JP2853432B2 - 半導体光集積素子 - Google Patents
半導体光集積素子Info
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- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 41
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 19
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices
-
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18305—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] with emission through the substrate, i.e. bottom emission
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光インターコネクション
や光コンピュータに使われる半導体光集積素子に関す
る。
や光コンピュータに使われる半導体光集積素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】これらの応用ではスマートピクセルと呼
ばれる発光や受光、光メモリや光閾値などの機能を持っ
た光機能素子が最小単位となって構成される。このよう
な光機能素子としては図２のようなものが報告されてい
る。Ａ．Ｖｏｎ Ｌｅｈｍｅｎ等によって１９９１年に
米国で開催されたＣＬＥＯ’９１のテクニカルダイジェ
スト（ＣＭＦ７、４６頁〜４９頁）に詳細が述べられて
いる。ＧａＡｓ基板の上にｎｐｎフォトトランジスタが
作られ、その上にＩｎＧａＡｓ量子井戸層を活性層とす
る面発光半導体レーザが作られている。面発光半導体レ
ーザの上側と下側の反射鏡はλ／４厚（λは半導体内で
の発振波長）でＧａＡｓとＡｌＡｓが交互に積層された
半導体多層膜よりなる。この素子ではフォトトランジス
タに光を入射すると電流が面発光レーザに流れ、それに
よってレーザ光が出る。レーザ光はＧａＡｓ基板を通し
て下側に出る。
ばれる発光や受光、光メモリや光閾値などの機能を持っ
た光機能素子が最小単位となって構成される。このよう
な光機能素子としては図２のようなものが報告されてい
る。Ａ．Ｖｏｎ Ｌｅｈｍｅｎ等によって１９９１年に
米国で開催されたＣＬＥＯ’９１のテクニカルダイジェ
スト（ＣＭＦ７、４６頁〜４９頁）に詳細が述べられて
いる。ＧａＡｓ基板の上にｎｐｎフォトトランジスタが
作られ、その上にＩｎＧａＡｓ量子井戸層を活性層とす
る面発光半導体レーザが作られている。面発光半導体レ
ーザの上側と下側の反射鏡はλ／４厚（λは半導体内で
の発振波長）でＧａＡｓとＡｌＡｓが交互に積層された
半導体多層膜よりなる。この素子ではフォトトランジス
タに光を入射すると電流が面発光レーザに流れ、それに
よってレーザ光が出る。レーザ光はＧａＡｓ基板を通し
て下側に出る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この素子の問題点は層
厚方向に素子が高くなってしまうことである。面発光レ
ーザに使う半導体多層膜反射鏡の反射率はレーザの発振
閾値電流を下げるためには９９．９％ちかく必要であ
る。そして、そのためには何層もＧａＡｓ層とＡｌＡｓ
層を積まねばならない。図２の例では面発光レーザの部
分だけで約７μｍになる。このくらいの段差がつくと下
の（フォト）トランジスタを微細加工することは困難と
なる。図２の層構成では下側にトランジスタをさらに作
り込み、それによって図２の素子では実現できない光メ
モリなどの機能を盛り込むことも考えられるが、加工が
難しいので実際にはできなかった。
厚方向に素子が高くなってしまうことである。面発光レ
ーザに使う半導体多層膜反射鏡の反射率はレーザの発振
閾値電流を下げるためには９９．９％ちかく必要であ
る。そして、そのためには何層もＧａＡｓ層とＡｌＡｓ
層を積まねばならない。図２の例では面発光レーザの部
分だけで約７μｍになる。このくらいの段差がつくと下
の（フォト）トランジスタを微細加工することは困難と
なる。図２の層構成では下側にトランジスタをさらに作
り込み、それによって図２の素子では実現できない光メ
モリなどの機能を盛り込むことも考えられるが、加工が
難しいので実際にはできなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものである。本発明による半導体光
集積素子は、半導体基板の上に第一導電型の第１の半導
体多層膜反射鏡、第一導電型の第１半導体層、第一導電
型とは反対の第二導電型の第２半導体層、第一導電型の
第３半導体層、および第一導電型の第２の半導体多層膜
反射鏡が形成され、前記第２半導体層のなかにそれより
も小さい禁制帯幅の活性半導体層が形成されており、そ
れらの一部の領域で第３半導体層と第２の半導体多層膜
反射鏡とを第二導電型を変えることによって面発光半導
体レーザが形成され、残りの領域にバイポーラトランジ
スタが形成されていることを特徴とする。
するためになされたものである。本発明による半導体光
集積素子は、半導体基板の上に第一導電型の第１の半導
体多層膜反射鏡、第一導電型の第１半導体層、第一導電
型とは反対の第二導電型の第２半導体層、第一導電型の
第３半導体層、および第一導電型の第２の半導体多層膜
反射鏡が形成され、前記第２半導体層のなかにそれより
も小さい禁制帯幅の活性半導体層が形成されており、そ
れらの一部の領域で第３半導体層と第２の半導体多層膜
反射鏡とを第二導電型を変えることによって面発光半導
体レーザが形成され、残りの領域にバイポーラトランジ
スタが形成されていることを特徴とする。
【０００５】
【原理】本発明では面発光半導体レーザとバイポーラト
ランジスタとを空間的に異なる位置に作る。第３半導体
層と第２の半導体多層膜反射鏡を第二導電型を変えるこ
とによってそこに面発光半導体レーザを形成し、残りの
領域にバイポーラトランジスタを形成することができ
る。それらを内部で配線すれば各種の機能が実現でき
る。このような半導体光集積素子では各半導体層を１回
の結晶成長で作るようにすることが大切である。結晶成
長を２回以上、使うような方法は２回目以降、成長時に
様々な問題が起こり、素子の歩止まり低下を引き起こ
す。スマートピクセルの数を非常に多数必要とするよう
な応用分野を想定しているのでこの点から結晶成長は１
回にとどめることが必要となる。本発明では結晶成長は
１回ですむ。
ランジスタとを空間的に異なる位置に作る。第３半導体
層と第２の半導体多層膜反射鏡を第二導電型を変えるこ
とによってそこに面発光半導体レーザを形成し、残りの
領域にバイポーラトランジスタを形成することができ
る。それらを内部で配線すれば各種の機能が実現でき
る。このような半導体光集積素子では各半導体層を１回
の結晶成長で作るようにすることが大切である。結晶成
長を２回以上、使うような方法は２回目以降、成長時に
様々な問題が起こり、素子の歩止まり低下を引き起こ
す。スマートピクセルの数を非常に多数必要とするよう
な応用分野を想定しているのでこの点から結晶成長は１
回にとどめることが必要となる。本発明では結晶成長は
１回ですむ。
【０００６】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示す断面図であ
る。半絶縁性ＧａＡｓ基板１１の上にＭＢＥ法で各半導
体層を形成する。１２はｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層
膜反射鏡（２４．５周期、ドーピング濃度は３ｘ１０18
ｃｍ-3、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓの膜厚はλ／４に設定され
ている。λは半導体内での波長であり、素子の外では１
μｍとなるようにしてある）、１３はｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ
0.6 Ａｓ（ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は
０．１５μｍ）、１４はｎ型グレーディド層（ドーピン
グ濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は２００Ａ）である。
このｎ型グレーディド層のＡｌ組成ｘは上方向にいくに
したがって０．４から０．２５に変えてある。ベース−
コレクタ間をアブラプトからグレーディッドにすること
によりトランジスタ特性の向上が図られるからである。
１５はアンドープのｐ- −Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ（ドー
ピング濃度は１０15ｃｍ-3以下、膜厚は５００Ａ）であ
る。ＭＢＥではアンドープ層はｐ- で濃度は１０15ｃｍ
-3以下となる。
る。半絶縁性ＧａＡｓ基板１１の上にＭＢＥ法で各半導
体層を形成する。１２はｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層
膜反射鏡（２４．５周期、ドーピング濃度は３ｘ１０18
ｃｍ-3、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓの膜厚はλ／４に設定され
ている。λは半導体内での波長であり、素子の外では１
μｍとなるようにしてある）、１３はｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ
0.6 Ａｓ（ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は
０．１５μｍ）、１４はｎ型グレーディド層（ドーピン
グ濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は２００Ａ）である。
このｎ型グレーディド層のＡｌ組成ｘは上方向にいくに
したがって０．４から０．２５に変えてある。ベース−
コレクタ間をアブラプトからグレーディッドにすること
によりトランジスタ特性の向上が図られるからである。
１５はアンドープのｐ- −Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ（ドー
ピング濃度は１０15ｃｍ-3以下、膜厚は５００Ａ）であ
る。ＭＢＥではアンドープ層はｐ- で濃度は１０15ｃｍ
-3以下となる。
【０００７】１６はアンドープのｐ- −ＩｎＧａＡｓ活
性層（膜厚は１００Ａ）、１７はアンドープのｐ- −Ａ
ｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ（膜厚は５００Ａ）、１８はｐ−Ａ
ｌ0. 25Ｇａ0.75Ａｓ（ドーピング濃度は１ｘ１０19ｃｍ
-3、膜厚は１００Ａ）、１９はｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａ
ｓ（ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は０．１
５μｍ）、２０はｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡
（１５周期、ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、Ｇａ
Ａｓ、ＡｌＡｓの膜厚はλ／４に設定されている。λは
半導体内での波長であり、素子の外では１μｍとなるよ
うにしてある）、２１はｎ−ＧａＡｓ（ドーピング濃度
は１ｘ１０19ｃｍ-3、膜厚は１０００Ａ）、２２、２４
はＡｕＧｅ−Ｎｉからなるｎ−コンタクト電極である。
２３、２５はｐ−コンタクト電極である。
性層（膜厚は１００Ａ）、１７はアンドープのｐ- −Ａ
ｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ（膜厚は５００Ａ）、１８はｐ−Ａ
ｌ0. 25Ｇａ0.75Ａｓ（ドーピング濃度は１ｘ１０19ｃｍ
-3、膜厚は１００Ａ）、１９はｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａ
ｓ（ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、膜厚は０．１
５μｍ）、２０はｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡
（１５周期、ドーピング濃度は３ｘ１０18ｃｍ-3、Ｇａ
Ａｓ、ＡｌＡｓの膜厚はλ／４に設定されている。λは
半導体内での波長であり、素子の外では１μｍとなるよ
うにしてある）、２１はｎ−ＧａＡｓ（ドーピング濃度
は１ｘ１０19ｃｍ-3、膜厚は１０００Ａ）、２２、２４
はＡｕＧｅ−Ｎｉからなるｎ−コンタクト電極である。
２３、２５はｐ−コンタクト電極である。
【０００８】２６はｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ、２７は
ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡、２８はｐ−Ｇａ
Ａｓであるが、これらは元々のｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａ
ｓ１９、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡２０、ｎ
−ＧａＡｓ２１にこの部分だけ上側からＺｎを拡散する
ことによって導電型をｎ型からｐ型に変換してある。
ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡、２８はｐ−Ｇａ
Ａｓであるが、これらは元々のｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａ
ｓ１９、ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡２０、ｎ
−ＧａＡｓ２１にこの部分だけ上側からＺｎを拡散する
ことによって導電型をｎ型からｐ型に変換してある。
【０００９】上下２つの多層膜反射鏡の間隔は２λでｐ
- −ＩｎＧａＡｓ活性層１６はその中間に来るようにし
てある。これによってｐ- −ＩｎＧａＡｓ活性層１６は
共振器内に立つ定在波の腹の位置に置くことができる。
- −ＩｎＧａＡｓ活性層１６はその中間に来るようにし
てある。これによってｐ- −ＩｎＧａＡｓ活性層１６は
共振器内に立つ定在波の腹の位置に置くことができる。
【００１０】バイポーラトランジスタのエミッタは５μ
ｍ角、コレクタは２５μｍ角であり電流利得は約１００
である。また面発光レーザの直径は１０μｍである。発
振波長は１μｍ、閾値電流は約１ｍＡである。バイポー
ラトランジスタのコレクタと面発光レーザの（−）側が
ｎ−コンタクト電極２４で結ばれているので等価回路と
しては図２の構成と同じとなる。素子の高さはバイポー
ラトランジスタ、面発光レーザとも同じであり、従来の
ような問題は発生しない。したがって数μｍといった微
細なプロセスが可能となる。
ｍ角、コレクタは２５μｍ角であり電流利得は約１００
である。また面発光レーザの直径は１０μｍである。発
振波長は１μｍ、閾値電流は約１ｍＡである。バイポー
ラトランジスタのコレクタと面発光レーザの（−）側が
ｎ−コンタクト電極２４で結ばれているので等価回路と
しては図２の構成と同じとなる。素子の高さはバイポー
ラトランジスタ、面発光レーザとも同じであり、従来の
ような問題は発生しない。したがって数μｍといった微
細なプロセスが可能となる。
【００１１】
【発明の効果】本発明によれば段差の大きくついたとこ
ろでのプロセスが不要となり、１回の成長で面発光半導
体レーザとバイポーラトランジスタようのウェハーがで
き、それらを内部で様々に結線することにより各種の光
機能素子が実現できる。尚、実施例ではＧａＡｓ系で説
明したが他のＩｎＰ系などの材料でも、もちろん適用可
能である。
ろでのプロセスが不要となり、１回の成長で面発光半導
体レーザとバイポーラトランジスタようのウェハーがで
き、それらを内部で様々に結線することにより各種の光
機能素子が実現できる。尚、実施例ではＧａＡｓ系で説
明したが他のＩｎＰ系などの材料でも、もちろん適用可
能である。
【図１】本発明の一実施例を示す断面図。
【図２】従来例を示す断面図。
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板 １２ ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡 １３ ｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ １４ ｎ型グレーディド層 １５ ｐ- −Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ １６ ｐ- −ＩｎＧａＡｓ活性層 １７ ｐ- −Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ １８ ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ １９ ｎ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ ２０ ｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡 ２１ ｎ−ＧａＡｓ ２２，２４ ｎ−コンタクト電極 ２３，２５ ｐ−コンタクト電極 ２６ ｐ−Ａｌ0.4 Ｇａ0.6 Ａｓ ２７ ｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層膜反射鏡 ２８ ｐ−ＧａＡｓ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 半導体基板の上に第一導電型の第１の半
導体多層膜反射鏡、第一導電型の第１半導体層、第一導
電型とは反対の第二導電型の第２半導体層、第一導電型
の第３半導体層、および第一導電型の第２の半導体多層
膜反射鏡が形成され、前記第２半導体層のなかにそれよ
りも小さい禁制帯幅の活性半導体層が形成されており、
それらの一部の領域で第３半導体層と第２の半導体多層
膜反射鏡とを第二導電型に変えることによって面発光半
導体レーザが形成され、残りの領域にバイポーラトラン
ジスタが形成されていることを特徴とする半導体光集積
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4020573A JP2853432B2 (ja) | 1992-01-08 | 1992-01-08 | 半導体光集積素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4020573A JP2853432B2 (ja) | 1992-01-08 | 1992-01-08 | 半導体光集積素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05190978A JPH05190978A (ja) | 1993-07-30 |
| JP2853432B2 true JP2853432B2 (ja) | 1999-02-03 |
Family
ID=12030946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4020573A Expired - Fee Related JP2853432B2 (ja) | 1992-01-08 | 1992-01-08 | 半導体光集積素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2853432B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5848088A (en) * | 1995-07-11 | 1998-12-08 | Seiko Epson Corporation | Surface emission type semiconductor for laser with optical detector, method of manufacturing thereof, and sensor using the same |
| WO2005020287A2 (en) * | 2003-08-22 | 2005-03-03 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Semiconductor device and method |
-
1992
- 1992-01-08 JP JP4020573A patent/JP2853432B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05190978A (ja) | 1993-07-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19981020 |
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