JPH04180677A - 半導体集積素子 - 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］ この発明は、同一基板上に発光部と受光部が垂直方向に
集積された半導体光集積素子に関するものである。

［従来の技術］ 従来より２発光部、受光部一体型の半導体素子は、発光
部の半導体発光素子が逆バイアス状態において受光素子
として動作することを利用して発光素子と同一積層構造
のものをモニター用受光素子として使用している。

この発光部受光部一体型半導体素子は、第６図に示すよ
うに、５Ｉ−ＧａＡｓの基板２０にＧａＡｓの導電層２
１、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓのクラッド層２２、Ｇ　ａ
　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓの活性層２３、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　
ｓクラッド層２４．ＧａＡｓのキャップ層２５を順に積
層したものであって所謂Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系のダ
ブルへテロ構造を含むものである。この積層構造の略中
間部をエツチング２６により２つの部分に空間的電気的
に分離することにより、一方をレーザ発光部３０、他方
をモニター受光器３１として使用している（矢印はレー
ザ出力）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の発光部受光部一体型の半導体
光集積素子においては。

発光部３０と受光部（モニター受光器）３１が空間的に
分離されているために光の結合効率が低下する。

また、この場合の光の結合は、エツチング２６により形
成した発光部３ｏの端面から出射した光を同じくエツチ
ング２６により形成した受光部３１の端面から受光する
ものであり、光結合効率は基板２０面に対するエツチン
グ２６面の角度、平坦性に大きく依存する。即ち、光結
合効率を良くし、しかも一定とするためにはエツチング
２６面は基板２０面に対して垂直で、且つ平坦に形成し
なければならないが、再現性良く形成するのは困難であ
る。しかも、発光部３ｏと、受光部３１は同じ組成の層
であり、禁止帯幅は同一であるので発光部３０から生じ
た光に対して受光部３１としては感度が低い所を用いる
ことになり、この点においても光の結合効率が低下する
原因となっていた。

また、基板２０面に対して水平方向にそれぞれ集積して
いるので、基板２０面上に発光部３０と受光部３１を独
立に形成しなければならず素子の小型化や再現性が難し
いという欠点もあった。

そこで、この発明は上述した従来の問題点を解消して、
発光部と受光部間の光結合効率及び再現性が良く、小型
化、製造が容易な半導体光集積素子を提供することを課
題としている。

［課題を解決するための手段］ この発明の要旨とするところは、半導体基板上に、所定
の電導型（ｎ型若しくはＰ型）を有する第１の半導体層
、該第１の半導体層と同じ電導型であって発光層となる
第２の半導体層、少なくとも一層から成り、前記第１の
半導体層の電導型と逆の電導型を有する第３の半導体層
、前記第１の半導体層と同じ電導型であって、不純物の
拡散によって逆の電導型に変換された部分を有する第４
の半導体層を順番に積層して構成された半導体光集積素
子であって、 前記第１及び第３の半導体層は前記第２の半導体層に比
較して大なる禁止帯幅を有し、又前記第４の半導体層は
前記第２の半導体層より小なる禁止帯幅を有していて、
且つ、前記第１、第２、第３の半導体層を順バイアス動
作させることにより構成される発光部と、該発光部から
生じた光の一部をモニター光として受光し、前記第３及
び第４の半導体層から構成される受光部とを備えたこと
にある。

［作　　用］ したがって、第４の半導体層は第２の半導体層（発光層
）より小さい禁止帯幅を有しているので。

発光部より生じた光の受光部での受光効率は従来の素子
より高くなる。また、第２の半導体層と第４の半導体層
の間に電導型の異なる第３の半導体層を介在させている
ので、逆バイアス層が形成されて電気的に分離され、こ
れにより１発光部と受光部を独立に制御することができ
るものである。

［実施例コ 以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図において、１はｎ−ＧａＡｓ基板であり、このｎ
　　ＧａＡｓ基板１上にｎ　　Ａ　１６．６　Ｇ　ａ＠
、４Ａ　ｓクラッド層２（第１の半導体層）、ｎ−Ａ１
０．。

Ｇａ、、、Ａｓ活性層３（第２の半導体層）、Ｐ−ＡＩ
、、、Ｇａ、、４Ａｓクラッド層４（第３の半導体層の
内の一層）　、Ｐ−Ａｌ、、、Ｇａｐ−７Ａｓ層５（第
３の半導体層の内の一層）、及びｎ　　ＧａＡｓ層６（
第４の半導体層）が積層されている。そして、７はｎ　
−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層６を不純物の拡散（後述する）によ
りＰ型の電導型に変換した領域であり、８はｐ側オーミ
ック電極、９及び１０はｎ側オーミック電極である。

ところで１発光部１１はｎ−Ａ　ｌ、、、Ｇ　ａ（、，
４Ａ　ｓクラッド層２、ｎ−Ａ　ｌ、、、Ｇ　ａ、、、
Ａ　ｓ活性層３゜Ｐ−Ａ　１．、’、Ｇ　ａｏ、、Ａ　
ｓクラッド層４より成っており、受光部１２はＰ−Ａ１
．．３Ｇａ＠、７Ａｓ層５及びｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層
６より成っている。

上記構成の半導体光集積素子において、Ｐ側方−ミック
電極８とｎ側オーミック電極１０の間に該Ｐ側片−ミッ
ク電極８側を正とするバイアス用電源を接続して、バイ
アス電流を通電するとＡＩＯ，、Ｇａ、、、Ａｓ活性層
３で発光が生じる。この光の一部はＡ１゜、２Ｇａ、、
、Ａｓ活性層３からＰＡ　１６−６　Ｇ　ａ　６−４　
Ａ　ｓクラッド層４を透過し、ＰＡ　Ｉ　。−３０ａ　
ｏ　−ｔ　Ａ　８層５とｎ−ＧａＡｓ層６によるｐｎ接
合（Ｐ型とｎ型の接合部）近傍に入射する。この時、Ｐ
側方−ミック電極８とｎ側オーミック電極９の間に、該
ｎ側オーミック電極９をより高電位とするバイアス用電
源を接続すると光電流が得られるのでこの電流をモニタ
ー用信号として利用する。

このように、ｎ側オーミック電極９及び１０は、間に挿
入されたｐ型層４及び５により逆バイアス層が形成され
て電気的に分離されて、いるので１発光部１１と受光部
１２は空間的に分離することなく集積することができ、
しかも該発光部１１と受光部１２を独立に制御すること
ができる。

また、Ｐ　　Ａ　ｌ　ｏ　−ｓ　Ｇ　ａ　０１１４　Ａ
　Ｉ！クラッド層４の禁止帯幅はＡ１゜、２Ｇ　ａ０＋
＋、Ａ　ｓ活性層３で生じた発光の最大エネルギーより
広い禁止帯幅を有しており、且ツｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
層６の禁止帯幅はＡｌ、。

２Ｇａａ、、Ａｓ活性層３の前記発光の最大エネルギー
より小さいので該Ａ　１０−２　Ｇ　ａ　６−＠　Ａ　
Ｓ活性層３で生じた光の受光部１２での吸収係数は、従
来の発光部１１と同一組成の層の受光部１２に用いた素
子に比較して大きくなる。

また、発光部１１と受光部１２及びｎ側オーミック電極
９が基板１面に対して垂直方向に集積されているので、
受光部１２で吸収されなかった光は高反射膜でもあるｎ
側オーミック電極１０で反射され、再度受光部１２に入
射される。このように、受光感度の高い受光部１２が実
現できる。

次に、この実施例の半導体光集積素子の製造工程につい
て第２図を参照して説明する。同図（、）に示すように
、先ず、ｎＧａＡｓ基板１上にｎ−Ａ　ｌ　。、、Ｇ　
ａ　０．、Ａ　ｓクララド層２、Ａｌ。、、Ｇａ、、、
Ａｓ活性層３、Ｐ−Ａ　１．、、Ｇ　ａ（、，４Ａ　ｓ
クラッド層４、Ｐ　　Ａ　ｌ　６−３　Ｇ　ａ　６−７
　Ａ　’Ｓ層５、ｎ−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層６を順次積層す
る。この場合の結晶成長方法としては有機金属気相成長
法（ＭＯＶＰＥ法）が利用できる。

そして同図（ｂ）に示すように、素子上面から発光部受
光部共通の電極を取れるようにするため、例えばＺｎの
選択拡散法によりｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層６の一部に少
なくともＰ　　Ａ　１　ｏ　、３　Ｇ　ａ　６−７　Ａ
　ｓ層５に達するまでＳｉＮ膜等をマスクとしＺｎを選
択的に拡散させ、ｐ型領域を形成する。ここでは２ｎの
拡散を用いたがＰ型を形成する不純物であれば他のもの
でも良い。その後、同図（ｃ）に示すように、Ａｕ／Ａ
ｕ−Ｚｎをｐ側オーミック電極８として、また、Ａ　ｕ
　／　Ｎ　ｉ　／　Ａ　ｕ　−Ｇ　ｅをｎ側オーミック
電極９としてそれぞれｐ−ＧａＡｓ領域７上及びｎ　−
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層６上に真空蒸着法を用いて形成する。

面電極の分離はたとえばレジストを用いたりフトオフ法
が利用できる。最後に同図（ｄ）に示すように、裏面に
ｎ側オーミック電極１０を形成する。

このように１発光部１１と受光部１２は基板１に対して
垂直方向に単に積層することにより形成することができ
るので再現性が良く容易に形成することができる。

尚、前記結晶成長方法としてはＭＯＶＰＥ法を示したが
、これに限らず分子線成長法（ＭＢＥ）や液相成長法（
ＬＰＥ）等も利用することができる。

次に他の実施例を第３図〜第５図を参照して説明する。

先ず、第３図に示す実施例においては、受光部１２のＰ
−ＡＩ。、、Ｇａ、、、Ａｓ層５とｎ−ＧａＡｓ層６の
間に１−ＧａＡｓ１３を挿入配置している。この場合は
、第３の半導体層はＰ−Ａｌ、、、Ｇａ、、４Ａｓクラ
ッド層４、Ｐ−Ａｌ、、。

Ｇａ、、、Ａｓ層５．１−ＧａＡＳ層１３の３層である
。この１−ＧａＡｓ層（空乏層）１３を厚くすることに
より、その中で大部分の光が吸収されるようにしている
ので、光吸収によって発生した電子とホールを間違いな
く光電流に寄与させることができ、極めて高い光−電気
エネルギー変換効率を有する受光部１２を実現すること
ができる。

尚、逆方向電圧を印加した時に空乏層を容易に広げるた
めにキャリア濃度の低い１ＧａＡｓ層１３を用いれば、
受光部１２がＰｉｎ構造となり、受光感度はさらに高く
なる。

次に、第４図に示す実施例について示す。

同図において、受光部１２としてＰ−Ａｌ。、ＧＧａ、
、、Ａｓクラッド層４とｎ−ＧａＡｓ層６を用いており
、この場合、第３の半導体層はｐ−Ａ　ｌ　＠　−＠　
Ｇ　ａ　（１−４Ａ　８層４の一層である。このように
、結晶成長数を減らして簡単化することも可能である。

さらに、第５図に示す実施例は、半導体基板として半絶
縁性基板１４を用い、その上部にｎ−Ｇａ　Ａ　ｓ導電
層１５を形成し、その上に前述した実施例で示した発光
部１２、受光部１１を積層している。また、結晶成長層
の一部はｎ−ＧａＡｓ導電層１５に到達する位置まで１
例えば塩素系ガスを用いたドライエツチング（ＥＣＲ−
ＲＩＢＥ）によりエツチングされ、その上にｎ側オーミ
ック電極１０を形成している。

このように、半導体光集積素子の表面のみすべてのオー
ミック電極が形成できるので、他の光デバイス、電子デ
バイス等との集積化に好都合である。

尚、第１図に示した実施例の構成において、各々の電導
型（ｐ型及びｎ型）を逆にした構成も可能であり、又、
上述した各実施例の特徴を適宜組み合わせた構成とする
こともできる。

また、上述した実施例では、Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系
の材料を用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等の他の
半導体素子の材料で構成することもできる。

要するに、半導体基板１上に半導体層３の禁止帯幅が半
導体層２及び４の禁止帯幅より小さく所謂ダブルへテロ
構造が形成されておれば良く、且つ半導体層３の禁止帯
幅が受光部１２を形成する最上部の半導体層６の禁止帯
幅より大きければ良い。

また、受光部１２を形成する半導体層５及びその反対の
電導型を有する半導体層６の２層においては、半導体層
５は半導体層６より大きい禁止帯幅を有していて良く、
同一組成でなくても良い。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば発光部と受光部
を空間的に分離することなく積層することにより形成し
、発光層の禁止帯幅は受光層の禁止帯幅より大きい構成
としているので、従来の分離溝によって並列にそれぞれ
集積した素子に比較して、光のロスが少なく光結合効率
の良い受光部が得られ、しかも分離溝形成というエツチ
ングプロセスが不要となフて再現性が良く、容易に形成
することができ、小型化も可能となる。

また、不純物の拡散により半導体層の一部の電導型を変
換しているので、素子上面から、発光部及び受光部の共
通電極を容易に形成することができる。

また９発光部と受光部を独立して制御することができる
ため、安定な光出力が得られるという効果を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す半導体光集積素子の断
面図、第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は第１図
の実施例の製造行程を示す断面図、第３図〜第５図はこ
の発明の他の実施例を示す断面図、第６図は従来の半導
体光集積素子を示す斜視図である。 １・・・半導体基板、２・・・第１の半導体層、３・・
第２の半導体層、４，５・・・第３の半導体層、６・・
・第４の半導体装置 ラｌ　幻 （ａ＞ （７７＞ −Ｚ幻 もδ幻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体基板上に、所定の電導型（ｎ型若しくはｐ型）
   を有する第１の半導体層、該第１の半導体層と同じ電導
   型であって発光層となる第２の半導体層、少なくとも一
   層から成り、前記第１の半導体層の電導型と逆の電導型
   を有する第３の半導体層、前記第１の半導体層と同じ電
   導型であって、不純物の拡散によって逆の電導型に変換
   された部分を有する第４の半導体層を順番に積層して構
   成された半導体光集積素子であって、 前記第１及び第３の半導体層は前記第２の半導体層に比
   較して大なる禁止帯幅を有し、 又前記第４の半導体層は前記第２の半導体層より小なる
   禁止帯幅を有していて、且つ、前記第１、第２、第３の
   半導体層を順バイアス動作させることにより構成される
   発光部と、該発光部から生じた光の一部をモニター光と
   して受光し、前記第３及び第４の半導体層から構成され
   る受光部とを備えていることを特徴とする半導体光集積
   素子。