JP5309386B2 - 半導体発光素子アレー、その製造方法、及び光送信機器 - Google Patents
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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可されることにより、各活性層から発光が起こり多色で発光する。
[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、矩形、三角形、六角形、および円形の中のいずれか1つの形状を有し、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、
前記半導体結晶基板の表面から前記開口部を通って前記開口部よりも上方に延伸し延伸方向に沿って同じ太さを有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2以上の領域のそれぞれの大きさD1は、前記第一電極と前記第二電極を用いて前記p−n接合に発光のための電力を印加したときに出力される光を所定の光導波路で受光できるように、前記所定の光導波路のコアの直径をD2とし、前記各領域から出力される前記光の拡がり角度をθとし、前記各領域と前記所定の光導波路との距離をLとして、D1=(D2−2Ltanθ)に設定され、
前記2以上の各領域のそれぞれにおいて、前記複数の開口部の間の間隔が異なって設定され、前記間隔がより小さく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さが、前記間隔がより大きく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さよりも高い、半導体発光素子アレー。
[2] 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、矩形、三角形、六角形、および円形の中のいずれか1つの形状を有し、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、
前記半導体結晶基板の表面から前記開口部を通って前記開口部よりも上方に延伸し延伸方向に沿って同じ太さを有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2以上の領域のそれぞれの大きさD1は、前記第一電極と前記第二電極を用いて前記p−n接合に発光のための電力を印加したときに出力される光を所定の光導波路で受光できるように、前記所定の光導波路のコアの直径をD2とし、前記各領域から出力される前記光の拡がり角度をθとし、前記各領域と前記所定の光導波路との距離をLとして、D1=(D2−2Ltanθ)に設定され、
前記2以上の各領域のそれぞれにおいて、前記複数の開口部の径が異なって設定され、前記開口部の径がより小さく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さが、前記開口部の径がより大きく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さよりも高い、半導体発光素子アレー。
[3] 前記半導体ロッドは、p−nヘテロ接合を有する、[1]または[2]に記載の半導体発光素子アレー。
[4] 前記半導体ロッドは量子井戸構造を有する、[1]または[2]に記載の半導体発光素子アレー。
[5] 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]または[2]に記載の半導体発光素子アレー。
[6] 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]または[2]に記載の半導体発光素子アレー。
[7] 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]または[2]に記載の半導体発光素子アレー。
[8] 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。
[9] 前記[2]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型半導体から構成される層を形成する工程と、p型半導体から構成され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。
[10] 前記[1]または[2]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前記所定の光導波路を含む、光送信機器。
[11] 前記[1]または[2]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1本の波長多重伝送用光導波路を含む、光送信機器。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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18には、本発明の半導体発光素子アレー100(図9A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。
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
Claims (11)
- 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、矩形、三角形、六角形、および円形の中のいずれか1つの形状を有し、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、
前記半導体結晶基板の表面から前記開口部を通って前記開口部よりも上方に延伸し延伸方向に沿って同じ太さを有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2以上の領域のそれぞれの大きさD1は、前記第一電極と前記第二電極を用いて前記p−n接合に発光のための電力を印加したときに出力される光を所定の光導波路で受光できるように、前記所定の光導波路のコアの直径をD2とし、前記各領域から出力される前記光の拡がり角度をθとし、前記各領域と前記所定の光導波路との距離をLとして、D1=(D2−2Ltanθ)に設定され、
前記2以上の各領域のそれぞれにおいて、前記複数の開口部の間の間隔が異なって設定され、前記間隔がより小さく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さが、前記間隔がより大きく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さよりも高い、半導体発光素子アレー。 - 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、矩形、三角形、六角形、および円形の中のいずれか1つの形状を有し、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、
前記半導体結晶基板の表面から前記開口部を通って前記開口部よりも上方に延伸し延伸方向に沿って同じ太さを有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2以上の領域のそれぞれの大きさD1は、前記第一電極と前記第二電極を用いて前記p−n接合に発光のための電力を印加したときに出力される光を所定の光導波路で受光できるように、前記所定の光導波路のコアの直径をD2とし、前記各領域から出力される前記光の拡がり角度をθとし、前記各領域と前記所定の光導波路との距離をLとして、D1=(D2−2Ltanθ)に設定され、
前記2以上の各領域のそれぞれにおいて、前記複数の開口部の径が異なって設定され、前記開口部の径がより小さく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さが、前記開口部の径がより大きく設定される前記領域の前記半導体ロッドの前記基板表面からの高さよりも高い、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または2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または2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、及び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または2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または2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または2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、
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2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型半導体から構成される層を形成する工程と、p型半導体から構成され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または請求項2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前記所定の光導波路を含む、光送信機器。 - 請求項1または請求項2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1本の波長多重伝送用光導波路を含む、光送信機器。
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