JPH0426159A - 半導体光集積装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、発光ダイオードアレイを搭載したＬＥＤプリ
ンタヘットや、光情報処理等に応用される半導体光集積
装置に関する。

〔従来の技術〕

発光素子（発光ダイオード、レーザーダイオード等）と
、その発光素子から発光した光を受光する受光素子（フ
ォトダイオード等）とが同一基板上に形成されている発
光・受光素子一体型の半導体光集積装置としては、例え
ば第４図に示すような構造のものが知られている（例え
ば、　Ｋ、ＩＯＡ、Ｂ、Ｉ。

ＭＩＬＬＥＲ：ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ　ＬＡＳＥＲＷ
ＩＴＨＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣＡＬＬＹＩＮＴＥＧＲＡＴ
ＥＤ　　ＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧ　　ＤＥＴＥＣ丁ＯＲ，
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ３ＬＥＴＴＥＲ３，１，９８０，
Ｖｏｌ、１６．Ｎｏ９．ｐｐ、３４２−３４３参照）。

第４図に示す構造の発光・受光素子一体型の半導体光集
積装置では、先ずｎ−ＩｎＰ基板上にダブルへテロ接合
を有する半導体エピタキシャル結晶層を形成する。そし
て、活性層に対し垂直方向ヘエッチングを施して２つに
素子分離を行い、ここで形成したエツチング側面に対し
て垂直方向へストライプ状にＰ側オーミック電極を形成
している。

またｎ−ＩｎＰ基板側にはＮ側オーミック電極を形成し
ている。

この２つに素子分離した半導体光集積装置では、バイア
スのかけ方で一方の素子部を発光素子に、他方の素子部
を受光素子として用いることができ。

モニタ付光源として用いることができる。

このような構造の半導体光集積装置は、発光・受光素子
間をエツチングによって空間的分離を行うことで電気的
分離を行っている。マタ、空間的分離を行うことで、活
性層に垂直なミラー面を形成し、発光素子をレーザー動
作させている。このとき１発光素子からのレーザー光は
エツチングにより形成された溝を介して受光素子でモニ
タされる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、第４図に示す構造の半導体光集積装置では、
発光素子にインコヒーレント性の光を発する発光ダイオ
ードを用いた場合、発光素子と受光素子が空間的に分離
されているため、発光素子から発した光を受光素子で受
ける際の光の利用効率が悪いという欠点がある。

すなわち１発光ダイオード内で発した光は発光素子端面
で約３２％（へき開面の場合）の反射率を有しているの
で、発光素子から取り出される光は受光素子方向へ発す
る光の約６８％になる。その上、発光素子外部へ取り出
された光は、ある発散角（素子構造により異なる）をも
って発光・受光素子間の空間を経て受光素子の受光部へ
入射される。

その際、発光素子から発した光は受光素子の受光部へ達
するまでに数十％の損失が生じる。また、受光素子の受
光部端面での反射もあり、受光素子が受光できる光は発
光素子で発した光のごく一部となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、同一半
導体基板上に同一層構造の端面発光型発光ダイオードと
端面受光型フォトダイオードとがモノリシックに配置さ
れ、発光ダイオードとフォトダイオードとが電気的に絶
縁され、且つ、発光ダイオードから発した光を効率よく
フォトダイオードで受光することができる半導体光集積
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明では、端面発光型発光
ダイオードと、その発光ダイオードから発した光を受光
できる端面受光型フォトダイオドとが同一基板上に形成
されている発光・受光素子一体型の半導体光集積装置に
おいて、少なくとも一つの接合を有する構造からなる半
導体積層部を備え、該半導体積層部の端面発光型発光ダ
イオードの光出射面となり得る面とその面と対向する面
の夫々の近傍を除くそれらの面の間の任意の領域に、半
導体積層部主表面から半導体基板に対して半導体積層部
上表面から少なくとも接合を貫く深さまで形成された高
抵抗領域を設け、上記半導体積層部に上記高抵抗領域に
よって電気的に分離された二つの半導体積層領域を設け
、夫々の半導体積層領域へのバイアスのかけ方で一方を
発光ダイオードとして、他方をフォトダイオードとして
動作させることを特徴とする。

〔作　　用〕

本発明の半導体光集積装置は、第一導電型半導体基板上
へ少なくとも一つの接合を有する構造からなる半導体積
層部を設け、該半導体積層部において、発光ダイオード
の光出射面となり得る基板に対し垂直な面と、その面と
対向する面夫々の近傍を除くそれらの面の間の任意の領
域へ、半導体積層部主表面から少なくとも接合部を貫く
深さまで高抵抗領域を形成する。

その高抵抗領域は、発光出力方向に対し、垂直方向の素
子幅全域に渡って形成されており、接合部は、高抵抗領
域を介して電気的に絶縁された二つの領域に分離される
。

そして、電気的に分離された二つの接合部の一方に顯バ
イアス電圧を印加すると、その接合部を含む半導体積層
部は端面発光型発光ダイオードとして動作する。また、
半導体積層部の他方の領域は、その接合部へ逆バイアス
電圧を印加することで、端面発光型発光ダイオードから
発した光を高抵抗領域を介して光を検出する端面受光型
フォトダイオードとして動作する。

〔実　施　例〕

以下１本発明の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

第１図は本発明の第一の実施例を示す半導体光集積装置
の概略的斜視構成図である。

第１図において、本実施例の半導体光集積装置では、ｎ
−ＧａＡｓ基板１０１上へｎ−ＧａＡｓバッファ層１０
２、ｎ−Ａ１．Ｇａｔ−Ｊｓクラッド／１１１０３−　
ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（ｘ＞い活性層１０４　、　ｐ−
ＡｌｚＧａｌ−ＫＡＳクラッド層１０５　、ｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層１０６の順でダブルへテロ接合を有する半
導体層が積層されており、これら半導体層は例えば公知
のＭ　ＯＣＶ　Ｄ　（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法
を用いた結晶成長で作成される。

このダブルへテロ接合を有する半導体積層部において、
発光ダイオードの光出射面７０１とその面に対向する面
７０２の夫々の近傍を除く任意の領域へ半導体積層部主
表面から半導体基板１０１に対して少なくとも活性［１
０４を貫く深さまで、高抵抗領域３０１を形成する。尚
、本実施例では、高抵抗領域３０１は、光出射面７０１
及びこの光出射面７０１と対向する面７０２と平行に形
成されている。

この高抵抗領域３０１を介して２分割された夫々の半導
体ｖＬ層部の接合は、高抵抗領域３０１で電気的に絶縁
される。また、高抵抗領域３０１を挾んで高抵抗領域３
０１の両側に形成された二つの半導体積層部に夫々Ｐ型
オーミック電極２０１．２０２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ
基板１０１側に共通電極としてＮ型オーミック電極２０
５を形成する。一方のＰ型オーミック電極２０１とＮ型
オーミック電極２０５との間に順方向のバイアス電圧ｖ
ｌを印加すると、電流はＡｌｙＧａ１−アＡｓ活性Ｎ１
０４へ注入され１発光が生じ、発光素子として動作させ
ることができる。他方のＰ型オーミック電極２０２とＮ
型オーミック電極２０５との間に逆方向のバイアス電圧
ｖｒを印加することで、発光ダイオード８０１から発し
た光を高抵抗領域３０１を介して検出する端面受光型フ
ォトダイオード８０２として動作させることができる。

ここで、上記高抵抗領域３０１の形成方法としては、例
えば、プロトンを用いたイオン打ち込みを行うことで行
える。このプロトン打ち込み用のマスクとしては、酸化
ケイ素膜をスパッタ法にて例えば１５００人程度０膜厚
でプロトンを打ち込む領域を除く全ての半導体積層部主
表面へ形成する。そして、ここで形成した酸化ケイ素膜
をマスクとして用い、プロトンを浅くともＡｌ、Ｇａｔ
−、Ａｓ活性層１０４を貫く深さまで打ち込む。例えば
、ｐ−ＧａＡＳキャップＪ’１１０６の表面からＡＩ、
Ｇａ、−、Ａｓ活性Ｊ１１０４下部までの深さを１．５
μｍとした場合、約２００ｋｅＶのエネルギーでプロト
ンを打ち込めば、プロトンは約２μｍの深さまで打ち込
むことができるので、Ａｌ、Ｇａ。

、−、Ａｓ活性層１０４を貫いてｎ−Ａｌ、Ｇａ、−、
Ａｓクラッド層１０３まで達する高抵抗領域を形成でき
る。

次に、第２図は本発明の第二の実施例を示す半導体光集
積装置の概略的斜視構成図である。

本実施例は、第１図に示す第一の実施例で示した端面発
光型発光ダイオードと端面受光型フカｌ−ダイオードを
集積した光集積装置を複数個（少なくとも二個以上）−
次元アレイ状に配列した例である。

第２図に示す構造の半導体光集積装置においては、、　
ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０２、ｎ−Ａ１．ｘＧａ、−、Ａｓクラッド層１０３
　、　Ａｌ、Ｇａｔ−、Ａｓ　（ｘ＞ｙ）活性ＷＪ１０
４　、ｐ−Ａｌ、ＧａＬ−、ＡｓクラッドＪＥＪ１０５
　、　ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０６の順でダブルへテ
ロ接合を有する半導体層が積層されており、各半導体層
は、例えばＭＯＣＶＤ法を用いた結晶成長で作成できる
。

次に、ダブルへテロ接合を有する半導体積層部主表面か
ら発光ダイオードの光出射面７０１　とその面に対向す
る面７０２の夫々の近傍を除く任意の領域へ半導体基板
１０１に対して少なくとも活性層１０４を貫く深さまで
高抵抗領域３０１を形成する。この高抵抗領域３０１は
、前述したように、例えばプロトンを用いたイオン打ち
込みを行うことで形成できる。

高抵抗領域３０１を介して２分割された夫々の半導体積
層部は、高抵抗領域３０１で電気的に＃！縁さ九る。一
つの高抵抗領域３０１と、その両側の一つの発光部８０
１、一つの受光部８０２とからなる光集積素子の一要素
は、隣接する要素と、光呂射方向と同方向で且つ素子長
全域に渡って少なくとも活性層１０４を貫く深さまでエ
ツチングで形成された溝３０２で空間的・電気的に分離
される。この様に形成した一つの発光ダイオード８０１
と一つのフォトダイオード８０２の対からなる一要素は
、空間的・電気的に分離している溝３０２を介して一次
元アレイ状に配列されている。したがって、この光集積
装置では、例えば一つの発光ダイオード８０１に順方向
のバイアス電圧Ｖｆｌを印加すると、バイアス電圧Ｖｆ
Ｌを印加した発光ダイオード８０１で発光を生じる。ま
た、フォトダイオード８０２へ逆方向のバイアスＶ、を
印加することでｖ、Ｌを印加した発光ダイオード８０１
から発した光は、■、、１を印加したフォトダイオード
８０２で検出される。

次に、第３図は本発明の第三の実施例を示す半導体光集
積装置の概略的斜視構成図である。

本実施例は、複数個（少なくとも２個以上）−次元アレ
イ状に配列した端面発光型ダイオードと１個の端面受光
型フォトダイオードを集積した半導体光集積装置の例で
ある。

第３図において、この半導体光集積装置では、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１０１上へｎ−ＧａＡｓバッファ　１１０２、
ｎ−Ａｌ。

Ｇａ１−ＸＡＳクラッド暦１０３、ＡＩ、Ｇａｔ−、Ａ
ｓ　（ｘ＞ｙ）活性層１０４　、　ｐ−ＡｌｘＧａ１−
＋＋ＡｓクラッドＪｉ１０５　、　ｐ−ＧａＡｓキャッ
プ８１０６の順でダブルへテロ接合を有する半導体層が
積層されており、各半導体層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法
を用いた結晶成長で作成できる。

また、ダブルへテロ接合を有する半導体積層部主表面か
ら発光ダイオードの光出射面７０１とその面に対向する
面７０２の夫々の近傍を除く任意の領域へ半導体基板１
０１に対して少なくとも活性層１０４を貫く深さまで高
抵抗領域３０１が形成されており、この高抵抗領域３０
１は、例えばプロトンを用いたイオン打ち込みを行うこ
とで形成できる。

上記高抵抗領域３０１を介して２分割された夫々の半導
体積層部は、高抵抗領域３０１で電気的に絶縁される。

高抵抗領域３０１を介して電気的に絶縁さ九でいる両半
導体積暦部の発光部となる一方の半導体積層部８０１は
、発光の出射方向と同方向で且つ短くとも光出射端７０
１から高抵抗域３０１に達する長さを持ち、少なくとも
活性層１０４を貫く深さまでエツチングされた溝３０２
で空間的・電気的に分離されている。

この様に、発光ダイオード８０】　が−次元アレイ状に
配列されているのに対し、フォトダイオー８部は共通と
なっており、１個の集積型半導体装置が形成される。例
えば、発光ダイオード８０１に順方向のバイアス電圧Ｖ
ｔＩを印加すると、Ｖｆｌを印加した発光ダイオード８
０１から発した光は高抵抗領域を介して逆方向のバイア
ス電圧ＶＰＩが印加されたフォトダイオード８０２で検
出される。

尚、第二の実施例、第三の実施例のような発光ダイオー
ドのアレイ化においては、発光ダイオード８０１とフォ
トダイオード８０２の間が高抵抗領域３０１の介在によ
って空間的に分離されることなく平坦に形成されている
故に、配線電極の多層配線技術を用いることで、例えば
６００ｄｐｉ以上の高密度アレイ化の実現が可能となる
。

以上、本発明による半導体光集積装置の実施例について
説明したが、各実施例において、結晶成長方法としては
、ＭＯＣＶＤ法以外に公知のＭＢＥ　（Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、Ｌ　Ｐ　Ｅ　（
ＬｉｑｕｉｄＰｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法、Ｖ　Ｐ
　Ｅ　（Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法
等を用いることができる。

また、基板１０１及びバッファ層１０２の構成材料とし
ては、ＧａＡｓ以外にＩｎＰ、　ＧａＰまたはＧａＡｓ
Ｐ等を使用することができる。また、クラッド５１０３
．１０５及び活性層１０４を構成する材料としては、Ａ
ｌＧａＡｓ以外にＧａＡｓ、　ＧａＡｓＰ、　ＩｎＧａ
ＡｓＰ、　ＡＩＧａＩｎＰ、　ＧａＰ。

ＩｎＰまたはＩｎＧａＰ等を使用することができる。ま
た、キャップ層１０６は、ＧａＡｓ以外にＩｎＰ、　Ｇ
ａＰまたはＧａＡｓＰ等を使用することができる。

基板１０１の導電型は、Ｎ型以外にＰ型を用いることが
できる。また、基板１０１の導電型が決まれば、バッフ
ァ層１０２、クラッドＪｌ）１０３．１０５．キャンプ
層１０６の導電型は決まる。

高抵抗領域３０１形成時のイオン打ち込み用マスりとじ
ては、前述の酸化ケイ素以外に窒化ケイ素等を使用する
ことができる。また、ＦＩＢ法などのマスクを用いない
イオン打ち込みの方法も使用することができる。また、
高抵抗領域３０１の形成は、プロトンのイオン打ち込み
以外に、Ｏ゛イオンＧａイオン等を用いたイオン打ち込
みを行うことによっても形成できる。

また、光に対してアクセスする接合部としては、ダブル
へテロ接合以外に、ホモ接合、シングルへテロ接合、不
純物拡散による接合等を用いることができる。特に、接
合をダブルへテロ構造とした場合には、クラッド層に挾
まれた活性層１０４が高屈折率という導波路構造となっ
ているため、高抵抗領域３０１のその導波路構造を介し
て、効率よく発光部８０１から受光部８０２へ光が伝達
するため、より一層、受光効率が向上する。

また、第二、第三の実施例において各素子間を空間的に
分離するために用いたエツチングは、特に塩素系のガス
を使用したドライエツチングによるものが有効に行うこ
とができる。ただし、他の方法（ドライエツチング、ウ
ェットエツチング）によるものでも同様の分離溝を形成
できることは言うまでもない。さらに、ここでは、−次
元アレイ状に配列した素子間の電気的絶縁をエツチング
で形成した溝３０２によって空間的に分離して行う例を
示したが、発光ダイオード８０１とフォトダイオード８
０２との間を高抵抗領域３０１で電気的に絶縁したのと
同様に、−次元アレイ状に配列した素子間へ高抵抗領域
３０１を形成することで電気的絶縁をすることもできる
。

〔発明の効果〕 以上実施例に基づいて説明したように、本発明による、
端面発光型発光ダイオードとその発光ダイオードから発
した光を受光できる端面受光型フォトダイオードとが同
一基板上に形成されている発光・受光素子一体型の半導
体光集積装置においては、少なくとも一つの接合を有す
る半導体積層部の両端を除く任意の領域に、半導体積層
部主表面から浅くとも接合を貫く深さまで高抵抗領域を
形成しているので、発光ダイオード部とフォトダイオー
ド部とを電気的に絶縁し、且つ発光ダイ−オード部から
発した光を高抵抗領域を介して効率よくフォトダイオー
ドで受光することができる。

特に、接合をダブルへテロ構造とした場合は、クラッド
層に挾まれた活性層が高屈折率という導波路構造を介し
て効率よく発光部から受光部へ光が伝達するため、−ｍ
、受光効率が向上する。

また、本発明による半導体光集積装置においては、発光
部と受光部間に大きな段差がないので、配線上も有利で
あり、高密度アレイ化の実現も可能となる。

したがって、本発明によれば、同一半導体基板上に同一
層構造の端面発光型発光ダイオードと端面受光型フォト
ダイオードとがモノリシックに配置され、発光ダイオー
ドとフォトダイオードとが電気的に絶縁され、且つ、発
光ダイオードから発した光を効率よくフォトダイオード
で受光することができ、さらには高密度アレイ化の実現
も可能な半導体光集積装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す半導体光集積装置
の概略的斜視構成図、第２図は本発明の第二の実施例を
示す半導体光集積装置の概略的斜視構成図、第３図は本
発明の第三の実施例を示す半導体光集積装置の概略的斜
視構成図、第４図は従来技術の一例を示す半導体光集積
装置の概略的斜視構成図である。 １０１”・ｎ−ＧａＡｓ基板、１０２・・・ｎ−ＧａＡ
ｓバッファ層、１０３”・ｎ−Ａ１．Ｇａｔ−、Ａｓク
ラッド層、１０４−ＡＩ、Ｇａ、−。 Ａｓ（ｘ＞ｙ）活性層、１０５・・・ｐ−Ａ１．Ｇａｔ
−、Ａｓクラッド層、１０６・・・ｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層、２０１・・・Ｐ型オーミック電極（発光ダイオー
ド側）　、　２０２・・・Ｐ型オーミック電極（フォト
ダイオード側）　、　２０５・・・Ｎ型オーミック電極
、３０１・・・高抵抗領域、３０２・・・分離溝、５０
１・・・光出力、６０１・・・電流経路、６０２・・・
光導波経路、７０１・・・光出射面、７０２・・・光出
射面と対向する面、８０１・・・端面発光型発光ダイオ
ード、８０２・・・端面受光型フォトダイオード。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　端面発光型発光ダイオードと、その発光ダイオードか
   ら発した光を受光できる端面受光型フォトダイオードと
   が同一基板上に形成されている発光・受光素子一体型の
   半導体光集積装置において、少なくとも一つの接合を有
   する構造からなる半導体積層部を備え、該半導体積層部
   の端面発光型発光ダイオードの光出射面となり得る面と
   その面と対向する面の夫々の近傍を除くそれらの面の間
   の任意の領域に、半導体積層部表面から半導体基板に対
   して半導体積層部主表面から少なくとも接合を貫く深さ
   まで形成された高抵抗領域を設け、上記半導体積層部に
   上記高抵抗領域によって電気的に分離された二つの半導
   体積層領域を設け、夫々の半導体積層領域へのバイアス
   のかけ方で一方を発光ダイオードとして、他方をフォト
   ダイオードとして動作させることを特徴とする半導体光
   集積装置。