(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、この基板上に形成された第１の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、この第１の半導体分布ブラッグ反射型ミラー上に形成された少なくとも発光層となる活性層を含む半導体層と、この活性層を含む半導体層上に形成された第２の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、発光領域周辺部に形成された電流閉じ込めのための高抵抗半導体領域とを具備し、光出射領域を凸部とした凸型形状をなすとともに、基板表面側電極におけるオーミック電極部は凸部上に設けられ、ボンディングパッド部は凸部周辺部において高抵抗半導体に接触して設けられたこと特徴とする垂直共振器型半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と垂直方向に光を出射する垂直共振器型の半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
共振器型発光ダイオード（以下ＲＣＬＥＤ(Resonant-Cavity Light Emitting Diode) と記す）は、垂直共振器型面発光レーザ（以下ＶＣＳＥＬ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)と記す）と類似な構造をした発光素子で、光出射側の反射率を低く設定することにより、レーザ発振させないでＬＥＤモードで動作する発光素子である。ＲＣＬＥＤは、通常のＬＥＤと比べると、共振器構造の効果により、1)発光スペクトル線幅が狭い、2)出射光の指向性が高い、3)自然放出によるキャリア寿命が短い、などの特徴がある。このため、ＲＣＬＥＤは、通常のＬＥＤと比べて、光ＬＡＮや光データリンク向けの送信光源として非常に適しており、特に伝送速度が１００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓ程度において重要な役割を果たす発光素子である。
【０００３】
図５は従来例であり、特開平５−２１８５００に示されているものと概略同一構成のＲＣＬＥＤの構造断面図である。以下、この従来例のＲＣＬＥＤの作成法を簡単にのべる。まず半導体基板５０９上に、バッファ層５０８、屈折率の異なる半導体を交互に積層してなる下部ＤＢＲ（Distibuted Bragg Reflector）ミラー５０７、下部クラッド層５０６、活性層５０５、上部クラッド層５０３を順次結晶成長する。次いで、電流閉じ込めのための高抵抗半導体を形成するために、酸素を選択的にイオン注入して、酸素注入領域５０４を形成した後、上部ＤＢＲミラー５０２を結晶成長する。次いで、裏面研磨と表面電極５０１と裏面電極５０９の形成とを行い図５のようなＲＣＬＥＤが作成される。このとき、下部ＤＢＲミラーの反射率を約９９％、上部DBRミラーの反射率を約９０％ととし、活性層で発光した光は上部ＤＢＲミラー側から選択的に取り出せる構造とする。また、基板表面から外部に光が取り出すために、表面電極は、電流が閉じ込められる発光領域の直上に開口を設ける。
【０００４】
ＲＣＬＥＤはＬＥＤモードで発光する光を用いるので、素子の応答速度は活性層でのキャリア寿命で概ね決まる。このため、発光領域が小さいほど、電流密度（キャリア密度）が高く、キャリア寿命が短いので、高速応答性は優れる。一方、十分な光出力を得るためには、発光領域を大きくする必要がある。通常、１００Ｍｂｐｓ〜１Ｇｂｐｓ程度の伝送速度で用いるＲＣＬＥＤの発光径は、３０〜１００μｍ程度大きさであり、発光径が１０μｍ程度のＶＣＳＥＬと比べると素子サイズは非常に大きくなる。このため、ＲＣＬＥＤでは、発光領域の大きさに起因した容量は非常に大きい。
【０００５】
ところで、図５の従来例のＲＣＬＥＤ構造では、発光領域での容量に加えて、周辺部での容量も非常に大きい。これは、素子周辺部の大部分の領域がｐ−ｉ−ｎ構造となっていることと、表面電極５０１から注入される電流が非常に広がり幅を持っていることによる。このため、比較的大きな発光領域での容量に加え、周辺部の容量により、素子全体の容量は非常に大きいく、高速動作させるのが困難である。また、駆動用ＩＣの設計も非常に難しくなる。
【０００６】
従来構造のＲＣＬＥＤにおいて、素子の低容量化を図る方法としては、素子周辺部をメサ状に加工することや、ワイアボディングのためのボンディングパッドと素子表面の間にＳｉＯ2膜を挿入することなどが考えられる。しかしながら、これらは製造工程が複雑になるため、製造歩留まり低下とコスト上昇を避けて通れない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域における容量に加え、発光領域周辺部の付加的な容量が非常に大きく、素子全体の容量が非常に大きいという問題があった。このため、素子の高速動作が難しいという課題と、加えて、駆動用のＩＣの設計マージンが小さく設計が難しいという課題があった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、活性層の上下に半導体ＤＢＲミラーを配置するとともに、高抵抗半導体を電流狭窄に用いた垂直共振器型発光素子において、発光領域周辺部における付加的な容量を低減し、高速動作を可能とすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、この基板上に形成された第１の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、この第１の半導体分布ブラッグ反射型ミラー上に形成された少なくとも発光層となる活性層を含む半導体層と、この活性層を含む半導体層上に形成された第２の半導体分布ブラッグ反射型ミラーと、発光領域周辺部に形成された電流閉じ込めのための高抵抗半導体領域とを具備し、光出射領域を凸部とした凸型形状をなすとともに、基板表面側電極におけるオーミック電極部は凸部上に設けられ、ボンディングパッド部は凸部周辺部において高抵抗半導体に接触して設けられたこと特徴とする垂直共振器型半導体発光素子を提供する。
【００１０】
このように構成された本発明の垂直共振器型半導体発光素子は、高抵抗半導体領域を活性近傍の基板の内部にのみ形成し、基板の一部をエッチング除去して高抵抗半導体を露出させ、高抵抗半導体上にボンディングパッドを形成することが特徴であり、素子周辺部の付加的な容量は小さい。さらに、電流注入のためのコンタクト電極は面積の広い低抵抗半導体上に形成するので、位置あわせが非常に容易である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
（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ＲＣＬＥＤの概略構成を示す断面図である。また図２は同じく第1の実施形態に係わるＲＣＬＥＤの素子表面の電極パターン図である。図1は、図２におけるＡ−Ａ'での断面図に相当する。素子表面の電極は、内部に光取り出し窓２０１の開口部を有するリング状コンタクト電極２０２とワイアボンディングのためのボンディングパッド２０３とにより構成されている。本実施例は、活性層にＩｎＧａＡｌＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いた発光波長が約６６０ｎｍの赤色ＲＣＬＥＤで、製造方法を簡単に説明すると以下の通りである。
【００１４】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０９、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー１０６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５、発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層１０８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０４、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー１０３、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０２をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長する。このとき、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーは、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５ＡｓとＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓを交互に積層した構造で、繰り返し数は、ｎ型ＤＢＲミラーでは４０、ｐ型ＤＢＲミラーでは１０とした。また、活性層上下のＤＢＲミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約６６０ｎｍとなるようにした。次に、発光領域となる直径７０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域１０７を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は、２００ｋＶ、１３０ｋＶ、６０ｋＶの３段階に設定し、それぞれの加速電圧でのドーズ量をすべて１×１０１５ｃｍ−２とした。次に、ｐ側電極１０１を形成する。リングコンタクト部の電極内径は６０μｍとし、幅５μｍのリング状領域でオーミックコンタクトが形成される。次に、基板の厚さが約１５０μｍの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、ｎ側電極１１１を形成して、素子構造が完成する。なお基板表面最終層のＧａＡｓコンタクト層は、波長６６０ｎｍの光を吸収するので、厚さを５ｎｍと十分薄くした。
【００１５】
本実施形態においては、活性層から基板表面までの厚さは約１μｍであり、上記の条件でプロトンをイオン注入すると、基板表面から深さ１．５μｍ付近の領域までがすべて高抵抗化される。したがって、プロトンが注入された発光領域周辺部においては、ｐｎ接合が存在しないため接合容量が発生しない。また、基板表面においても、電流は発光領域直上の幅５μｍのリング領域のみから注入されるため、電流広がりが十分小さく、発光領域のｐｎ接合以外の付加的な容量がほとんど発生しない。作製した素子の容量を、ゼロバイアス状態で測定すると約３ｐＦであり、ＬＥＤとしてはきわめて低容量であった。同一素子サイズの従来構造のＲＣＬＥＤにおける素子容量は約７０ｐＦであり、本実施形態のＬＥＤを用いることにより素子容量は２０分の１以下に低減された。また、注入電流が２０ｍＡのとき、動作電圧は約２．１Ｖと十分低く、光出力は約２ｍＷと十分大きかった。さらに、作製したＲＣＬＥＤを、ピーキング回路と逆バイアス回路を内蔵する駆動ＩＣで駆動することで、約１Ｇｂｐｓまでの高速変調が可能であった。なお、素子容量が約７０ｐＦときわめて大きい従来構造のＲＣＬＥＤでは、素子の変調帯域はＣＲ時定数で制限されるために、ピーキング・逆バイアスを用いて駆動しても、変調帯域は約２５０Ｍｂｐｓ程度であり、本実施形態のＬＥＤを用いることで約４倍の高速化が可能となった。
（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ＲＣＬＥＤの概略構成を示す断面図である。第１の実施形態と同様に、活性層にＩｎＧａＡｌＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いた発光波長が約６６０ｎｍの赤色ＲＣＬＥＤで、製造方法を説明すると以下の通りである。
【００１６】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板３１０に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３０９、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー３０６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３０５、発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層３０８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層３０４、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー３０３、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０２をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長する。このとき、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーは、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５ＡｓとＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓを交互に積層した構造で、繰り返し数は、ｎ型ＤＢＲミラーでは４０、ｐ型ＤＢＲミラーでは１０とした。また、活性層上下のＤＢＲミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約６６０ｎｍとなるようにした。次に、発光領域となる直径７０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域３０７を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は、２００ｋＶ、ドーズ量は３×１０１５ｃｍ−２とし、イオン注入後に５００℃で１０分のアニールを行った。次に、非プロトン注入領域である発光領域と同心で直径９０μｍを除く領域において、約０．５μｍのエッチングを施し、メサを形成する。次に、ｐ側電極３０１を形成する。リングコンタクト電極部は、内径は６０μｍおよび外径８０μｍとし、幅１０μｍのリングとした。また、ワイアボンディング用のボンディングパッドは、メサの外側の領域に形成した。次に、基板の厚さが約１５０μｍの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、ｎ側電極３１１を形成して、素子構造が完成する。
【００１７】
このようにして作製したＲＣＬＥＤでは、プロトンを注入した領域は、素子の内部でのみ高抵抗であり、素子表面付近は低抵抗となる。また、約０．５μｍのエッチングを施した領域では高抵抗が露出される。したがって、電流注入のためのリング電極は低抵抗領域上に、またボンディングパッドは高抵抗領域上に形成される。また、第１の実施形態と同様に、発光領域周辺部にはｐｎ接合は存在しない。したがって、素子の容量は十分に小さく、第１の実施形態とほぼ同じ特性のＲＣＬＥＤ得ることができた。比較的広い低抵抗領域でリング状のオーミックコンタクトを形成するため、表面電極形成時の位置合わせが非常に容易になることが、第２の実施形態のＲＣＬＥＤにおける特徴である。
（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ＲＣＬＥＤの概略構成を示す断面図である。第１および第２の実施形態と同様に、活性層にＩｎＧａＡｌＰ系多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いた発光波長が約６６０ｎｍの赤色ＲＣＬＥＤで、製造方法を説明すると以下の通りである。
【００１８】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板４１０に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４０９、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー４０６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０５、発光ピーク波長が６５０ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層４０８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０４、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー４０３、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０２をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長する。このとき、ＡｌＧａＡｓ系ＤＢＲミラーは、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５ＡｓとＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓを交互に積層した構造で、繰り返し数は、ｎ型ＤＢＲミラーでは４０、ｐ型ＤＢＲミラーでは１０とした。また、活性層上下のＤＢＲミラーにより構成される共振器構造の共振波長は約６６０ｎｍとなるようにした。次に、発光領域となる直径７０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して第１の高抵抗領域４０７を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は２００ｋＶに設定し、ドーズ量は３×１０１５ｃｍ−２とし、イオン注入後に５００℃で１０分のアニールを行った。次に、第１の高抵抗領域４０７と同心で直径が９０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して第２の高抵抗領域４１２を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は４０ｋＶに設定し、ドーズ量は１×１０１５ｃｍ−２とした。次に、ｐ側電極４０１を形成する。リングコンタクト部の電極内径は７０μｍとし、幅１０μｍのリング状領域でオーミックコンタクトが形成される。次に、基板の厚さが約１５０μｍの厚さとなるまで裏面研磨を施した後に、ｎ側電極４１１を形成して、素子構造が完成する。なお基板表面最終層のＧａＡｓコンタクト層は、波長６６０ｎｍの光を吸収するので、厚さを５ｎｍと十分薄くした。
【００１９】
この第３の実施形態のＲＣＬＥＤでは、第１の実施形態と比べると作製工程は複雑であるが、１）オーミック電極の面積が広いので位置合わせ精度に余裕がある、２）ｐ側ＤＢＲ中の電流経路が広いので低抵抗化が可能である、第１の実施形態にはない特徴を有する。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部が素子表面から活性層にいたるまで、すべて高抵抗化されているため、接合容量に起因する付加的な容量がなく、素子全体の容量は発光領域のｐｎ接合のみで決まる。このため、素子容量が非常に小さく高速動作が可能であるとともに、駆動用ＩＣも容易に設計することが可能である。加えて、素子の作製工程は非常に簡単で、低コスト性も優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わるRCLEDの表面電極パターン図。
【図３】第２の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図４】第２の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【図５】従来の実施形態に係わるRCLEDの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
101,301,401…ｐ電極
102,302,402…ｐ型GaAsコンタクト層
103,303,403…AlGaAs系ｐ側DBRミラー
104,304,404…ｐ型InGaAlPクラッド層
105,305,405…ｎ型InGaAlPクラッド層
106,306,406…AlGaAs系ｎ側DBRミラー
107,307…プロトン注入領域
108,308,408…InGaAlP系ＭＱＷ活性層
109,309,409…ｎ型GaAsバッファ層
110,310,410…ｎ型GaAs基板
111,311,411…ｎ電極
201…光取り出し窓
202…リングコンタクト電極
203…ボンディングパッド
407…第１のプロトン注入領域
412…第２のプロトン注入領域
501…表面電極
502…上部DBRミラー
503…上部クラッド層
504…酸素注入領域
505…活性層
506…下部クラッド層
507…下部DBRミラー
508…バッファ層
509…半導体基板
510…裏面電極
【図１】
0003638515.tif 000002
【図２】
0003638515.tif 000003
【図３】
0003638515.tif 000004
【図４】
0003638515.tif 000005
【図５】
0003638515.tif 000006