JPH10200154A - Optical semiconductor element and fabrication thereof - Google Patents

Optical semiconductor element and fabrication thereof

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JPH10200154A
JPH10200154A JP298297A JP298297A JPH10200154A JP H10200154 A JPH10200154 A JP H10200154A JP 298297 A JP298297 A JP 298297A JP 298297 A JP298297 A JP 298297A JP H10200154 A JPH10200154 A JP H10200154A
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JP
Japan
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light
light emitting
light receiving
compound semiconductor
iii
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JP298297A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Oba
康夫 大場
Genichi Hatagoshi
玄一 波多腰
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH10200154A publication Critical patent/JPH10200154A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance emission efficiency and light receiving sensitivity by forming the active layers at the light emitting part and the light receiving part in a multilayer structure of a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element thereby integrating the light emitting part and the light receiving part on the same substrate. SOLUTION: When a transmitting part A is formed circularly and a receiving part B is formed annularly, scattering light from a plastic fiber 30 can be coupled effectively with the receiving part B while coupling the plastic fiber 30 well with the transmitting part A. Since the light emitting part of the transmitting part A and the photosensitive part of the receiving part B can be formed on the same plane, mutual interference can be minimized. When a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element, i.e., GaInN, in an active layer, an emission wavelength in the range of 450-600nm can be obtained in the plastic fiber 30 at the transmitting part A while suppressing attenuation.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、信号伝送装置用の
光半導体素子に係わり、特に同一基板上に発光部と受光
部を形成した光半導体素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor device for a signal transmission device, and more particularly to an optical semiconductor device having a light emitting portion and a light receiving portion formed on the same substrate.

【0002】[0002]

【従来の技術】光ファイバを用いた信号伝送装置は、同
軸ケーブルを用いた信号伝送に比較して、高速変調信号
伝送時においても減衰が少ない。特に、信号ケーブル径
が制限される機器間,盤内配線などではこの差は顕著で
ある。しかし、一般的な石英系ファイバとGaInAs
PやAlGaAs等を発光層とする発光素子とを組み合
わせた伝送装置では、装置コストが高くなる上に、ファ
イバの湾曲半径が大きいために微細な配線には不向きで
あった。
2. Description of the Related Art A signal transmission device using an optical fiber has less attenuation even at the time of transmitting a high-speed modulated signal than signal transmission using a coaxial cable. In particular, this difference is remarkable in the case where the diameter of the signal cable is limited between devices or wiring in a panel. However, general quartz-based fiber and GaInAs
A transmission device combining a light-emitting element having a light-emitting layer of P, AlGaAs, or the like is not suitable for fine wiring because the device cost is high and the bending radius of the fiber is large.

【0003】これらの不都合を解決するために、石英系
ファイバに代えてアクリル系のプラスチックファイバを
用いた装置も一部使用されている。しかし、プラスチッ
クファイバでは、従来使用されてきた半導体発光素子を
光源として用いた場合、光吸収による伝送損失が大きい
欠点がある。
In order to solve these inconveniences, some devices using acrylic plastic fibers instead of quartz fibers have been used. However, the plastic fiber has a disadvantage that when a conventionally used semiconductor light emitting device is used as a light source, transmission loss due to light absorption is large.

【0004】図6は代表的なプラスチックファイバの光
吸収損失の波長依存性を示したものである。石英系ファ
イバで用いられる長波長域では吸収損失が大きいが、6
50nm付近の波長域で比較的吸収が低くなっている。
この波長域の光源としては、GaAlAs系のLEDと
AlGaInP系のレーザ若しくはLEDが利用可能で
あるが、これらの光源は動作寿命が伝送用としては必ず
しも十分ではない。
FIG. 6 shows the wavelength dependence of light absorption loss of a typical plastic fiber. Although absorption loss is large in the long wavelength region used for silica-based fibers,
Absorption is relatively low in the wavelength region around 50 nm.
As a light source in this wavelength range, a GaAlAs-based LED and an AlGaInP-based laser or LED can be used, but these light sources do not always have sufficient operating life for transmission.

【0005】また、プラスチックファイバでは、径が1
mm程度とかなり太いために複数本を束ねて使用するこ
とに問題があり、単一のファイバにて送受信の可能な双
方向の機能が求められていた。このためには、発光部と
受光部を同一基板上に集積化した光半導体素子が必要と
なる。しかし、同一基板上に材料組成と膜厚が異なる素
子を作り込むことは極めて困難である。また、同一基板
上に同一の材料組成と膜厚を有する発光素子と受光素子
を作り込んでも、一般に高効率の発光と高感度の受光に
要求される材料組成と膜厚が異なるために、装置性能は
満足できるものとは言えなかった。
In plastic fibers, the diameter is 1
There is a problem in bundling and using a plurality of fibers because they are as thick as about mm, and a bidirectional function capable of transmitting and receiving with a single fiber has been required. For this purpose, an optical semiconductor element in which the light emitting unit and the light receiving unit are integrated on the same substrate is required. However, it is extremely difficult to form devices having different material compositions and film thicknesses on the same substrate. Even when a light-emitting element and a light-receiving element having the same material composition and film thickness are formed on the same substrate, the material composition and the film thickness required for high-efficiency light emission and high-sensitivity light reception are generally different. Performance was not satisfactory.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、単一
のプラスチックファイバを用いて送受信を行うには、同
一基板上に発光部と受光部を集積化する必要があるが、
このような構成では、製造が極めて困難であったり、発
光部及び受光部に要求される性能を共に満足させること
ができない等の問題があった。
As described above, conventionally, in order to perform transmission and reception using a single plastic fiber, it is necessary to integrate a light emitting unit and a light receiving unit on the same substrate.
In such a configuration, there are problems that manufacturing is extremely difficult and that the performance required for the light emitting unit and the light receiving unit cannot both be satisfied.

【0007】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、同一基板上に発光部と
受光部を容易に集積化することができ、且つ発光効率の
向上及び受光感度の向上をはかり得る光半導体素子を提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to easily integrate a light emitting unit and a light receiving unit on the same substrate and to improve luminous efficiency. Another object of the present invention is to provide an optical semiconductor device capable of improving light receiving sensitivity.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(構成)上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、同一基板上に発
光部と受光部を形成してなる光半導体素子であって、前
記発光部及び受光部はIII-V族化合物半導体を用いた同
一の積層構造に形成され、且つ発光部及び受光部の少な
くとも活性層は、窒素をV族元素として含むIII-V族化
合物半導体で形成されていることを特徴とする。
(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure. That is, the present invention is an optical semiconductor device in which a light emitting portion and a light receiving portion are formed on the same substrate, wherein the light emitting portion and the light receiving portion are formed in the same laminated structure using a III-V compound semiconductor, In addition, at least the active layers of the light emitting portion and the light receiving portion are formed of a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element.

【0009】また本発明は、上記構成の光半導体素子の
製造方法において、基板上に、III-V族化合物半導体の
積層構造で、且つ少なくとも活性層に窒素をV族元素と
して含むIII-V族化合物半導体を用いた積層構造を形成
する工程と、前記積層構造上に電極を形成する工程と、
前記積層構造及び電極をエッチングにより発光部と受光
部に分離する工程とを含むことを特徴とする。
Further, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing an optical semiconductor device having the above-mentioned structure, wherein a III-V compound semiconductor having a laminated structure of a III-V compound semiconductor on a substrate and at least an active layer containing nitrogen as a group V element. Forming a laminated structure using a compound semiconductor, and forming an electrode on the laminated structure,
Separating the laminated structure and the electrode into a light emitting portion and a light receiving portion by etching.

【0010】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 基板は、単結晶の絶縁基板、例えばサファイア基板
であること。 (2) 基板の裏面に凹部が形成され、この凹部に光ファイ
バが設置されること。 (3) 発光部は円形に形成され、受光部は発光部の回りに
該発光部と同軸的にリング状に形成されており、発光部
の中心に送受信用の光ファイバの軸心が合わせられるこ
と。 (4) 光ファイバとしてプラスチックファイバを用いるこ
と。 (5) 発光部と受光部は、基板を通して光結合しているこ
と。 (6) 発光部の光のピーク波長が450〜600nmであ
ること。 (7) 活性層(発光部における発光層と受光部における受
光層)の膜厚が、10〜100nmであること。 (8) 活性層は、Alx Gay In1-x-y N(x+y=
1,0≦x,y≦1)であること。 (9) 活性層には、高濃度(5×1018cm-3以上)のド
ナー性不純物が添加されていること。 (10)ドナー性不純物が、Se,S,C,Oのいずれかで
あること。 (11)活性層中に含まれるアクセプタ性不純物濃度がドナ
ー性不純物の1/3以下であること。 (12)積層構造の全ての層は、窒素をV族元素として含む
III-V族化合物半導体であること。 (作用)本発明では、活性層(発光部における発光層及
び受光部における受光層)として窒素をV族元素として
含むIII-V族化合物半導体、特にAlGaInN系の混
晶からなる半導体を用いることにより、プラスチックフ
ァイバの吸収損失が低い波長域にて高効率で高速応答可
能な光送受信を実現する。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The substrate is a single-crystal insulating substrate, for example, a sapphire substrate. (2) A recess is formed on the back surface of the substrate, and an optical fiber is installed in the recess. (3) The light emitting portion is formed in a circular shape, the light receiving portion is formed in a ring shape around the light emitting portion and coaxially with the light emitting portion, and the axis of the transmitting and receiving optical fiber is aligned with the center of the light emitting portion. thing. (4) Use plastic fibers as optical fibers. (5) The light emitting part and light receiving part are optically coupled through the substrate. (6) The peak wavelength of the light from the light emitting section is 450 to 600 nm. (7) The thickness of the active layer (the light emitting layer in the light emitting section and the light receiving layer in the light receiving section) is 10 to 100 nm. (8) the active layer, Al x Ga y In 1- xy N (x + y =
1,0 ≦ x, y ≦ 1). (9) A high-concentration (5 × 10 18 cm −3 or more) donor impurity is added to the active layer. (10) The donor impurity is one of Se, S, C, and O. (11) The concentration of the acceptor impurity contained in the active layer is not more than 1/3 of the donor impurity. (12) All layers of the laminated structure contain nitrogen as a group V element
III-V compound semiconductor. (Function) In the present invention, a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element, particularly a semiconductor made of an AlGaInN-based mixed crystal, is used as an active layer (a light emitting layer in a light emitting portion and a light receiving layer in a light receiving portion). The present invention realizes high-efficiency and high-speed optical transmission and reception in a wavelength region where the absorption loss of a plastic fiber is low.

【0011】同一の材料にて発光層と受光層を兼用する
には、受光波長を長波長側にシフトするために受光層の
禁制帯幅を狭くする必要があり、この方法として高電界
印加時のシュタルク効果の利用が考えられる。AlGa
InN系材料では、吸収端より短波長域での吸収係数が
通常のIII-V族材料よりも大幅に大きいので、受光層膜
厚を薄膜化することが可能である。このため、AlGa
InN系材料を用いることにより、発光部と同じ3V程
度の印加電圧にて受光部において十分な吸収端の長波長
化が期待できる。
In order to use the same material as the light emitting layer and the light receiving layer, it is necessary to narrow the forbidden band width of the light receiving layer in order to shift the light receiving wavelength to a longer wavelength side. The use of the Stark effect can be considered. AlGa
Since the absorption coefficient in the shorter wavelength region than the absorption edge of the InN-based material is much larger than that of a general III-V material, the thickness of the light-receiving layer can be reduced. For this reason, AlGa
By using an InN-based material, it is expected that the absorption edge of the light-receiving part can be sufficiently elongated at the same applied voltage of about 3 V as that of the light-emitting part.

【0012】発光部を円形に、受光部をリング状に形成
することにより、光ファイバと発光部を良好に結合した
状態で、光ファイバからの散乱光を受光部に有効に結合
させることができる。このため、単一の光ファイバを用
いた双方向の光伝送を効率良く行うことが可能となる。
By forming the light emitting portion in a circular shape and the light receiving portion in a ring shape, scattered light from the optical fiber can be effectively coupled to the light receiving portion in a state where the optical fiber and the light emitting portion are well coupled. . Therefore, bidirectional optical transmission using a single optical fiber can be efficiently performed.

【0013】発光波長をアクリル系プラスチックファイ
バの吸収の窓である450〜600nmの間に設定する
ためには発光層のIn組成を20%以上に大きくする必
要がある。この場合、電子と正孔の有効質量が重いため
に励起子の結合エネルギーが大きく室温でも比較的安定
であり、InNの格子定数がAlN,GaNと大きく異
なるために混晶の揺らぎが大きくなりやすく、局在化に
より発光寿命が長くなり応答速度が遅くなる。そこで本
発明では、発光層に高濃度にドナー性不純物を添加(5
×1018cm-3以上)することにより、励起子を構成す
る電子,正孔間に働く静電力を遮蔽することにより励起
子寿命を短くしている。
In order to set the emission wavelength between 450 and 600 nm, which is the absorption window of the acrylic plastic fiber, it is necessary to increase the In composition of the emission layer to 20% or more. In this case, since the effective mass of electrons and holes is large, the binding energy of excitons is large and the stability is relatively stable even at room temperature. The lattice constant of InN is significantly different from AlN and GaN, and the fluctuation of the mixed crystal tends to be large. In addition, the localization extends the light emission life and slows the response speed. Therefore, in the present invention, a donor impurity is added to the light emitting layer at a high concentration (5.
(× 10 18 cm −3 or more), thereby shortening the exciton lifetime by shielding the electrostatic force acting between electrons and holes constituting the excitons.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる光半導体素子の概略構造を示すもので、(a)は
平面図、(b)は(a)の矢視A−A′断面図である。
この実施形態では、受信用pinダイオード(受光部)
と送信用LED(発光部)を同一基板上に集積化した例
を示し、さらにこれらと組み合わされるプラスチックフ
ァイバとの位置関係を示している。なお、受光部は発光
部と反対に電圧を印加することにより高速応答が可能と
なっている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. (First Embodiment) FIGS. 1A and 1B show a schematic structure of an optical semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view, and FIG. It is -A 'sectional drawing.
In this embodiment, a receiving pin diode (light receiving unit)
2 shows an example in which a transmission LED (light emitting unit) is integrated on the same substrate, and further shows a positional relationship with a plastic fiber combined therewith. The light receiving section can respond at high speed by applying a voltage opposite to that of the light emitting section.

【0015】サファイア基板10上にn−GaNバッフ
ァ層11が形成され、その上に送信部Aとして、n−A
lGaNクラッド層12a,GaInN発光層(活性
層)13a,p−AlGaNクラッド層14aからなる
ダブルヘテロ接合構造部が形成され、その上にp−Ga
Nコンタクト層15aが形成されている。ここで、発光
部Aは円柱形状に形成されている。
An n-GaN buffer layer 11 is formed on a sapphire substrate 10, and a n-A
A double heterojunction structure comprising an lGaN cladding layer 12a, a GaInN light emitting layer (active layer) 13a, and a p-AlGaN cladding layer 14a is formed, and p-Ga is formed thereon.
An N contact layer 15a is formed. Here, the light emitting portion A is formed in a columnar shape.

【0016】また、発光部Aの回りには発光部Aと同軸
的にリング状の受光部Bが設けられている。この受光部
Bは、発光部Aと同じ組成の各層12b,13b,14
b,15bから形成されている。そして、発光部Aのコ
ンタクト層15a上には発光側電極21が形成され、受
光部Bのコンタクト層15b上には受光側電極22が形
成され、バッファ層11上には共通電極23が形成され
ている。
A ring-shaped light receiving section B is provided around the light emitting section A coaxially with the light emitting section A. The light receiving section B is composed of the layers 12b, 13b, 14
b, 15b. The light emitting side electrode 21 is formed on the contact layer 15a of the light emitting part A, the light receiving side electrode 22 is formed on the contact layer 15b of the light receiving part B, and the common electrode 23 is formed on the buffer layer 11. ing.

【0017】また、サファイア基板10の裏面は、発光
部Aの下部において直径500μm程度のくぼみが設け
られている。そして、このくぼみにプラスチックファイ
バ30が設置され、発光部A及び受光部Bとファイバ3
0とが光結合するものとなっている。
On the back surface of the sapphire substrate 10, a recess having a diameter of about 500 μm is provided below the light emitting portion A. Then, a plastic fiber 30 is set in the recess, and the light emitting portion A and the light receiving portion B are connected to the fiber 3.
0 is optically coupled.

【0018】次に、本実施形態の光半導体素子の製造方
法について説明する。まず、図2(a)に示すように、
基板10としてサファイアc面若しくはM面方向に1〜
10度傾いた基板を用い、この基板10上にSi若しく
はSe,Sを添加したn型GaNバッファ層11(1〜
9×1018cm-3,1〜10μm)、n型Al0.15Ga
0.85Nクラッド層12(Si,Se,S濃度1×1018
〜3×1019cm-3,0.1〜1.0μm)、Ga0.6
In0.4 N(5×1018〜5×1019cm-3,30〜3
00nm)活性層13、p型Al0.15Ga0.85Nクラッ
ド層14(Mg濃度1×1018〜3×1019cm-3
0.1〜1.0μm)、p型GaNコンタクト層15
(Mg濃度1×1018〜5×1019cm-3,0.1〜
1.0μm)を順次成長形成し、その上にp側電極20
(Pd0.05μm/Pt0.05μm/Au 0.1μm又はNi
0.1μm)を形成する。
Next, a method for manufacturing the optical semiconductor device of the present embodiment will be described. First, as shown in FIG.
As the substrate 10, 1 to 1 in the sapphire c-plane or M-plane direction.
Using a substrate tilted by 10 degrees, an n-type GaN buffer layer 11 (1 to
9 × 10 18 cm −3 , 1 to 10 μm), n-type Al 0.15 Ga
0.85 N cladding layer 12 (Si, Se, S concentration 1 × 10 18
-3 × 10 19 cm -3 , 0.1-1.0 μm), Ga 0.6
In 0.4 N (5 × 10 18 to 5 × 10 19 cm −3 , 30 to 3
00 nm) active layer 13, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 14 (Mg concentration: 1 × 10 18 to 3 × 10 19 cm −3 ,
0.1-1.0 μm), p-type GaN contact layer 15
(Mg concentration 1 × 10 18 to 5 × 10 19 cm −3 , 0.1 to
1.0 μm), and a p-side electrode 20 is formed thereon.
(Pd 0.05 μm / Pt 0.05 μm / Au 0.1 μm or Ni
0.1 μm).

【0019】次いで、図2(b)に示すように、p側電
極20を周知のリソグラフィプロセスにより選択エッチ
ングし、直径200μmの円形部分21と、その周囲を
取り巻くリング状部分22に分離する。
Next, as shown in FIG. 2B, the p-side electrode 20 is selectively etched by a known lithography process to separate a circular portion 21 having a diameter of 200 μm and a ring-shaped portion 22 surrounding the circular portion 21.

【0020】次いで、図2(c)に示すように、発光部
Aと受光部B間、及び受光部B周囲の各半導体層15〜
12をn型GaNバッファ層11が露出するまで反応性
イオンエッチングにより除去する。これにより、同一ウ
ェハから発光部Aと受光部Bを作成できる。
Next, as shown in FIG. 2C, each of the semiconductor layers 15 to 15 between the light emitting portion A and the light receiving portion B, and around the light receiving portion B.
12 is removed by reactive ion etching until the n-type GaN buffer layer 11 is exposed. Thus, the light emitting unit A and the light receiving unit B can be created from the same wafer.

【0021】次いで、受光部Bの外側に露出したn型G
aNバッファ層11上に、n側電極23(Ti0.05μm
/Pt0.05μm/Au 0.1μm又はAl 0.1μm)を受
光部Bを取り囲むように形成する。そして、基板10の
裏面側を発光部Aに対応して直径500μm程度のくぼ
みができるようにエッチングすることにより、前記図1
に示す構造が得られる。
Next, the n-type G exposed outside the light receiving portion B
On the aN buffer layer 11, an n-side electrode 23 (Ti 0.05 μm
/ Pt 0.05 μm / Au 0.1 μm or Al 0.1 μm) so as to surround the light receiving portion B. Then, the back surface of the substrate 10 is etched so as to form a recess having a diameter of about 500 μm corresponding to the light emitting portion A, thereby obtaining the above-described FIG.
The structure shown in FIG.

【0022】本実施形態においては、発光層13aのG
aInNのIn組成は発光波長を450nmから600
nmの範囲に制御するために、10%から50%が適切
である。この場合、バンドの揺らぎが大きいために発光
のエネルギーとキャリアの伝導に寄与する吸収端のエネ
ルギー差が大きいと考えられ、受光部Bの実効吸収端が
発光波長よりも長波長側になるには検知部(活性層13
b)に105 V/cm以上の高電界を印加する必要があ
る。
In this embodiment, the G of the light emitting layer 13a is
The In composition of aInN increases the emission wavelength from 450 nm to 600 nm.
To control in the nm range, 10% to 50% is appropriate. In this case, it is considered that the difference between the energy of light emission and the energy of the absorption edge contributing to carrier conduction is large due to the large fluctuation of the band. (Active layer 13
It is necessary to apply a high electric field of 10 5 V / cm or more to b).

【0023】また、受光部Bは発光波長に対して不透明
で高効率で光を検知するためには最大吸収係数の点から
10nm以上が必要であり、発光部Aの動作電圧である
3V程度にて十分バンドギャップを小さくするためには
上記のように105 V/cm以上の電界強度が必要であ
り、リーク電流を十分低く抑えるには106 V/cm以
下にする必要がある。これらの要請から、活性層13の
膜厚としては30〜300nmが望ましい。
The light receiving section B is opaque to the emission wavelength and needs to have a maximum absorption coefficient of 10 nm or more in order to detect light with high efficiency. As described above, an electric field strength of 10 5 V / cm or more is required to sufficiently reduce the band gap, and it is necessary to be 10 6 V / cm or less to suppress the leak current sufficiently low. From these requirements, the thickness of the active layer 13 is desirably 30 to 300 nm.

【0024】単一の光ファイバにて双方向の通信を行う
にはいくつかの工夫が必要である。この例では、発光部
Aを円形に、受光部Bをリング状に形成することによ
り、プラスチックファイバ30と発光部Aを良好に結合
した状態で、プラスチックファイバ30からの散乱光を
受光部Bに有効に結合させることができる。さらに、発
光部Aの発光箇所と受光部Bの感光部分が同一平面上に
できるので、相互干渉を最小限に抑えることができる。
To perform two-way communication using a single optical fiber, some contrivance is required. In this example, by forming the light emitting part A in a circular shape and the light receiving part B in a ring shape, the scattered light from the plastic fiber 30 is transmitted to the light receiving part B in a state where the plastic fiber 30 and the light emitting part A are well coupled. Can be effectively combined. Further, since the light-emitting portion of the light-emitting portion A and the light-sensitive portion of the light-receiving portion B can be on the same plane, mutual interference can be minimized.

【0025】このように本実施形態によれば、活性層1
3として窒素をV族元素として含むIII-V族化合物半導
体であるGaInNを用いることにより、発光部Aにお
いてプラスチックファイバ30で減衰の少ない450〜
600nmの範囲の発光波長を得ることができる。しか
も、活性層13のドナー不純物濃度を5×1018cm-3
以上と高くしているので、発光部Aにおいて励起子寿命
を短くして応答速度の向上をはかり得る。
As described above, according to the present embodiment, the active layer 1
By using GaInN, which is a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element, 450 in the light emitting section A with less attenuation in the plastic fiber 30
An emission wavelength in the range of 600 nm can be obtained. Moreover, the donor impurity concentration of the active layer 13 is set to 5 × 10 18 cm −3.
Because of the above, the exciton lifetime in the light emitting portion A can be shortened to improve the response speed.

【0026】また、GaInNは発光波長に対して不透
明であることから、活性層13を薄膜化しても受光部B
において十分な受光感度を得ることができる。しかも、
活性層13の薄膜化により検知部に高電界を印加するこ
とが可能となり、シュタルク効果を利用して受光波長を
長波長側にシフトすることができる。これにより、受光
感度の向上をはかり得る。また、発光部Aと受光部Bを
同軸構造に形成していることから、ファイバ30との結
合効率を高くでき、相互干渉を抑制することもできる。
Since GaInN is opaque to the emission wavelength, even if the active layer 13 is thinned, the light receiving portion B
, Sufficient light receiving sensitivity can be obtained. Moreover,
The thinning of the active layer 13 makes it possible to apply a high electric field to the detection part, and the received light wavelength can be shifted to the longer wavelength side by using the Stark effect. Thereby, the light receiving sensitivity can be improved. Further, since the light emitting unit A and the light receiving unit B are formed in a coaxial structure, the coupling efficiency with the fiber 30 can be increased, and the mutual interference can be suppressed.

【0027】また、発光部Aと受光部Bを同一の積層構
造、即ち同一の材料組成及び膜厚に形成しているので、
複雑なプロセスを要することもなく、これらを同一基板
上に集積化することが極めて容易となる。従って、高い
伝送効率と高速応答性を合せ持つ高信頼度の光伝送装置
を低価格で実現することが可能となり、その有用性は大
である。 (第2の実施形態)図3は、本発明の第2の実施形態に
係わる光半導体素子の概略構造を示す断面図である。な
お、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい
説明は省略する。
Since the light emitting section A and the light receiving section B are formed in the same laminated structure, that is, in the same material composition and film thickness,
It is extremely easy to integrate them on the same substrate without requiring complicated processes. Therefore, a highly reliable optical transmission device having both high transmission efficiency and high-speed response can be realized at low cost, and its usefulness is great. (Second Embodiment) FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0028】本実施形態は、受光部Bをリング状に形成
するのではなく、発光部Aに近接して受光部Bを形成し
たものである。この場合、n側電極は発光部A側の24
と受光部B側の25に別けて設けられている。また、フ
ァイバ30からの散乱光を有効に検知可能なように発光
部Aよりも受光部Bの面積を大きく設定してある。 (第3の実施形態)図4は、本発明の第3の実施形態に
係わる光半導体素子の概略構造を示す断面図である。な
お、図1及び図3と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。
In this embodiment, the light receiving portion B is not formed in a ring shape, but is formed in the vicinity of the light emitting portion A. In this case, the n-side electrode is 24
And 25 on the light receiving section B side. Further, the area of the light receiving section B is set larger than that of the light emitting section A so that the scattered light from the fiber 30 can be effectively detected. (Third Embodiment) FIG. 4 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0029】本実施形態は、発光部Aと受光部Bを比較
的離して設け、発光部Aと受光部Bとにそれぞれ専用の
ファイバ31,32を接続している。この場合、単一フ
ァイバによる送受信はできないが、同一基板上に同一積
層構造の発光部A及び受光部Bを集積しながら、各々の
性能を共に向上させることができるという効果は得られ
る。 (第4の実施形態)図5は、本発明の第4の実施形態に
係わる光半導体素子の概略構造を示す断面図である。な
お、図1及び図3と同一部分には同一符号を付して、そ
の詳しい説明は省略する。
In this embodiment, the light emitting section A and the light receiving section B are provided relatively far apart, and dedicated fibers 31 and 32 are connected to the light emitting section A and the light receiving section B, respectively. In this case, transmission and reception using a single fiber cannot be performed, but the effect is obtained that the performance of each of them can be improved while the light emitting unit A and the light receiving unit B having the same laminated structure are integrated on the same substrate. (Fourth Embodiment) FIG. 5 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

【0030】本実施形態は、フォトカプラとして機能す
るもので、光ファイバを用いることなく、基板10を通
して発光部Aから受光部Bに光が伝送されるようになっ
ている。具体的には、発光部A側及び受光部B側におい
て、基板10の側面をエッチングして45度の傾斜部5
1,52を設け、これらの傾斜部51,52での光の反
射を利用する。反射効率を高めるために傾斜部51,5
2に反射膜等を形成してもよい。また、発光部Aと受光
部Bとの間に電極26を設け、これを共通電極として用
いてもよい。
The present embodiment functions as a photocoupler, and light is transmitted from the light emitting section A to the light receiving section B through the substrate 10 without using an optical fiber. Specifically, on the light emitting unit A side and the light receiving unit B side, the side surface of the substrate 10 is etched to form a 45 ° inclined portion 5.
1 and 52 are provided, and the reflection of light at these inclined portions 51 and 52 is used. Inclined portions 51 and 5 to increase reflection efficiency
2, a reflection film or the like may be formed. Further, an electrode 26 may be provided between the light emitting unit A and the light receiving unit B, and may be used as a common electrode.

【0031】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態ではIII-V族化合物半導
体としてAlGaInN系を用いたが、窒素をV族元素
として含むIII-V族化合物半導体に適用することが可能
である。また、基板は必ずしもサファイア等の単結晶の
絶縁基板に限るものではなく、III-V族化合物半導体を
良好に結晶成長できるものであればよい。さらに、各層
の不純物の種類や濃度等の条件は仕様に応じて適宜変更
可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
The present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, the AlGaInN-based semiconductor is used as the group III-V compound semiconductor, but the present invention can be applied to a group III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element. In addition, the substrate is not necessarily limited to a single-crystal insulating substrate such as sapphire, and may be any substrate as long as it can satisfactorily grow a group III-V compound semiconductor. Further, conditions such as the type and concentration of impurities in each layer can be appropriately changed according to specifications. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、活
性層として窒素をV族元素として含むIII-V族化合物半
導体を用い、同一基板上に発光部及び受光部を同一積層
構造に形成することにより、プラスチックファイバ等と
組み合わせて双方向の通信が可能な光半導体素子を実現
することができ、且つその発光部及び受光部の双方にお
いて十分な性能を発揮させることが可能となる。
As described in detail above, according to the present invention, a III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element is used as an active layer, and a light emitting portion and a light receiving portion are formed in the same laminated structure on the same substrate. By forming the optical semiconductor element, an optical semiconductor element capable of two-way communication can be realized in combination with a plastic fiber or the like, and sufficient performance can be exhibited in both the light emitting section and the light receiving section.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の実施形態に係わる光半導体素子の概略構
造を示す平面図と断面図。
FIGS. 1A and 1B are a plan view and a cross-sectional view illustrating a schematic structure of an optical semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】第1の実施形態における光半導体素子の製造工
程を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the optical semiconductor device according to the first embodiment.

【図3】第2の実施形態に係わる光半導体素子の概略構
造を示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a second embodiment.

【図4】第3の実施形態に係わる光半導体素子の概略構
造を示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a third embodiment.

【図5】第4の実施形態に係わる光半導体素子の概略構
造を示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a schematic structure of an optical semiconductor device according to a fourth embodiment.

【図6】代表的なプラスチックファイバの光伝送損失の
波長依存性を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing the wavelength dependence of optical transmission loss of a typical plastic fiber.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…サファイア基板 11…n−GaNバッファ層 12…n−AlGaNクラッド層 13…GaInN活性層 14…p−AlGaNクラッド層 15…p−GaNコンタクト層 21…発光部側p電極 22…受光部側p電極 23,26…共通n電極 24…発光部側n電極 25…受光部側n電極 30,31,32…プラスチックファイバ 51,52…基板傾斜部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sapphire substrate 11 ... n-GaN buffer layer 12 ... n-AlGaN cladding layer 13 ... GaInN active layer 14 ... p-AlGaN cladding layer 15 ... p-GaN contact layer 21 ... light emitting part side p electrode 22 ... light receiving part side p Electrodes 23, 26 ... Common n-electrode 24 ... Light-emitting unit side n-electrode 25 ... Light-receiving unit side n-electrode 30, 31, 32 ... Plastic fibers 51, 52 ... Substrate inclined part

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】同一基板上に発光部と受光部を形成してな
り、前記発光部及び受光部はIII-V族化合物半導体を用
いた同一の積層構造に形成され、且つ発光部及び受光部
の少なくとも活性層は、窒素をV族元素として含むIII-
V族化合物半導体で形成されていることを特徴とする光
半導体素子。
1. A light emitting section and a light receiving section are formed on the same substrate, wherein the light emitting section and the light receiving section are formed in the same laminated structure using a III-V compound semiconductor, and the light emitting section and the light receiving section are formed. At least the active layer contains nitrogen as a group V element III-
An optical semiconductor device comprising a group V compound semiconductor.
【請求項2】前記活性層は、Alx Gay In1-x-y
(x+y=1,0≦x,y≦1)であることを特徴とす
る請求項1記載の光半導体素子。
Wherein said active layer, Al x Ga y In 1- xy N
2. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein (x + y = 1, 0 ≦ x, y ≦ 1).
【請求項3】前記発光部は円形に形成され、前記受光部
は前記発光部の回りに該発光部と同軸的にリング状に形
成されており、前記発光部の中心に送受信用の光ファイ
バの軸心が合わせられることを特徴とする光半導体素
子。
3. The light-emitting portion is formed in a circular shape, and the light-receiving portion is formed in a ring shape around the light-emitting portion and coaxially with the light-emitting portion. An optical semiconductor element characterized in that the axes of are aligned.
【請求項4】基板上に、III-V族化合物半導体の積層構
造で、且つ少なくとも活性層に窒素をV族元素として含
むIII-V族化合物半導体を用いた積層構造を形成する工
程と、前記積層構造上に電極を形成する工程と、前記積
層構造及び電極をエッチングにより発光部と受光部に分
離する工程とを含むことを特徴とする光半導体素子の製
造方法。
4. A step of forming a layered structure of a group III-V compound semiconductor on a substrate and using a layered structure of a group III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element in at least an active layer; A method for manufacturing an optical semiconductor device, comprising: forming an electrode on a laminated structure; and separating the laminated structure and the electrode into a light emitting portion and a light receiving portion by etching.
【請求項5】単結晶基板上にIII-V族化合物半導体から
なるバッファ層を成長する工程と、前記バッファ層上に
活性層として窒素をV族元素として含むIII-V族化合物
半導体を用いたダブルヘテロ接合構造部を成長する工程
と、前記ダブルヘテロ接合構造部上にIII-V族化合物半
導体からなるコンタクト層を成長する工程と、前記コン
タクト層上に電極を形成する工程と、前記電極の表面か
ら前記バッファ層に達するまで選択的にエッチングし
て、内側の発光部と該発光部を取り囲む外側の受光部を
分離すると共に、該受光部の外側領域を除去する工程
と、前記受光部の外側領域に露出した前記バッファ層上
に共通電極を形成する工程とを含むことを特徴とする光
半導体素子の製造方法。
5. A step of growing a buffer layer made of a group III-V compound semiconductor on a single crystal substrate, and using a group III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element as an active layer on the buffer layer. Growing a double heterojunction structure, growing a contact layer made of a III-V compound semiconductor on the double heterojunction structure, forming an electrode on the contact layer, Selectively etching the surface to reach the buffer layer, separating the inner light emitting portion and the outer light receiving portion surrounding the light emitting portion, and removing the outer region of the light receiving portion; Forming a common electrode on the buffer layer exposed in an outer region.
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