JPH0220853Y2 - - Google Patents

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JPH0220853Y2
JPH0220853Y2 JP4444983U JP4444983U JPH0220853Y2 JP H0220853 Y2 JPH0220853 Y2 JP H0220853Y2 JP 4444983 U JP4444983 U JP 4444983U JP 4444983 U JP4444983 U JP 4444983U JP H0220853 Y2 JPH0220853 Y2 JP H0220853Y2
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【考案の詳細な説明】 《考案の分野》 本考案は、発光および受光の両機能を有する発
光受光素子に係り、単一光フアイバによる双方向
光通信への使用に好適する発光受光素子の改良に
関する。
[Detailed Description of the Invention] <<Field of the Invention>> The present invention relates to a light-emitting and light-receiving element that has both light-emitting and light-receiving functions, and is an improvement of the light-emitting and light-receiving element that is suitable for use in bidirectional optical communication using a single optical fiber. Regarding.

《従来技術とその問題点》 本考案者は、この種の発光受光素子として、既
に第1図に示す構造のものを提案した。
<<Prior art and its problems>> The present inventor has already proposed a structure shown in FIG. 1 as this type of light-emitting light-receiving element.

すなわち、半導体基板1の主面にコレクタ層2
およびベース層3を形成し、このベース層3の中
央部に基板1まで達する窪み部21を形成し、こ
の窪み部21を含んでベース層3にクラツド層た
るエミツタ・カソード層4を形成し、窪み部21
を囲む環状の分離溝22を基板1に達する深さで
形成し、その分離溝22で囲まれる領域内にて発
光層5およびアノード層6を積層するように形成
して発光素子部100を構成るとともに、分離溝
22の外側領域を発光素子部200、例えばフオ
トトランジスタとして構成したものである。
That is, the collector layer 2 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1.
and forming a base layer 3, forming a recess 21 reaching the substrate 1 in the center of the base layer 3, forming an emitter/cathode layer 4 as a cladding layer in the base layer 3 including the recess 21, Recessed part 21
An annular separation groove 22 surrounding the substrate 1 is formed with a depth that reaches the substrate 1, and a light emitting layer 5 and an anode layer 6 are formed to be laminated within the area surrounded by the separation groove 22, thereby forming the light emitting element section 100. In addition, the outer region of the separation groove 22 is configured as a light emitting element portion 200, for example, a phototransistor.

なお、符号7,8,9は、基板1に形成された
共通電極、受光素子部200のアノード電極およ
び発光素子部100のアノード電極である。
Note that numerals 7, 8, and 9 are a common electrode formed on the substrate 1, an anode electrode of the light receiving element section 200, and an anode electrode of the light emitting element section 100.

このような発光受光素子は、窪み部21付近の
ベース層が発光素子部100の電流通路を狭める
電流狭窄層23を構成するので、発光層5におけ
る窪み部21に対応する部分、例えば発光層5の
中央部でのキヤリアの再結合効率が高まつて、小
さい発光径で発光し、光フアイバへ光を有効に結
合することが可能となる。
In such a light-emitting light-receiving element, the base layer near the recess 21 constitutes a current confinement layer 23 that narrows the current path of the light-emitting element section 100, so the portion of the light-emitting layer 5 corresponding to the recess 21, for example, The recombination efficiency of the carriers at the center of the optical fiber increases, and light is emitted with a small emission diameter, making it possible to effectively couple light to the optical fiber.

しかしながら、このように構成された発光受光
素子は、発光素子部100の電流狭窄層23と受
光素子部200のベース層3が同じ厚みとなつて
いるが、電流狭窄層23の厚みは以下に述べる理
由によつて少数キヤリアの拡散長に比較して充分
厚くする必要がある。
However, in the light-emitting and light-receiving device configured in this way, the current confinement layer 23 of the light-emitting device section 100 and the base layer 3 of the light-receiving device section 200 have the same thickness, but the thickness of the current confinement layer 23 is as described below. For some reason, it is necessary to make it sufficiently thick compared to the diffusion length of minority carriers.

すなわち、発光層5から発せられた光が電流狭
窄層23に達すると、この電流狭窄層23が例え
ば、p−GaAs層からなる場合、電流狭窄層23
に電子と正孔対が発生し易い。しかも電子の拡散
長が長いので、電流狭窄層23の厚みが薄い場合
には、電子が正孔と再結合することなく外部へ流
れ、電流狭窄層23内には正孔が多数蓄積され
る。
That is, when the light emitted from the light emitting layer 5 reaches the current confinement layer 23, if the current confinement layer 23 is made of, for example, a p-GaAs layer, the current confinement layer 23
electron-hole pairs are likely to be generated. Moreover, since the diffusion length of electrons is long, when the current confinement layer 23 is thin, electrons flow to the outside without being recombined with holes, and a large number of holes are accumulated in the current confinement layer 23.

その結果、電流狭窄層23が、コレクタ層2と
エミツタ・カソード層4に対して順方向にバイア
スされた状態となり、ポテンシヤル障壁が低くな
つて電流狭窄効果を低下させ易くなる。
As a result, the current confinement layer 23 becomes biased in the forward direction with respect to the collector layer 2 and the emitter/cathode layer 4, and the potential barrier becomes low, which tends to reduce the current confinement effect.

一方、受光素子部200にあつては、大きなゲ
インを得るためにベース層3の厚みを少数キヤリ
アの拡散長に比較して充分薄くする必要がある。
On the other hand, in the light receiving element section 200, in order to obtain a large gain, the thickness of the base layer 3 needs to be sufficiently thin compared to the diffusion length of minority carriers.

すなわち、受光素子部200の増幅率は、 β=1/cos h(WB/L)−1 で示される。ここで、βは電流増幅率、WBはベ
ース層3の厚み、Lは少数キヤリアの拡散長であ
る。この式から判るように、受光素子部200の
増幅率を大きくするためには、ベース層3の厚み
を少数キヤリア拡散長に比較して充分薄くするこ
とが好ましい。
That is, the amplification factor of the light receiving element section 200 is expressed as β=1/cos h(W B /L)−1. Here, β is the current amplification factor, W B is the thickness of the base layer 3, and L is the diffusion length of minority carriers. As can be seen from this equation, in order to increase the amplification factor of the light receiving element section 200, it is preferable to make the thickness of the base layer 3 sufficiently thin compared to the minority carrier diffusion length.

このように、発光受光素子にあつては、光フア
イバへの結合度の高い発光素子部100および高
感度の受光素子部200を得るための条件が相反
することとなる。
In this manner, in the case of a light emitting light receiving element, the conditions for obtaining the light emitting element section 100 with a high degree of coupling to the optical fiber and the light receiving element section 200 with high sensitivity are contradictory.

《考案の目的》 本考案は、このような状況の下になされたもの
で、光フアイバへの結合度および受光感度の良好
な発光素子の提供を目的とする。
<<Purpose of the invention>> The present invention was made under these circumstances, and aims to provide a light-emitting element with good coupling to an optical fiber and good light-receiving sensitivity.

《考案の構成と効果》 この目的を達成するために、本考案は、半導体
基板の主面上に形成された発光素子部と、この発
光素子部に対して環状の分離溝を挟んで前記主面
上に形成された受光素子部と、前記受光素子部に
あつてはこの発光素子部の電流通路を狭める電流
狭窄手段を形成し、前記受光素子部にあつては受
光層を形成する共通層を備えてなる発光受光素子
において、前記発光素子部での前記共通層の厚み
が前記受光素子部での前記共通層の厚みより厚く
形成してなるものである。
<<Configuration and Effects of the Invention>> In order to achieve this object, the present invention includes a light emitting element portion formed on the main surface of a semiconductor substrate, and a light emitting element portion formed on the main surface of the semiconductor substrate with an annular separation groove in between. a light-receiving element portion formed on the surface; and a common layer forming a current confining means for narrowing the current path of the light-emitting element portion in the light-receiving element portion and forming a light-receiving layer in the light-receiving element portion. In the light-emitting light-receiving device, the thickness of the common layer in the light-emitting element portion is formed to be thicker than the thickness of the common layer in the light-receiving element portion.

このような構成によれば、発光素子部における
電流狭窄手段の機能が充分発揮された光フアイバ
との結合効率が良好となり、受光素子部における
感度も上昇する。
According to such a configuration, the coupling efficiency with the optical fiber in which the function of the current confinement means in the light emitting element portion is fully exerted is improved, and the sensitivity in the light receiving element portion is also increased.

《実施例の説明》 以下、本考案の詳細を説明する。なお、第1図
に示す発光受光素子と共通部分には同一の符号を
付す。
<<Description of Examples>> The details of the present invention will be described below. Note that parts common to the light emitting light receiving element shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.

第2図は本考案に係る発光受光素子の一実施例
を示す断面図であり、発光素子部としてLEDを
積層形成したものを例にし、受光素子部としてフ
オトトランジスタを例にして示している。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the light emitting and receiving element according to the present invention, in which a light emitting element section is exemplified by stacked LEDs, and a light receiving element section is a phototransistor.

第2図において、半導体基板1の主面にはコレ
クタ層2およびベース層3が形成されており、ベ
ース層3の中央部には、基板1に達する窪み部2
1が形成されている。
In FIG. 2, a collector layer 2 and a base layer 3 are formed on the main surface of a semiconductor substrate 1, and a recess 2 reaching the substrate 1 is formed in the center of the base layer 3.
1 is formed.

窪み部21付近のベース層は、後述するように
他の部分より厚みが厚くなつており、やはり後述
する発光素子部100の電流狭窄手段として電流
狭窄層23を構成している。
The base layer near the recessed portion 21 is thicker than other portions, as will be described later, and constitutes a current confinement layer 23 as a current confinement means of the light emitting element portion 100, which will also be described later.

窪み部21を含んでベース層3にはエミツタ・
カソード層4が形成され、このエミツタ・カソー
ド層4には、窪み部21を囲むように分離溝22
が形成され、この分離溝22は少なくともコレク
タ層2に達する深さになつている。
The base layer 3 including the recessed portion 21 has emitters.
A cathode layer 4 is formed, and a separation groove 22 is formed in the emitter cathode layer 4 so as to surround the recess 21.
is formed, and this separation groove 22 has a depth that reaches at least the collector layer 2.

分離溝22で囲まれている領域内において、発
光層5およびアノード層6が積層して形成され、
発光素子部100の一部が構成されている。
In the region surrounded by the separation groove 22, a light emitting layer 5 and an anode layer 6 are laminated and formed,
A part of the light emitting element section 100 is configured.

また、発光素子部100に対して分離溝22を
挾み、発光素子部100を囲む部分が受光素子部
200となつている。
Furthermore, a portion surrounding the light emitting element section 100 with the separation groove 22 in between is a light receiving element section 200 .

なお、符号7,8,9は、基板1に形成された
共通電極、受光素子部200に形成されたアノー
ド電極、発光素子部100に形成されたアノード
電極である。
Note that numerals 7, 8, and 9 are a common electrode formed on the substrate 1, an anode electrode formed on the light receiving element section 200, and an anode electrode formed on the light emitting element section 100.

そして、発光素子部100および受光素子部2
00において、電流狭窄層23とベース層3とは
共通層からなつており、ベース層3の厚みより電
流狭窄層23の厚みの方が厚くなつている。換言
すれば、発光素子部100での共通層の厚みが少
数キヤリアの拡散長より充分厚く形成され、受光
素子200での共通層の厚みが少数キヤリアの拡
散長より充分薄く形成されている。
Then, the light emitting element section 100 and the light receiving element section 2
In 00, the current confinement layer 23 and the base layer 3 are a common layer, and the current confinement layer 23 is thicker than the base layer 3. In other words, the thickness of the common layer in the light emitting element section 100 is formed sufficiently thicker than the diffusion length of minority carriers, and the thickness of the common layer in the light receiving element 200 is formed sufficiently thinner than the diffusion length of minority carriers.

このように構成された発光受光素子は以下のよ
うにして製造される。
The light emitting/receiving device configured as described above is manufactured as follows.

まず、通常の液相エピタキシヤル成長法を用い
てn+−GaAs基板1上に、第3図に示すように、
コレクタ層2としてノンドープn-−GaAs層およ
びベース層3としてGeドープp−GaAs層をそれ
ぞれ3μm,5μm程度の厚さで積層形成する。
First, as shown in FIG .
A non-doped n - -GaAs layer as the collector layer 2 and a Ge-doped p-GaAs layer as the base layer 3 are laminated to a thickness of approximately 3 μm and 5 μm, respectively.

次に、硫酸−過酸化水素系エツチング液を用い
て、第4図に示すように、p−GaAs層3を発光
層5(第2図参照)に対応する個所を残して1μm
以下の厚みにエツチングする。一方、発光層5に
対応する個所の中央部には、少なくともp−
GaAs層3を貫通する深さの直径約30μmの窪み
部21をエツチングして形成する。
Next, using a sulfuric acid-hydrogen peroxide based etching solution, as shown in FIG.
Etch to the following thickness. On the other hand, at least p-
A recess 21 having a diameter of about 30 μm and having a depth penetrating the GaAs layer 3 is formed by etching.

次いで、上述のように加工したものの主面上
に、液相エピタキシヤル成長法によつて、第5図
に示すように、エミツタ・カソード層4としてn
−Ga0.7Al0.3As層、発光層5としてp−Ga0.
95Al0.05As層およびアノード層6としてp−Ga0.
7Al0.3As層を、それぞれ7μm,1μm,3μm程度の
膜厚にて積層する。
Next, as shown in FIG. 5, an n-type emitter/cathode layer 4 is formed on the main surface of the material processed as described above by liquid phase epitaxial growth.
-Ga0.7Al0.3As layer , p- Ga0.3 as the light emitting layer 5 .
95 Al 0 . 05 As layer and p-Ga 0 as the anode layer 6.
7 Al 0 . 3 As layers are laminated with film thicknesses of approximately 7 μm, 1 μm, and 3 μm, respectively.

このようにして、5層積層した基板1に対し、
フオトリングラフイを用いて、上述した窪み部2
1を取り囲むように10〜20μm程度の幅で少なく
ともn-−GaAs層2に達する分離溝22をエツチ
ングで形成する。
In this way, for the five-layer laminated substrate 1,
The above-mentioned recessed part 2 is formed using a photolithography.
A separation groove 22 having a width of about 10 to 20 μm and reaching at least the n - -GaAs layer 2 is formed by etching so as to surround the n - -GaAs layer 2 .

更に、分離溝22の外側部分のp−Ga0.7Al0.
3As層6およびp−Ga0.95Al0.05As層5をエツチ
ングによつて除去する。
Furthermore, the p-Ga 0.7 Al 0 .
3 As layer 6 and p-Ga 0.95 Al 0.05 As layer 5 are removed by etching.

その後、p−GaAIAs層4に対してはAu−Zn
合金を、またn−GaAs層やGaAlAs層に対して
はAu−Ge合金をそれぞれ蒸着し、所望の形状に
整形して各アノード電極8,9を形成して第2図
に示すような発光受光素子が完成する。
After that, for the p-GaAIAs layer 4, Au-Zn
For the n-GaAs layer and the GaAlAs layer, an Au-Ge alloy is vapor-deposited and shaped into a desired shape to form each anode electrode 8, 9, which emits light and receives light as shown in FIG. The element is completed.

このような本考案の発光受光素子は、共通電極
7を負に、発光素子部100のアノード電極9を
正にバイアスすると、p−Ga0.95Al0.05As層5が
発光層として発光する。この場合、電流狭窄層2
3の厚みが少数キヤリアの拡散長より厚いので、
電流狭窄層23はポテンシヤル障壁を低下させる
ことなく発光素子部100の電流を狭窄する。そ
のため、発光層5における発光部が窪み部21に
対応する部分に集中するので、光フアイバとの結
合効率を高く保つことができる。
In the light-emitting/receiving element of the present invention, when the common electrode 7 is biased negatively and the anode electrode 9 of the light-emitting element section 100 is biased positively, the p-Ga 0.95 Al 0.05 As layer 5 emits light as a light-emitting layer . do. In this case, the current confinement layer 2
Since the thickness of 3 is thicker than the diffusion length of the minority carrier,
The current confinement layer 23 constricts the current in the light emitting element section 100 without lowering the potential barrier. Therefore, the light emitting portions of the light emitting layer 5 are concentrated in the portion corresponding to the recessed portion 21, so that the coupling efficiency with the optical fiber can be maintained high.

また、共通電極7を正に、受光素子部200の
アノード電極8を負にバイアスすると、受光素子
部200が受光素子として動作する。この場合、
ベース層3の厚みが少数キヤリアの拡散長より充
分薄いので、数十〜数百程度の増幅率が得られる
ため、感度を高くすることが可能となる。
Further, when the common electrode 7 is biased positively and the anode electrode 8 of the light receiving element section 200 is biased negatively, the light receiving element section 200 operates as a light receiving element. in this case,
Since the thickness of the base layer 3 is sufficiently thinner than the diffusion length of the minority carriers, an amplification factor of several tens to several hundreds can be obtained, making it possible to increase the sensitivity.

なお、上述の実施例においては、GaAs系材料
を用いる素子をの例を示したが、例えばInGaAs
系材料を用いる場合についても同様に実施可能で
ある。
In addition, in the above-mentioned embodiment, an example of an element using GaAs-based material was shown, but for example, InGaAs-based material is used.
It is also possible to implement the method in the same manner when using a system material.

また、上記実施例においては、受光素子部とし
てフオトトランジスタを用いた場合について説明
したが、この発明に係る発光受光素子は、受光素
子部の受光層を形成する共通層の厚みが少数キヤ
リアの拡散長よりも薄く形成されているので、フ
オトダイオードとした場合でも充分実施可能であ
る。
Further, in the above embodiment, a case was explained in which a phototransistor was used as the light receiving element, but in the light emitting light receiving element according to the present invention, the thickness of the common layer forming the light receiving layer of the light receiving element is a diffusion of minority carriers. Since it is formed thinner than it is long, it can be implemented satisfactorily even when used as a photodiode.

すなわち、この発明の構成によれば、受光層を
少数キヤリアの拡散長よりも薄く形成しているの
で、この受光層中に生成されるキヤリアの無効電
流成分となる確率を抑えることができるので、受
光素子部としてフオトダイオードを用いることも
できる。
That is, according to the configuration of the present invention, since the light-receiving layer is formed to be thinner than the diffusion length of minority carriers, it is possible to suppress the probability that carriers generated in the light-receiving layer become reactive current components. A photodiode can also be used as the light receiving element section.

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

第1図は本考案の発光受光素子に関係する参考
断面図、第2図は本考案の発光受光素子の一実施
例を示す断面図、第3図〜第5図は第2図に示す
発光受光素子の製造方法を示す工程図である。 1……基板、100……発光素子部、200…
…受光素子部、22……分離溝、23……共通層
(電流狭窄手段)、3……共通層(ベース層)、5
……発光層。
FIG. 1 is a reference sectional view related to the light emitting and receiving device of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the light emitting and receiving device of the present invention, and FIGS. 3 to 5 are the light emitting devices shown in FIG. FIG. 3 is a process diagram showing a method for manufacturing a light receiving element. 1...Substrate, 100...Light emitting element section, 200...
... Light receiving element portion, 22 ... Separation groove, 23 ... Common layer (current confinement means), 3 ... Common layer (base layer), 5
...Light-emitting layer.

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 半導体基板の主面上に発光素子部が設けられる
とともに、この発光素子部の外周側に環状の分離
溝を挾んで受光素子部が設けられ、かつ上記発光
素子部の電流通路を狭める電流狭窄手段、および
受光素子部の受光層を構成するベース層を共通層
で形成してなる発光素子部において、上記共通層
の厚みは、上記発光素子部においては少数キヤリ
アの拡散長よりも厚く形成するとともに、上記受
光素子部においては少数キヤリアの拡散長よりも
薄く形成することを特徴とする発光受光素子。
A light emitting element section is provided on the main surface of the semiconductor substrate, a light receiving element section is provided on the outer circumferential side of the light emitting element section with an annular separation groove in between, and current confinement means narrows the current path of the light emitting element section. , and a light-emitting element part in which the base layer constituting the light-receiving layer of the light-receiving element part is formed of a common layer, the thickness of the common layer being thicker than the diffusion length of minority carriers in the light-emitting element part; . A light-emitting light-receiving element, wherein the light-receiving element portion is formed to be thinner than the diffusion length of minority carriers.
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JPS59151460U JPS59151460U (en) 1984-10-11
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