(57)【要約】【課題】安全性や波長選択性及び高速応答性に優れると共に安価でしかも広い指向性を有する受発光素子を提供する。【解決手段】発光素子１および受光素子２は、光無線ＬＡＮあるいは一般の光空間伝送に用いられる送受信素子であって、そのポイントは、同一構造（光共振器構造４、６を有するＰＩＮダイオード８）の発光素子１と受光素子２を同一の製作工程で得ること、その同一の製作工程で得られた光共振器構造４、６を有するＰＩＮダイオード８を対にして受発光に用いることにある。【選択図】　図１
2004031644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に光共振器構造を有するＰＩＮダイオードを形成する第一の工程と、
前記光共振器構造を有するＰＩＮダイオードの上に発光用のマスクパターンと受光用のマスクパターンとを用いて発光用電極と受光用電極とを形成する第二の工程と、
前記第二の工程後に発光用電極を含む発光素子部分と受光用電極を含む受光素子部分とを個別に又は対にしてあるいは発光素子と受光素子をそれぞれ複数個のアレイ状にして切り出す第三の工程と
を含むことを特徴とする受発光素子の製造方法。
【請求項２】
発光素子および受光素子は、
共通の半導体基板上に光共振器構造を有するＰＩＮダイオードを形成すると共に、
前記光共振器構造を有するＰＩＮダイオードの上に発光用のマスクパターンと受光用のマスクパターンとを用いて発光用電極と受光用電極とを形成したものであり、
且つ、前記発光用電極を含む発光素子部分と前記受光用電極を含む受光素子部分とを個別に又は対にしてあるいは発光素子と受光素子をそれぞれ複数個のアレイ状にして切り出されたもの
であることを特徴とする受発光素子。
【請求項３】
前記発光素子部分に含まれるＰＩＮダイオードは、発光方向に６０度以上の広放射角特性を有することを特徴とする請求項２記載の受発光素子。
【請求項４】
前記受光素子部分に含まれるＰＩＮダイオードの光共振器構造は、反射率が９０％以下程度で、且つ、十分な電流を通電しても発振しない発光ダイオード特性を有し、受光時には、表面で受光する波長域での反射率が９０％以上に高くなっていない特性を有することを特徴とする請求項２記載の受発光素子。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４いずれかに記載の受発光素子を用いて構成された光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）あるいは一般の光空間伝送モジュールに用いられる送受信素子の製造方法、送受信素子及びそれを用いた光通信システムに関する。ここで、一般の光空間伝送モジュールの例としては、短距離で用いられる赤外線リモコン（テレビ等の家電製品リモコン）や赤外光センサ、イメージセンサなどがある。いずれも一方向又は双方向のデータ伝送が可能である。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤ（発光ダイオード）とＰＤ（フォトダイオード）を用いた光通信システムは、安全性、価格、指向性の点で有利な反面、波長選択性や高速応答性に欠点があり、特に昨今の高速伝送システム（例：１００Ｍｂｐｓを越えるもの）に対応できない。また、細く絞り込まれたビーム光線（以下「レーザ光」という）を用いたものは、充分な高速応答性を得られるが、安全性と指向性に難点がある。ここで、安全性の難点とは、レーザ光の光エネルギーは距離が離れてもほとんど低下しないため、仮に人の眼に照射された場合、網膜に対して生理学的な危害を与える可能性があることをいう。また、指向性の難点とは、発光素子から発射されたレーザ光の光軸上に受光素子を正確に位置合わせする必要があり、少しでも位置がずれるとデータの送受信ができなくなることをいう。とりわけ、この指向性の難点は、受発光部の相対位置を固定とする用途、たとえば、無線ＬＡＮのアクセスポイントと端末の相対位置が変更されない場合には不都合がないものの、携帯端末のようにしばしば位置が変化する用途には適用できないという致命的欠点がある。
【０００３】
特開平１０−２４２５００号公報、特開平１０−２９４５２７号公報、特開２００１−１９６６０８号公報には、発光部に垂直共振器型面発光レーザを用い、受光部にＰＩＮフォトダイオード（ピンフォトダイオード）を用いたものが記載されている。なお、ピンフォトダイオードとは、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）と並んで光ファイバ通信でよく用いられる光電変換素子の一つである。半導体の単なるｐ−ｎ接合ではなく、ｉ層と呼ばれる中間層真性半導体の存在するｐ−ｉ−ｎ接合型のものは、量子効果が大きい、入力−出力のリニアリティーが良い、接合容量が小さいなど、光ファイバ通信の受光素子として好適な特性を有している。また動作電圧が数Ｖ程度から使用できるなど使いやすい特性も持っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各公報に記載されたものは、いずれもレーザ光を用いているため、依然として、上記の欠点（安全性と指向性）を克服できないという欠点があり、しかも、発光部と受光部の構造が大きく異なるため、製造コストがかさむという欠点がある。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、安全性、波長選択性及び高速応答性に優れると共に、安価で、しかも、広い指向性を有する受発光素子の製造方法、受発光素子及びそれを用いた光通信システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光無線ＬＡＮあるいは一般の光空間伝送に用いられる送受信素子であって、そのポイントは、同一構造（光共振器構造を有するＰＩＮダイオード）の発光素子と受光素子を同一の製作工程で得ること、その同一の製作工程で得られた光共振器構造を有するＰＩＮダイオードを対にして受発光に用いることにある。
【０００７】
また、その光共振器構造を有するＰＩＮダイオードは、発光方向に６０度以上の広放射角特性を有し、又は、その光共振器構造は、反射率が９０％以下程度で十分な電流を通電しても発振しない発光ダイオード特性を有し、且つ、受光時には、表面で受光する波長域での反射率が９０％以上に高くなっていない特性を有するものとする。
【０００８】
本発明では、発光部と受光部の構造が同じであり、しかも同一の製作工程を経て作られるから、発光部と受光部の特性のバラツキも少なく、製造コストを削減できる。また、光共振器構造を有するＰＩＮダイオードによる発光波長は、その光共振器構造の半導体多層膜の膜厚に依存して正確に調整されるため、波長選択性を向上でき、しかも高速応答性も改善できる。また、光共振器構造を有するＰＩＮダイオードは、発光方向に６０度以上の広放射角特性を有する光（言い換えれば末広がりで広い指向性を有する光）を出力するため、細く絞り込まれたビーム光線（レーザ光）の欠点（安全性と指向性の難点）を解消できる。
【０００９】
したがって、本発明の上記の目的、すなわち、安全性、波長選択性及び高速応答性に優れると共に、安価で、しかも、広い指向性を有する受発光素子の製造方法、受発光素子及びそれを用いた光通信システムを提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る製造方法によって作製された発光素子と受光素子の断面構造図、図２は、その発光素子と受光素子の共通外観図である。なお、図２における層数は便宜例であり、図示の層数をもって実際の発光素子と受光素子の層数を特定してはならない。また、電極の配線構造も特定してはならない。
【００１１】
これらの図において、発光素子１と受光素子２は、それぞれ、半導体基板３の上に、下部半導体多層膜４、中間層５、上部半導体多層膜６、および、コンタクト層７を積層して構成されている。下部半導体多層膜４と上部半導体多層膜６は、それぞれ光共振器構造（レーザキャビティとも呼ばれる）の中核をなす部分である。
【００１２】
一般に面発光レーザにおいては、レーザキャビティを画定するための反射ミラー（又は単に「ミラー」）を必要とする。このような反射ミラーとしては、屈折率の異なる薄膜を積層したＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：高反射率分布反射器）型反射ミラーが知られており、ＤＢＲ型反射ミラーは、誘電体多層膜又は半導体多層膜で構成することができる。
【００１３】
図示の下部半導体多層膜４と上部半導体多層膜６は、それぞれ、レーザキャビティを画定するためのＤＢＲ型反射ミラーに相当する。
【００１４】
なお、半導体基板上にＤＢＲ型反射ミラーを集積化する場合、屈折率の異なる二種類の半導体（又は誘電体でもよいが、以下、半導体で統一する）によって多層膜を形成することが便利である。この場合、ＤＢＲ型反射ミラーの各層の光学的厚さは、基本的にλ／４（λは所望する発光の１波長）又はその奇数倍（（λ／４）ｎ）に設定される。ここで、「光学的厚さ」とは、物理的厚さと屈折率との積をいう。また、「基本的にλ／４」とは、多層膜のうち大部分はλ／４であるが、その一部、たとえば、最外層はλ／４から外れた厚さ（光学的厚さ）であってもよいことを意味する。
【００１５】
下部半導体多層膜４と上部半導体多層膜６の導電型は、反対導電型であり、且つ、下部半導体多層膜４と半導体基板３の導電型は、同一導電型である。たとえば、半導体基板３の導電型をｐ型とした場合、下部半導体多層膜４の導電型は同一導電型のｐ型で、上部半導体多層膜６の導電型はその反対導電型のｎ型である。したがって、下部半導体多層膜４を一導電型（ｐ型又はｎ型）とし、上部半導体多層膜６を他導電型（ｎ型又はｐ型）とし、且つ、その間にｉ層と呼ばれる中間層真性半導体を挟み込んだ構造の光共振器構造を有するＰＩＮダイオード８を構成する。
【００１６】
このような構造を有する発光素子１および受光素子２は、後でも説明するように、同一のプロセス（工程）を経て作製される。この工程の最終段階において、コンタクト層７の上に発光素子用の表面電極パターン（発光用電極）９を形成すると、その部分が発光素子１となり、また、コンタクト層７の上に受光素子用の表面電極パターン（受光用電極）１０を形成すると、その部分が受光素子２となる。そして、それらの発光素子１と受光素子２を個別に切り出し、又は、発光素子１と受光素子２を対（ペア）にして切り出すことにより、光無線ＬＡＮあるいは一般の光空間伝送モジュールに用いられる送受信素子が提供される。
【００１７】
下部および上部半導体多層膜４、６は、既述のとおり、伝送に用いられる光の波長（λ）の光学的厚さの１／４長（すなわち「λ／４」またはその奇数倍）で屈折率差のある半導体材料を交互に積層して作られる。各々の繰り返し膜厚（λ／４）は可能な限り均一にする。ただし、この場合の各層の光学的厚さは、中間層５の導入による膜厚の変化や所望の反射スペクトル特性を得るために必ずしも厳密に決定されない。
【００１８】
下部および上部半導体多層膜４、６は、先にも説明したとおり、一次元フォトニック周期結晶あるいはＤＢＲの光共振器構造を構成する。すなわち、下部半導体多層膜４は光共振器構造の一方の反射ミラーの役割を果たし、上部半導体多層膜６は光共振器構造の他方の反射ミラーの役割を果たす。
【００１９】
中間層５は、下部半導体多層膜４に接する側から順に、クラッド層１１、量子井戸層１２、バリア層１３、量子井戸層１４、バリア層１５、量子井戸層１６、クラッド層１７を積層して構成されている。
【００２０】
所定の評価を経て十分な特性を得た光共振器構造を有するＰＩＮダイオード８について、その表面（コンタクト層７の表面）とその下面（半導体基板３の裏面）に表面電極パターン９、１０と、下面電極パターン１８、１９を形成する。先にも説明したとおり、表面電極パターン９、１０はそれぞれ発光素子用のもの、受光素子用のものである。
【００２１】
次に、上記の発光素子１と受光素子２の製造工程を説明する。
図３は、本発明に係るデバイス作製工程の概念図である。
まず、発光素子１と受光素子２の作製には、伝送に用いる光の波長に対応する光学的厚さで周期的な膜を形成する作製手法が必要である。有機材料を用いたこの周期構造形成には、スピンコートや蒸着、気相熱重合法、インクジェットを用いることができる。無機材料の場合、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）装置やＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着法）装置を使用するが、どの装置を用いるかは、波長、周期構造を形成する材料、ｐｎ接合構造のためのドーパント材料などによって適宜に選択すればよい。ちなみに、堅牢な化合物半導体で光（３００ｎｍ〜３０００ｎｍ程度の波長）の一次元フォトニック周期を用いて光共振器構造を形成する場合は、ＭＯＣＶＤ装置が量産性に優れる。
【００２２】
以下、ＭＯＣＶＤ装置を用いて形成される本実施の形態における面受発光デバイス作製工程について説明する。
まず、適当な直径（たとえば、２インチから１２インチ程度）の半導体基板（この段階ではウェハである）３の上に、気相成長法により、伝送に用いる波長（λ）の光学的厚さの１／４長（すなわち「λ／４」又はその奇数倍）で屈折率差のある半導体材料を交互に積層し、下部半導体多層膜４を形成する。下部半導体多層膜４は、光共振器構造の一方の光反射構造としてドーピングにより通電可能な第１反射ミラーの機能を有する。
【００２３】
次に、下部半導体多層膜４を形成する化合物半導体よりも高い屈折率を有し、且つ、バンドギャップエネルギーが小さくなる化合物半導体材料でクラッド層１１、１７と量子井戸層１２、１４、１６を成長させる。
【００２４】
量子井戸層１２、１４、１６は、所望する発光波長を満たすように材料を選択し、単層または９層程度までの複数層で、光共振器構造の中心部に配置されるように、共振器を形成する下部および上部半導体多層膜４、６の間で量子井戸層１２、１４、１６を挟むクラッド層１１、１７の光学的厚さを決定する。
【００２５】
半導体多層膜で挟まれるクラッド層１１、１７、量子井戸層１２、１４、１６、バリア層１３、１５を足し合わせた膜厚は発光波長の１波長から数波長程度とする。なお、複数の量子井戸層１２、１４、１６の場合は層間にバンドギャップエネルギーが量子井戸層１２、１４、１６よりも大きいバリア層１３、１５を挿入し、量子井戸層１２、１４、１６へのドーピングは所望の特性によっては行わないようにする。
【００２６】
次に、もう一方の光の反射ミラーとなる上部半導体多層膜６を成長させる。半導体基板３と最初に成長させる下部半導体多層膜４がｐ型の場合は、この上部半導体多層膜６をｎ型とし、あるいは、ｎ型の半導体基板３を用いる場合は、下部半導体多層膜４をｎ型とし、上部半導体多層膜６をｐ型とする。
【００２７】
エピタキシャル成長過程で得る下部半導体多層膜４の反射率は、周期を増やして１００％に近い反射率を得るようにする。
【００２８】
ここで、下部および上部半導体多層膜４、６の間に挟むクラッド層１１、１７、量子井戸層１２、１４、１６、バリア層１３、１５を合わせた発光波長に対する吸収率をαとし、上部半導体多層膜６の反射率をＲとし、中間層５の厚さをＬとしたとき、上部半導体多層膜６の条件は、
（Ａ）下部半導体多層膜４よりも反射率が低いこと、
（Ｂ）誘導放出を起こさないこと（つまり、１−Ｒ＞＞αＬを満たすこと）、
（Ｃ）発光の放射角度を広げる場合には、量子井戸層１２、１４、１６の発光ピーク波長よりも、下部および上部半導体多層膜４、６の反射ピーク波長が長波長側になるように作製されること、
で与えられる。
【００２９】
エピタキシャル成長の最後に、表面電極パターン９、１０との接合部となるコンタクト層７を設けておく。ここまでの作製過程は、複数基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置して作製し、膜厚均一性が保たれる範囲でできるだけ多くの大口径基板を用いる。ここまでの作製過程を終了した時点で、エピタキシャル成長後の基板構造体の評価を行う。結晶性、表面発光スペクトル波長、側面からの発光波長、表面の反射スペクトルと共振波長等を評価して所望の特性を得ない場合は、コストがかかる電極作製工程からは除外する。また、評価の際に１つの基板上で発光波長に傾斜して領域が形成されている場合は、発光ピーク波長が長波長側にある領域を受光素子として用いるように電極作製プロセスを調整する。
【００３０】
上記エピタキシャル成長後の基板構造体で十分な特性を得た場合、その基板構造体の表面と下面に、それぞれ表面電極パターン９、１０と、裏面電極パターン１８、１９を形成する。表面電極パターン９、１０は、電極作製に用いるマスクパターンを発光、受光に最適なパターンにレイアウトして１回の作製工程で作製する。この際、ボンディングパッドや電流注入を施したくない部分については所要の材料で絶縁する。
【００３１】
裏面電極パターン１８、１９は簡易化して全面に作製するが、必要に応じて電極作製前に半導体基板３の裏面側を研磨して薄くする。最後に、発光素子１もしくは受光素子２を１素子毎またはアレイ化して複数毎に切断する。
【００３２】
以上の工程を経て、図１および図２に示す発光素子１と受光素子２を製作することができ、これらの発光素子１と受光素子２は、以下の効果を奏することができる。
（１）共通の半導体基板３の上に、光共振器構造を有するＰＩＮダイオード８を形成すると共に、所要部分に発光用の表面電極パターン９と、受光用の表面電極パターン１０とを形成して、それら各部を切り出すことにより、発光素子１および受光素子２を作製したので、
発光素子１および受光素子２のデバイス特性のバラツキ（下部および上部半導体多層膜４、６で形成される共振器の反射率と受光の際の波長選択性等で予想されるバラツキ）を抑えることができ、同一の波長選択性を持つ発光素子１と受光素子２を提供することができる。
【００３３】
したがって、これらの発光素子１と受光素子２を対にして光無線ＬＡＮあるいは一般の光空間伝送モジュールに使用することにより、光信号伝送の品質向上を図ることができる。
【００３４】
（２）発光表面に対して垂直方向とは異なる特定の角度で最も強度が強くなる共振特性を得るようにしたので、発光放射角度が広がる特性を有する発光素子とすることができる。すなわち、発光の放射角度を広げる場合には活性層の発光ピーク波長よりも、下部および上部半導体多層膜４、６の反射波長ピーク波長を長波長側になるように作製することにより、発光素子１の発光放射角度を広げることができ、従来のレーザ光のような安全性や指向性の難点を持たないものとすることができる。
【００３５】
（３）光共振器構造は、一方の反射率が９０％以下程度で十分な電流を通電しても発振しない発光ダイオード特性を有するので、反射率が低いために誘導放出を起こさず、特定方向にしか光を放出することができないレーザビームの欠点を解消できる。したがって、極小さい限定されたエリアのみにしか光信号を伝送できないという事態にはならず、広域に送信することができる。
【００３６】
（４）受光面では発光波長に対して反射率が９０％以上もあると表面でほとんどの光が反射してしまって受光できなくなる。したがって、面発光レーザーのように成長させた場合は、発光素子をそのまま受光素子として用いることが非常に難しくなるが、反射率が低くても波長選択性を持つ本実施の形態の受光素子２では、上部半導体多層膜６の反射率は６０％以下にすることが可能であるために受光素子としても有効な素子とすることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、同一構造（光共振器構造を有するＰＩＮダイオード）の発光素子と受光素子を同一の製作工程で得るようにし、その同一の製作工程で得られた光共振器構造を有するＰＩＮダイオードを対にして受発光に用いるので、
発光部と受光部の構造が同じであり、しかも同一の製作工程を経て作られるから、発光部と受光部の特性のバラツキも少なく、製造コストを削減できる。
【００３８】
また、光共振器構造を有するＰＩＮダイオードによる発光波長は、その光共振器構造の半導体多層膜の膜厚に依存して正確に調整されるため、波長選択性を向上でき、しかも高速応答性も改善できる。
【００３９】
また、光共振器構造を有するＰＩＮダイオードは、発光方向に６０度以上の広放射角特性を有する光（言い換えれば末広がりで広い指向性を有する光）を出力するため、細く絞り込まれたビーム光線（レーザ光）の欠点（安全性と指向性の難点）を解消できる。
【００４０】
したがって、本発明の前記の目的、すなわち、安全性、波長選択性及び高速応答性に優れると共に、安価で、しかも、広い指向性を有する受発光素子の製造方法、受発光素子及びそれを用いた光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る製造方法によって作製された発光素子と受光素子の断面構造図である。
【図２】その発光素子と受光素子の共通外観図である。
【図３】本発明に係るデバイス作製工程の概念図である。
【符号の説明】
３　半導体基板
４　下部半導体多層膜（光共振器構造）
６　上部半導体多層膜（光共振器構造）
８　ＰＩＮダイオード
９　表面電極パターン（発光用電極）
１０　表面電極パターン（受光用電極）
【図１】
2004031644.tif 000003
【図２】
2004031644.tif 000004
【図３】
2004031644.tif 000005