
図１８には、本発明の半導体発光素子アレー１００（図１０参照）と、光導波路８０Ａ〜８０Ｄを有する光送信機器が示される。半導体発光素子アレー１００は、発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄを含む。また、半導体発光素子アレー１００は、半導体結晶基板１；半導体結晶基板１に接しているｎ型電極１１を有する。発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄのそれぞれは、複数の半導体ロッド４Ａ〜４Ｄと、半導体ロッドの先端に接触しているｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄとを含む。
発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄのそれぞれに配置されたｐ型電極１３Ａ〜１３Ｄの近傍に配置された光導波路８０Ａ〜８０Ｄは、発光素子からの光を受光して、その光を伝搬させる。光導波路８０の配置位置や、その材質などは特に限定されない。通常、光導波路８０はコア８１とクラッド８２を有し、コア８１に光が導かれ、コア８１中を光が伝播する。
図１８に示される光送信機器は、発光素子１１０Ａ〜１１０Ｄからの光を、光導波路８０Ａ〜８０Ｄで確実に受光できるように、互いの配置位置を設定されることが好ましい。例えば図１８に示されるように、光導波路のコアは、各領域に配置された半導体ロッド群が形成された範囲よりもわずかに大きくすることが好ましい。半導体ロッドからの発光の方向は、ロッドの延伸方向に完全に一致するわけではなく、わずかに広がる傾向があるからである。各領域に配置された半導体ロッド群が形成された領域の幅をＤ１、発光素子と光導波路との距離をＬ、発光素子から発せられる光の拡がり角度をθとすると、コアの直径Ｄ２は、「Ｄ２＝Ｄ１＋２Ｌ ｔａｎθ」で示される。通常の光導波路のコアの径Ｄ２は５０〜１２５μｍ程度であり、光の拡がり角度θは約５〜１０°である。
図１９Ａは、プリント回路基板１２０；回路基板１２０上に実装された複数の発光素子を含む半導体発光素子アレーチップ１００；光を受光する受光素子アレー２００；半導体発光素子アレーチップ１００および受光素子アレーチップ２００を駆動する、ドライバＩＣ１０１およびレシーバＩＣ２０１；他のＩＣ２１０を有する光信号送受信装置を示す。
図１９Ｂに示されるように、半導体発光素子アレー１００には、光合分波器３００と光導波路３１０が設置されていてもよい。半導体発光素子アレー１００に含まれる複数の発光素子のそれぞれから発せられる波長の異なる光を、光合分波器３００で１つの光信号に合波する。合波を１本の光導波路３１０に導くことにより、波長多重伝送システム（１本のみの光導波路内を複数の波長の光信号が送信できるシステム）としてもよい。
図２０は、インターネット４５０につながるホストサーバ４４０に接続された地域通信網４２０のネットワーク形態を示す模式図である。地域通信網４２０には分岐サーバ４１０が接続され、分岐サーバ４１０には端末ＰＣ４３０が接続される。分岐サーバ４１０内には、サーバユニット４００が格納されて、サーバユニット４００に、回路基板１２０に搭載された本発明の半導体発光素子アレー１００を含む光信号送受信装置が配置される。
図２１と図２２には、本発明の発光素子アレーを光送信機器へ応用する他の例が示される。図２１の基板５００には、４つの絶縁膜パターン部５０１、５０２、５０３、５０４が形成されている。４つの絶縁膜パターン部５０１，５０２，５０３，５０４のそれぞれには、５つの開口部が形成されている。各絶縁膜パターンに形成された５つの開口部の開口面積は互いに同一である。一方、絶縁膜パターン５０１の開口部、絶縁膜パターン５０２の開口部、絶縁膜パターン５０３の開口部、絶縁膜パターン５０４の開口部の順に、その開口面積が大きくなる。
ＭＯＣＶＤ法により、基板５００から絶縁パターン部の開口部を通って半導体ロッド５１１，５１２，５１３，５１４が形成されている。前記の通り、各絶縁パターン部毎に開口部の面積は相違しているので、半導体ロッド５１１，５１２，５１３，５１４の太さおよび高さを、互いに違えることができる。例えば、ｐ−ｎ接合を有するＬＥＤ用の半導体（ＩｎＧａＡｓ）ロッドを形成する場合には、ＩｎＧａＡｓロッドの発光部の太さを約１５０ｎｍ（ロッド５１１），約２００ｎｍ（ロッド５１２），約２５０ｎｍ（ロッド５１３），約３００ｎｍ（ロッド５１４）とすればよい。図１３Ｂに示されるように、各ロッドから発する光の波長は、９１０〜９５０ｎｍの範囲にあり、互いに約１０ｎｍの波長間隔を有する。
図２２に示されるように、基板５００に電極５２０を配置し、半導体ロッド５１１，５１２，５１３，５１４のそれぞれに、電極５２０の対極となる電極５２１，５２２，５２３，５２４を配置する。電極５２１，５２２，５２３，５２４は、配線を介して電極５２１’，５２２’，５２３’，５２４’と電気接続している。半導体ロッド５１１，５１２，５１３，５１４の側面は埋め込み層５３０に埋め込まれている。
図２２に示される発光素子アレイの発光面の上方には、直径６５μｍのコア５５１と、クラッド５５２を有する、多モード型光ファイバ５５０が配置されている。図２２に示される発光素子アレイは、基板面から上方に向かって、４種類の波長（λ１，λ２，λ３，λ４）を有する光を発する。それらの光は全て、光ファイバ５５０のコア５５１の端面に入射する。このように、発光の波長毎に光ファイバを準備する（図１８参照）のではなく、１本の光ファイバにより４波多重通信を実現でき、光合波器も不要となる。
照明機器について
本発明の発光素子アレーは、照明機器として用いることもできる。例えば、青、緑、赤の３種類の波長（λＡ，λＢ，λＣ）の光をそれぞれ発する３種類の発光素子を含む発光素子アレーを３色ＬＥＤ光源とすることができる。さらにこの発光素子アレーに光ファイバを結合させれば、照明用のファイバが得られる。
本発明の発光素子アレーは、照明機器として用いることもできる。例えば、青、緑、赤の３種類の波長（λＡ，λＢ，λＣ）の光をそれぞれ発する３種類の発光素子を含む発光素子アレーを３色ＬＥＤ光源とすることができる。さらにこの発光素子アレーに光ファイバを結合させれば、照明用のファイバが得られる。
図２３に示されるように、基板６００に３つの絶縁膜パターン部６０１，６０２，６０３が形成されている。各絶縁膜パターン部は直径１０μｍの円形とすることができ、互いのパターン部同士の間隔は２０μｍとすることができる。３つの絶縁膜パターン部６０１，６０２，６０３のそれぞれには、５つの開口部が形成されている。絶縁膜パターン部６０１に形成された５つの開口部の開口面積は互いに同一であり、絶縁膜パターン部６０２に形成された５つの開口部の開口面積は互いに同一であり、絶縁膜パターン部６０３に形成された５つの開口部の開口面積は互いに同一である。一方、絶縁膜パターン部６０１に形成された開口部の面積がもっとも小さく、絶縁膜パターン部６０３に形成された開口部の面積がもっとも大きい。
ＭＯＣＶＤ法により、基板６００から絶縁パターン部の開口部を通って半導体ロッド６１１，６１２，６１３を成長させて形成した。前記の通り、絶縁パターン部毎の開口部の面積は、互いに相違しているので、半導体ロッド６１１，６１２，６１３の太さおよび高さを、互いに違えることができる。例えば、ｐｎ接合を有する半導体（ＩｎＧａＮ）ロッドを形成する場合には、ロッドの太さ（直径）によってＩｎ／Ｇａの原子組成比を調整し（図２５のグラフ参照）、Ｉｎ／Ｇａの原子組成比を調整することによって、発光波長を制御する。それにより、半導体ロッド６１１，６１２，６１３のそれぞれから、青、緑、赤の３種類の波長（λＡ，λＢ，λＣ）の光が発する。つまりＩｎＧａＮ半導体ロッドの直径を、約１００ｎｍ（ロッド６１１）、約１５０ｎｍ（ロッド６１２）、約２００ｎｍ（ロッド６１３）とすることにより、ロッド６１１から青色発光、ロッド６１２から緑色発光、ロッド６１３から赤色発光させることができる。
図２４に示されるように、基板６００に電極６２０を配置して、半導体ロッド６１１，６１２，６１３のそれぞれに、電極６２０の対極となる電極６２１，６２２，６２３を配置する。電極６２１，６２２，６２３は、配線を介して電極６２１’，６２２’，６２３’と電気接続している。半導体ロッド６１１，６１２，６１３の側面は埋め込み層６３０に埋め込まれている。
図２４に示される発光素子アレイの発光面の上方には、直径５０μｍのコア６５１と、クラッド６５２を有する光ファイバ６５０が配置されている。図２４に示される発光素子アレイは、基板面から上方に向かって、青、緑、赤の３種類の波長（λＡ，λＢ，λＣ）を有する光を発する。それらの光は全て、光ファイバ６５０のコア６５１の端面に入射する。したがって、低損失な光結合が実現され、遠方にまで光を伝承することができる。
本発明の半導体発光素子アレーは、種々の用途に適用される。近年、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）とインターネットによる情報送信および情報交換の広域化および大容量化に伴い、情報（信号）送信の高速化への要求が益々高まっている。こうした要求に応えるために光ファイバを利用した光通信技術が、基幹系長距離通信網を皮切りに発達し、現在では末端の各家庭へも普及しつつある。一方で、企業内や学校内などの数１００ｍから数ｋｍの短距離内では、従来から電気信号による通信ネットワークが発達し、光を用いた通信網へのニーズが希薄な状態にある。
しかしながら昨今、企業の先端開発部門、金融機関、そして公的機関における端末ＰＣからの秘密情報漏洩が社会問題化しつつあり、これに対処するために端末ＰＣにハードディスク（ＨＤ）や書き換え可能な半導体不揮発性メモリを搭載しないネットワークの構築が始まっている。このようなネットワークにおいては、端末ＰＣでは、ホストコンピュータ（ＨＣ）との間で常時データのやり取りを行いつつデータの加工作業を行う。加工後のデータはＨＣのみに保存される。したがって、ＨＣと連結している各端末ＰＣとの間において、信号の送信速度をより一層高速化することが必然的に求められる。
このようなニーズに対しては、従来の電気信号送信に代わり、光送信を用いたシステムが有利である。また光送信においても、信号伝送路を１本から複数本にする並列伝送方式や、１種類の波長よりも複数の波長を同時に用いる波長多重方式が大容量通信に適している。本発明の半導体発光素子アレーは、並列伝送方式や波長多重方式の光伝送システムに特に好ましく適用される。
また、本発明の半導体発光素子アレーは、照明用の機器として用いることもできる。
［符号の説明］
１ 半導体結晶基板
２ 絶縁膜
２Ａ〜Ｈ 絶縁膜部
３Ａ〜３Ｈ 開口部
４ 半導体ロッド
４Ａ〜４Ｈ 半導体ロッド
ｐ１Ａ〜ｐ１Ｄ ｐ２Ａ〜ｐ２Ｄ 開口部同士の中心間距離
ｈＡ〜ｈＨ 半導体ロッドの高さ
１１ ｎ型電極
１２ 絶縁材料
１３ ｐ型電極
１３Ａ〜１３Ｈ ｐ型電極
２３ ｎ型ＧａＡｓ層
２４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（障壁層）
２５ ＧａＡｓ層（量子井戸層）
２６ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（障壁層）
２７ ｐ型ＧａＡｓ層
２８ ＡｌＧａＡｓ横方向成長膜
３３ ｎ型ＧａＡｓ層
３４ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造
３５ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸層
３６ ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造
３７ ｐ型ＧａＡｓ層
４３ ｎ型ＧａＡｓ層
４４ ｎ型ＧａＡｓ層
４５ ＩｎＧａＡｓ層
４６ ｐ型ＧａＡｓ層
４７ ｐ型ＧａＡｓ層
５３ ｎ型ＩｎＰ層
５４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
５５ ＩｎＧａＡｓ層
５６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
５７ ｐ型ＩｎＰ層
５８ 高抵抗ＩｎＰ
６３ ｎ型ＩｎＰ層
６４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ多層構造
６５ ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層
６６ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ多層構造
６７ ｐ型ＩｎＰ層
６８ 表面保護層
７３ ｎ型ＧａＮ層
７４ ｎ型ＧａＮ/ＩｎＧａＮ層
７５ ＩｎＧａＮ層
７６ ｐ型ＧａＮ/ＩｎＧａＮ層
７７ ｐ型ＧａＮ層
８０Ａ〜８０Ｄ 光導波路
８１ コア
８２ クラッド
１００ 半導体発光素子アレー
１０１ ドライバＩＣ
１１０Ａ〜１１０Ｄ 発光素子
１２０ プリント回路基板
２００ 受光素子アレーチップ
２０１ レシーバＩＣ
２１０ 他のＩＣ
３００ 光合分波器
３１０ 光導波路
４００ サーバユニット
４１０ 分岐サーバ
４２０ 地域通信網
４３０ 端末ＰＣ
４４０ ホストサーバ
４５０ インターネット
５００ 半導体結晶基板
５０１〜５０４ 絶縁膜パターン部
５１１〜５１４ 半導体ロッド
５２０ 電極
５２１〜５２４ 電極
５２１’〜５２４’ 電極
５３０ 埋め込み層
５５０ 光ファイバ
５５１ コア
５５２ クラッド
６００ 半導体結晶基板
６０１〜６０３ 絶縁膜パターン部
６１１〜６１３ 半導体ロッド
６２０ 電極
６２１〜６２３ 電極
６２１’〜６２３’ 電極
６３０ 埋め込み層
６５０ 光ファイバ
６５１ コア
６５２ クラッド
１ 半導体結晶基板
２ 絶縁膜
２Ａ〜Ｈ 絶縁膜部
３Ａ〜３Ｈ 開口部
４ 半導体ロッド
４Ａ〜４Ｈ 半導体ロッド
ｐ１Ａ〜ｐ１Ｄ ｐ２Ａ〜ｐ２Ｄ 開口部同士の中心間距離
ｈＡ〜ｈＨ 半導体ロッドの高さ
１１ ｎ型電極
１２ 絶縁材料
１３ ｐ型電極
１３Ａ〜１３Ｈ ｐ型電極
２３ ｎ型ＧａＡｓ層
２４ ｎ型ＡｌＧａＡｓ層（障壁層）
２５ ＧａＡｓ層（量子井戸層）
２６ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（障壁層）
２７ ｐ型ＧａＡｓ層
２８ ＡｌＧａＡｓ横方向成長膜
３３ ｎ型ＧａＡｓ層
３４ ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造
３５ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸層
３６ ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多層構造
３７ ｐ型ＧａＡｓ層
４３ ｎ型ＧａＡｓ層
４４ ｎ型ＧａＡｓ層
４５ ＩｎＧａＡｓ層
４６ ｐ型ＧａＡｓ層
４７ ｐ型ＧａＡｓ層
５３ ｎ型ＩｎＰ層
５４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
５５ ＩｎＧａＡｓ層
５６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層
５７ ｐ型ＩｎＰ層
５８ 高抵抗ＩｎＰ
６３ ｎ型ＩｎＰ層
６４ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ多層構造
６５ ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層
６６ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ/ＩｎＰ多層構造
６７ ｐ型ＩｎＰ層
６８ 表面保護層
７３ ｎ型ＧａＮ層
７４ ｎ型ＧａＮ/ＩｎＧａＮ層
７５ ＩｎＧａＮ層
７６ ｐ型ＧａＮ/ＩｎＧａＮ層
７７ ｐ型ＧａＮ層
８０Ａ〜８０Ｄ 光導波路
８１ コア
８２ クラッド
１００ 半導体発光素子アレー
１０１ ドライバＩＣ
１１０Ａ〜１１０Ｄ 発光素子
１２０ プリント回路基板
２００ 受光素子アレーチップ
２０１ レシーバＩＣ
２１０ 他のＩＣ
３００ 光合分波器
３１０ 光導波路
４００ サーバユニット
４１０ 分岐サーバ
４２０ 地域通信網
４３０ 端末ＰＣ
４４０ ホストサーバ
４５０ インターネット
５００ 半導体結晶基板
５０１〜５０４ 絶縁膜パターン部
５１１〜５１４ 半導体ロッド
５２０ 電極
５２１〜５２４ 電極
５２１’〜５２４’ 電極
５３０ 埋め込み層
５５０ 光ファイバ
５５１ コア
５５２ クラッド
６００ 半導体結晶基板
６０１〜６０３ 絶縁膜パターン部
６１１〜６１３ 半導体ロッド
６２０ 電極
６２１〜６２３ 電極
６２１’〜６２３’ 電極
６３０ 埋め込み層
６５０ 光ファイバ
６５１ コア
６５２ クラッド
Claims (15)
- 半導体結晶基板、
前記半導体結晶基板の表面に配置された絶縁膜であって、
前記絶縁膜は２以上の領域に区分されており、かつ
前記２以上の領域のそれぞれには、前記基板の表面を露出させる２以上の開口部が形成されている絶縁膜、
前記基板の表面から前記開口部を通って上方に延伸する半導体ロッドであって、前記延伸方向にｎ型半導体層とｐ型半導体層が積層されており、ｐ−ｎ接合を有する半導体ロッド、ならびに
前記半導体結晶基板に接続された第一電極、および前記半導体ロッドの上部に接続された第二電極を含む半導体発光素子アレーであって、
前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さは、前記２以上の領域毎に異なる、半導体発光素子アレー。 - 前記半導体ロッドは、ｐ−ｎヘテロ接合を有する、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。
- 前記半導体ロッドは量子井戸構造を有する、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。
- 前記開口部の面積の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。
- 前記開口部の中心間距離の平均は、前記２以上の領域毎に異なる、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。
- 前記半導体結晶基板は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、ＧａＮ、ＳｉＣ、およびＡｌ２Ｏ３からなる群から選択される半導体材料の結晶基板であり、かつ
前記絶縁膜が配置された基板の表面は、結晶軸（１１１）面である、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。 - 前記半導体ロッドは、有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法により形成される、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。
- 前記第一電極はｎ電極であり、かつ
前記第二電極はｐ電極であって、透明電極である、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。 - 前記第一電極はｐ電極であり、かつ
前記第二電極はｎ電極であって、透明電極である、請求項１に記載の半導体発光素子アレー。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレーの製造方法であって、
Ａ）結晶軸（１１１）面を絶縁膜で被覆された半導体結晶基板を準備するステップであって、
前記絶縁膜は、２以上の領域に区分されており、かつ
前記２以上の領域のそれぞれには、前記結晶軸（１１１）面を露出させる２以上の開口部が形成されているステップ、および
Ｂ）有機金属気相成長法または分子線エピタクシー法を用いて、前記絶縁膜で被覆された半導体結晶基板から、前記開口部を通して半導体ロッドを形成するステップであって、ｎ型半導体からなる層を形成する工程と、ｐ型半導体からなる層を形成する工程とを含むステップ、
を有する、半導体発光素子アレーの製造方法。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレー、および
前記２以上の領域のそれぞれに配置され、各領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレー、および
前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、光送信機器。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレー、
前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および
前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、光送信機器。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレー、および
前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光が入射する光導波路を含む、照明機器。 - 請求項１に記載の半導体発光素子アレー、
前記２以上の領域の半導体ロッドからの発光を合波する光合波器、および
前記合波器で合波された光が入射する光導波路を含む、照明機器。
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2008/002956 WO2010044129A1 (ja) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | 半導体発光素子アレー、およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP5211352B2 true JP5211352B2 (ja) | 2013-06-12 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010533729A Active JP5211352B2 (ja) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | 半導体発光素子アレー、およびその製造方法 |
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| WO (1) | WO2010044129A1 (ja) |
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