JPH06204453A - 発光デバイスおよび光集積デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑なアライメントを必要とすることなく半
導体光デバイスと光導波路が集積化した発光デバイスと
光集積デバイスを提供する。 【構成】 例えばアモルファス状の基板１に内部にｐｎ
接合、ｐｉｎ接合またはこれに類する接合を有する多結
晶半導体３、４を形成し、その一部にキャリアを注入し
て発光させ、非注入領域を導波路１０として作用させる
発光デバイス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信や光情報処理に
必須の光導波路と結合した光半導体素子からなる発光デ
バイスと光集積デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体発光素子から出射した光を光導波
路と結合するための手段として、最も簡便な方法は空間
光学系を用いた方法である。これは図７に示すように半
導体発光素子５０から出射した光を、たとえばセルフォ
ックレンズ、球レンズあるいは顕微鏡対物レンズなど、
開口数の大きなレンズ５１で集光し、光導波路５２と結
合するという方法である。また図８に示すように、レン
ズなどを用いずに光導波路５２の端面に半導体発光素子
５０をほとんど密着するように配置することで、発光素
子５０からの光を光導波路と結合するという方法も用い
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記半導体発光素子５
０から出射した光を光導波路５２と結合するための手段
として空間光学系を併用したもの、あるいは直接結合型
のいずれも、光学系のアライメントが容易ではない。た
とえば光導波路５２からの出射光をモニタし、半導体発
光素子５０あるいはレンズ５１を微動して出力光が最も
大きくなるところで固定するという操作が必要であっ
た。また、空間光学系を併用した結合では、レンズ５１
等の光部品がモジュールのコンパクト化を妨げている。
さらに半導体発光素子５０の一つである発光ダイオード
は数１０μｍ□のサイズで機能するが、ダイボンドやワ
イヤボンディングを施す必要があるため、必要以上のサ
イズに切り出されている。このこともモジュールのコン
パクト化を妨げている一つの要因である。また、半導体
レーザと半導体導波路を組み合わせたものとしてＬＯＣ
（Largeoptical cavity）構造が知られているが、この
場合には基板が結晶であり、その結晶基板上にエピタキ
シャル成長で作製されたものであるため、導波路長が限
られる、基板が高価であるなどの問題がある。

【０００４】本発明の目的は光学系のアライメントが容
易であり、しかもコンパクトで安価な発光デバイス、光
集積デバイスを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、エピタキシャル成
長が起こらない材料からなる基板上に内部に少なくとも
ｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合あるいはこれに類した接合
を有し、ｐ型およびｎ型半導体の一部にそれぞれ設けた
電極間に電流を注入してｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合あ
るいはこれに類した接合で発光させるとともにｐ型およ
びｎ型半導体の電流非注入領域を導波路として作用させ
ることを特徴とする発光デバイス、または、内部に少な
くともｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合あるいはこれに類し
た接合を有し、ｐ型およびｎ型半導体の一部にそれぞれ
設けた電極間に電流を注入してｐｎ接合もしくはｐｉｎ
接合あるいはこれに類した接合で発光させるとともにｐ
型およびｎ型半導体の電流非注入領域を導波路とする発
光デバイスを単一のエピタキシャル成長が起こらない材
料からなる基板上に複数配置する光集積デバイスであ
る。

【０００６】本発明ではエピタキシャル成長が起こらな
い材料を基板とする。ここで、エピタキシャル成長が起
こらない材料から成る基板は単結晶である必要はなく、
アモルファス、多結晶等の物質を使用することができ。
したがって、石英ガラス、多成分系ガラス、結晶化ガラ
ス、セラミック、金属、半導体等の材料が使用可能であ
るので、非常に広範囲のデバイス材料を利用することが
できる。また、種々の基板上にＣＶＤ法、スパッタ法あ
るいは蒸着法などにより形成したＳｉＯ₂をはじめとす
る種々の酸化物、ＳｉＮなどの窒化物、ＳｉＣなどの炭
化物、金属、あるいは半導体からなる膜などのいかなる
アモルファスあるいは多結晶材料を用いても構わない。
ただし、いずれの場合も基板あるいは基板上に形成した
膜の屈折率は、半導体発光素子の発光波長において多結
晶半導体材料の屈折率よりも小さいことが必須である。
また半導体発光素子の発光波長に対して吸収係数が小さ
いほうが好ましい。

【０００７】半導体発光素子を形成する材料はＡｌＧａ
Ａｓをはじめ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、Ｚｎ
Ｓｅ、ＣｄＴｅなど種々の半導体材料に応用でき、ＭＯ
ＣＶＤ法、ＭＢＥ法あるいはＶＰＥ法などで作製でき
る。本導波路上にアモルファス、セラミック、高分子化
合物、多結晶あるいは単結晶材料などの材料で、導波路
を形成する多結晶半導体材料よりも導波光の波長におい
て小さな屈折率を有する材料で覆い、クラッド層として
作用させても良い。この場合もその波長に対して小さな
吸収係数を持った材料の方が、効率よく光を取り出すと
いう観点からは好ましい。またその膜の作製法としては
蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、スピン、
ディッピングなどいかなる方法でも良い。また、本発明
でｐｎ接合またはｐｉｎ接合に類した接合とは、半導体
と金属が接触したときに生じるショットキ接合のような
接合を言う。

【０００８】

【作用】本発明を実施するにあたり、最も大きな問題は
アモルファス、セラミック、多結晶等のエピタキシャル
成長が起こらない材料からなる基板にサイズの大きなグ
レイン（多結晶膜中の単結晶）からなる多結晶膜を作製
することにある。サイズの大きなグレインが形成できれ
ば、半導体発光素子または受光素子として機能させるこ
とができる。多結晶基板上に多結晶膜を成膜する際、グ
レインのサイズは基板のグレインサイズに影響される
が、例えばアモルファス基板である石英ガラス基板上に
ＭＯＣＶＤ法で多結晶膜を作製する場合、そのグレイン
の大きさは成長条件に依存して変化する。例えば、グレ
イン成長温度、グレイン成長圧力、成長速度、原料供給
速度、キャリアガス流量を制御することで、グレインの
サイズをコントロールできる。例えば、成長温度が高い
ほど、また成長圧力が低いほど得られるグレインのサイ
ズは大きくなる。１０Ｔｏｒｒの圧力のもとで８５０℃
でＧａＡｓの成長を試みた予備実験では、直径が３０μ
ｍ以上のグレインからなる多結晶膜が得られた。

【０００９】以上のように、ＭＯＣＶＤ法で条件を最適
化することで上記予備実験で得られたものよりもサイズ
の大きなグレインからなる多結晶膜を製造することが可
能となる。この基板上に、ｐ型とｎ型のＡｌＧａＡｓ膜
を成長すれば、そのｐ型およびｎ型の膜も基板である多
結晶の膜と同程度もしくはそれ以上のサイズからなる多
結晶となる。そのサイズが半導体発光素子または半導体
受光素子として十分に機能するものが得られる。

【００１０】アモルファス、セラミックあるいは多結晶
の基板、もしくは基板の結晶構造が作製する半導体材料
とは異なる単結晶基板、あるいは結晶構造が同じであっ
ても格子定数に大きな差がある基板上には、基板全面に
わたる結晶のエピタキシャル成長は起こらない。しかし
ながら成長初期に基板上に生じる微結晶が結晶核として
作用し、核が成長して多結晶の膜となる。前記グレイン
の成長条件を選択することにより、多結晶膜の各グレイ
ンのサイズがデバイスサイズよりも大きければ、その多
結晶膜上に作製したデバイスは単結晶デバイスと同程度
の特性が得られることになる。

【００１１】こうして、本発明によれば基板上に形成し
た多結晶体（バルクまたは膜）内に形成された少なくと
もｐｎ接合あるいはｐｉｎ接合あるいはそれに類した接
合を持つ多結晶半導体発光素子のｐ型およびｎ型半導体
にそれぞれ設けた電極間に電流を流して、ｐｎ接合もし
くはｐｉｎ接合あるいはそれに類した接合で発光させる
ことができる。そして、多結晶半導体は発光素子として
作用するだけではなく、導波路のコアとしても作用する
ので、光学系のアライメントが容易であり、しかもコン
パクトで安価な光集積デバイスが得られる。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図面と共に説明する。 実施例１ 図１は本実施例の多結晶光集積デバイスの製造工程を示
す図であり、基板１として石英ガラスを用い、前処理と
してフッ化水素酸によるエッチングを行った。さらにこ
れを不純物による結晶核の異常発生を防ぐために、ＭＯ
ＣＶＤチャンバ内に導入して１０００℃で１５分間ＨＣ
ｌにさらして表面を清浄化した。これを８５０℃まで降
温し、圧力１０Ｔｏｒｒで第１回目の結晶成長を行っ
た。ここで第３族原料としてトリメチルガリウム、トリ
メチルアルミニウム、第５族原料としてアルシンを用
い、またキャリアガスとして水素を用いた。第５族／第
３族原料のモル流量比（以下５／３比と略す）４０で１
時間原料を供給した。この結果、石英ガラス基板１上に
はｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）からなる直径３０μ
ｍ程度のグレイン２が成長した（図１（ａ））。続いて
圧力を常圧として８００℃でグレイン２と同一組成のｐ
型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層３を成長させ、次い
で、８５０℃でｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）層４を
それぞれ成長させた（図１（ｂ））。この２段階の成長
は、第２の成長では良好な特性を有するｐ型ＡｌＧａＡ
ｓ層３あるいはｎ型ＡｌＧａＡｓ層４が得るためであ
る。作製したＡｌＧａＡｓ膜３、４を幅１０μｍのスト
ライプパターンを残してエッチング除去した（図１
（ｃ））。この素子にｐ型電極を取るためのステップ６
を形成した（図１（ｄ））。その後、図２に示すように
ステップ６上にはｐ型電極７、ストライプパターン５上
の一部にｎ型電極８を蒸着法でそれぞれ作製して多結晶
光集積デバイスを作製した。

【００１３】電極７、８間に順方向バイアスを印加した
ところ、ストライプパターン５を構成するｐ型ＡｌＧａ
Ａｓ層３とｎ型ＡｌＧａＡｓ層４からなるｐｎ接合で発
光し、デバイスの一部が発光素子９として作用する。ま
たｐｎ接合での発光はストライプパターン５が形成する
導波路１０の端面から出射した。すなわち、発光素子９
の発光が導波路１０に結合している。発光素子９は７５
０ｎｍをピークとして発光する。これは深い準位による
ものであり、導波路１０内のこの発光波長に対する吸収
係数は非常には小さいために、光が導波路端面から出射
した。

【００１４】図３は図２で示す類の光デバイスを集積し
たもので、多結晶ＡｌＧａＡｓ層３、４のエッチングマ
スクと電極作製用マスクの形状を変えるだけで、容易に
アレイ化できる。

【００１５】実施例２ 本発明の他の実施例を図４を用いて以下に説明する。実
施例１と同一条件で石英ガラス基板１上に直径３０μｍ
程度のｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）からなるグレイ
ンを成長した（説明せず）。続いて圧力を常圧として８
００℃でグレインと同一組成のｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝
０．４）層３、ノンドープＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３）
層１１、次いで、８５０℃でｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝
０．４）層４をそれぞれ成長させた（図４（ａ））。作
製したＡｌＧａＡｓ層３、１１、４を幅１０μｍのスト
ライプパターン５を残してエッチング除去した（図４
（ｂ））。この素子にｐ型電極を取るためのステップ６
を形成（図４（ｃ））後、図５（実施例１の図２に対
応）に示すようにステップ６上にはｐ型電極７、ストラ
イプパターン５上の一部にｎ型電極８を蒸着法でそれぞ
れ作製して多結晶光集積デバイスを作製した。

【００１６】電極７、８間に順方向バイアスを印加した
ところ、ストライプパターン５を構成するｐ型ＡｌＧａ
Ａｓ層３、ノンドープＡｌＧａＡｓ層１１、およびｎ型
ＡｌＧａＡｓ層４からなるｐｉｎ接合で発光し、デバイ
スの一部が発光素子９として作用する。またｐｉｎ接合
での発光はストライプパターン５が形成する導波路１０
の端面から出射した。すなわち、発光素子９の発光が導
波路１０に結合している。発光素子９は７８０ｎｍをピ
ークとして発光する。これは深い準位によるものであ
り、導波路１０内のこの発光波長に対する吸収係数は非
常に小さいために、光が導波路端面から出射した。

【００１７】図６は実施例１の図３に対応したもので、
図５で示す類の光デバイスを集積したもので、多結晶Ａ
ｌＧａＡｓ層３、４のエッチングマスクと電極作製用マ
スクの形状を変えるだけで、容易にアレイ化できる。

【００１８】上記本発明の実施例に示した発光デバイス
あるいは光集積デバイスは、光通信用光源、光情報処理
用光源、光プリンタ用光源、各種光書き込みよう光源な
どに利用できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によると、通常のフォトリソグラ
フィのマスク合わせにより、発光スポットを光導波路と
一致させることが可能で、従来必要であった複雑な半導
体発光素子あるいは光学部品などのアライメントは不要
となる。また半導体発光素子のサイズを必要最小限にす
ることができ、従来のものに比べてモジュールとしての
サイズを縮小できる。また単結晶基板を用いないため
に、導波路長に制限を受けない、基板が安価であるとい
う利点もある。また、本発明によるとアレイ化した光導
波路に対しても容易に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の多結晶半導体光導波路と
結合した多結晶半導体光デバイスの作製工程図である。

【図２】 図１の工程で得られた多結晶半導体光デバイ
スの斜視図である。

【図３】 本発明の実施例１の多結晶半導体光導波路ア
レイと結合した多結晶半導体光集積デバイスアレイの斜
視図である。

【図４】 本発明の実施例２の多結晶半導体光導波路と
結合した多結晶半導体光デバイスの作製工程図である。

【図５】 図４の工程で得られた多結晶半導体光デバイ
スの斜視図である。

【図６】 本発明の実施例２の多結晶半導体光導波路ア
レイと結合した多結晶半導体光集積デバイスアレイの斜
視図である。

【図７】 従来の半導体光素子から発せられた光をレン
ズを用いて光導波路に結合するための構成を表す説明図
である。

【図８】 従来の半導体光素子から発せられた光を直接
光導波路に結合するための構成を表す説明図である。

【符号の説明】

１…石英ガラス基板、２…ｐ型ＡｌＧａＡｓグレイン、
３…ｐ型多結晶ＡｌＧａＡｓ層、４…ｎ型多結晶ＡｌＧ
ａＡｓ層、６…ステップ、７…ｐ型電極、８…ｎ型電
極、９…発光素子、１０…光導波路、１１…ノンドープ
多結晶ＡｌＧａＡｓ層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エピタキシャル成長が起こらない材料か
   らなる基板上に内部に少なくともｐｎ接合あるいはｐｉ
   ｎ接合あるいはこれに類した接合を有し、ｐ型およびｎ
   型半導体の一部にそれぞれ設けた電極間に電流を注入し
   てｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合あるいはこれに類した接
   合で発光させるとともにｐ型およびｎ型半導体の電流非
   注入領域を導波路として作用させることを特徴とする発
   光デバイス。
2. 【請求項２】 内部に少なくともｐｎ接合あるいはｐｉ
   ｎ接合あるいはこれに類した接合を有し、ｐ型およびｎ
   型半導体の一部にそれぞれ設けた電極間に電流を注入し
   てｐｎ接合もしくはｐｉｎ接合あるいはこれに類した接
   合で発光させるとともにｐ型およびｎ型半導体の電流非
   注入領域を導波路とする発光デバイスを単一のエピタキ
   シャル成長が起こらない材料からなる基板上に複数配置
   することを特徴とする光集積デバイス。