(57)【要約】【課題】  製造工程を簡素化することができる、発光部と受光部とを含む光素子の製造方法、およびその製造方法によって得られる光素子を提供する。【解決手段】  本発明にかかる光素子１００は，基板１０１の上方に、基板１０１側から配置された、第１半導体層１０２と、活性層１０３と、第２半導体層１０４と、を含む発光部１４０と、発光部１４０の上方に、発光部１４０側から配置された、第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３と、を含む受光部１２０と、第２半導体層１０４と電気的に接続された共通電極１０９と、を含み、第２半導体層１０４と第２コンタクト層１１３とは、同じ導電型であり、第１コンタクト層１１１は、高純度半導体層、または第２半導体層１０４と同じ導電型の半導体層であり、第１コンタクト層１１１は、第２半導体層１０４の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有し、共通電極１０９は、発光部１４０および受光部１２０を駆動するための共通電極である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に、該基板側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記発光部の上方に、該発光部側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、
前記第２半導体層と電気的に接続された共通電極と、を含み、
前記第２半導体層と前記第２コンタクト層とは、同じ導電型であり、
前記第１コンタクト層は、高純度半導体層、または第２半導体層と同じ導電型の半導体層であり、
前記第１コンタクト層は、前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有し、
前記共通電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極である、光素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーである、光素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型である、光素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１コンタクト層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍である、光素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記第１コンタクト層は、複数の層が積層されてなり、
前記複数の層のうちの少なくとも一層が前記バリア層である、光素子。
【請求項６】
請求項５において、
前記複数の層の各層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍である、光素子。
【請求項７】
基板の上方に、該基板側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、
前記受光部の上方に、該受光部側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続された共通電極と、を含み、
前記第１半導体層と前記第１コンタクト層とは、同じ導電型であり、
前記第２コンタクト層は、高純度半導体層、または第１半導体層と同じ導電型の半導体層であり、
前記第２コンタクト層は、前記第１半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有し、
前記共通電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極である、光素子。
【請求項８】
請求項７において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーである、光素子。
【請求項９】
請求項７において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型である、光素子。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかにおいて、
前記第２コンタクト層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍である、光素子。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかにおいて、
前記第２コンタクト層は、複数の層が積層されてなり、
前記複数の層のうちの少なくとも一層が前記バリア層である、光素子。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記複数の層の各層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍である、光素子。
【請求項１３】
発光部および受光部を含む光素子の製造方法において、
基板の上方に、少なくとも、第１半導体層、活性層、第２半導体層、第１コンタクト層、光吸収層、および第２コンタクト層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２コンタクト層の一部を含む第２柱状部を形成する工程と、
前記基板または前記第１半導体層と電気的に接続するように第１電極を形成する工程と、
前記第２半導体層と電気的に接続するように第２電極を形成する工程と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続するように第３電極を形成する工程と、を含み、
前記第２半導体層と前記第２コンタクト層とは、同じ導電型となるように形成し、
前記第１コンタクト層は、高純度半導体層、または第２半導体層と同じ導電型の半導体層となるように形成し、
前記第１コンタクト層は、前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有するように形成し、
前記第２電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極となるように形成する、光素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーである、光素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型である、光素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれかにおいて、
前記第２電極を形成する工程と、前記第３電極を形成する工程とは、同一のプロセスで行われる、光素子の製造方法。
【請求項１７】
発光部および受光部を含む光素子の製造方法において、
基板の上方に、少なくとも、第１コンタクト層、光吸収層、第２コンタクト層、第１半導体層、活性層、および第２半導体層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２コンタクト層の一部を含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む第２柱状部を形成する工程と、
前記基板または前記第１コンタクト層と電気的に接続するように第１電極を形成する工程と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続するように第２電極を形成する工程と、
前記第２半導体層と電気的に接続するように第３電極を形成する工程と、を含み、
前記第１半導体層と前記第１コンタクト層とは、同じ導電型となるように形成し、
前記第２コンタクト層は、高純度半導体層、または第１半導体層と同じ導電型の半導体層となるように形成し、
前記第２コンタクト層は、前記第１半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有するように形成し、
前記第２電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極となるように形成する、光素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーである、光素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項１７において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型である、光素子の製造方法。
【請求項２０】
請求項１７〜１９のいずれかにおいて、
前記第１電極を形成する工程と、前記第２電極を形成する工程とは、同一のプロセスで行われる、光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザは、環境温度により光出力が変動するという特性を有する。このため、面発光型半導体レーザを用いた光モジュールにおいては、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を検出して光出力値をモニタするための光検出機能が備えられている場合がある。たとえば、面発光型半導体レーザ上にフォトダイオード等の光検出素子を設けることにより、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を同一素子内でモニタすることができる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１１４６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、製造工程を簡素化することができる、発光部と受光部とを含む光素子の製造方法、およびその製造方法によって得られる光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明にかかる光素子は、
基板の上方に、該基板側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記発光部の上方に、該発光部側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、
前記第２半導体層と電気的に接続された共通電極と、を含み、
前記第２半導体層と前記第２コンタクト層とは、同じ導電型であり、
前記第１コンタクト層は、高純度半導体層、または第２半導体層と同じ導電型の半導体層であり、
前記第１コンタクト層は、前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有し、
前記共通電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極である。
【０００５】
本発明にかかる光素子において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」の他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。この「上方」の定義については、本発明にかかる光素子の製造方法においても同様である。
【０００６】
この光素子によれば、前記第１コンタクト層が前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐ。すなわち、前記第１コンタクト層が前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層として機能する。言い換えるならば、前記第２半導体層から前記受光部に前記第２半導体層の多数キャリアが流れ込むのを防ぐことができる。したがって、前記第２半導体層から前記受光部に流れる不要な電流（暗電流）を防ぐことができる。その結果、前記受光部は、良好な特性を有する光検出素子として機能することができる。
【０００７】
本発明にかかる光素子において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーであることができる。
【０００８】
本発明にかかる光素子において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型であることができる。
【０００９】
本発明にかかる光素子において、
前記第１コンタクト層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍であることができる。
【００１０】
本発明にかかる光素子およびその製造方法において、設計波長とは、前記発光部において生じる光のうち強度が最大である光の波長をいう。
【００１１】
また、本発明にかかる光素子およびその製造方法において、光学的膜厚とは、層の実際の膜厚に、層を構成する物質の屈折率を乗じて得られる値をいう。
【００１２】
本発明にかかる光素子において、
前記第１コンタクト層は、複数の層が積層されてなり、
前記複数の層のうちの少なくとも一層が前記バリア層であることができる。
【００１３】
本発明にかかる光素子において、
前記複数の層の各層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍であることができる。
【００１４】
本発明にかかる光素子は、
基板の上方に、該基板側から配置された、第１コンタクト層と、光吸収層と、第２コンタクト層と、を含む受光部と、
前記受光部の上方に、該受光部側から配置された、第１半導体層と、活性層と、第２半導体層と、を含む発光部と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続された共通電極と、を含み、
前記第１半導体層と前記第１コンタクト層とは、同じ導電型であり、
前記第２コンタクト層は、高純度半導体層、または第１半導体層と同じ導電型の半導体層であり、
前記第２コンタクト層は、前記第１半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有し、
前記共通電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極である。
【００１５】
本発明にかかる光素子において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーであることができる。
【００１６】
本発明にかかる光素子において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型であることができる。
【００１７】
本発明にかかる光素子において、
前記第２コンタクト層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍であることができる。
【００１８】
本発明にかかる光素子において、
前記第２コンタクト層は、複数の層が積層されてなり、
前記複数の層のうちの少なくとも一層が前記バリア層であることができる。
【００１９】
本発明にかかる光素子において、
前記複数の層の各層の光学的膜厚は、前記発光部の設計波長がλである場合、λ／４の奇数倍であることができる。
【００２０】
本発明にかかる光素子の製造方法は、
発光部および受光部を含む光素子の製造方法において、
基板の上方に、少なくとも、第１半導体層、活性層、第２半導体層、第１コンタクト層、光吸収層、および第２コンタクト層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２コンタクト層の一部を含む第２柱状部を形成する工程と、
前記基板または前記第１半導体層と電気的に接続するように第１電極を形成する工程と、
前記第２半導体層と電気的に接続するように第２電極を形成する工程と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続するように第３電極を形成する工程と、を含み、
前記第２半導体層と前記第２コンタクト層とは、同じ導電型となるように形成し、
前記第１コンタクト層は、高純度半導体層、または第２半導体層と同じ導電型の半導体層となるように形成し、
前記第１コンタクト層は、前記第２半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有するように形成し、
前記第２電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極となるように形成する。
【００２１】
この光素子の製造方法によれば、光素子の製造工程を簡素化することができる。すなわち、この製造方法によって得られる光素子では、前記発光部を駆動するための一方の電極と、前記受光部を駆動するための一方の電極とが共通化されている。具体的には、共通化されている電極は前記第２電極である。この光素子の製造方法によれば、電極を共通化することによって、電極を共通化しない場合に比べ、光素子の電極形成工程を減らすことができる。したがって、この光素子の製造方法によれば、光素子の製造工程を簡素化することができ、歩留まりを向上させることができる。その結果、製造コストが安価な光素子を提供することができる。
【００２２】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーであることができる。
【００２３】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型であることができる。
【００２４】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記第２電極を形成する工程と、前記第３電極を形成する工程とは、同一のプロセスで行われることができる。
【００２５】
本発明にかかる光素子の製造方法は、
発光部および受光部を含む光素子の製造方法において、
基板の上方に、少なくとも、第１コンタクト層、光吸収層、第２コンタクト層、第１半導体層、活性層、および第２半導体層を構成するための半導体層を積層する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２コンタクト層の一部を含む第１柱状部を形成する工程と、
前記半導体層をエッチングすることにより、少なくとも前記第２半導体層の一部を含む第２柱状部を形成する工程と、
前記基板または前記第１コンタクト層と電気的に接続するように第１電極を形成する工程と、
前記第２コンタクト層と電気的に接続するように第２電極を形成する工程と、
前記第２半導体層と電気的に接続するように第３電極を形成する工程と、を含み、
前記第１半導体層と前記第１コンタクト層とは、同じ導電型となるように形成し、
前記第２コンタクト層は、高純度半導体層、または第１半導体層と同じ導電型の半導体層となるように形成し、
前記第２コンタクト層は、前記第１半導体層の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有するように形成し、
前記第２電極は、前記発光部および前記受光部を駆動するための共通電極となるように形成する。
【００２６】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記発光部は、面発光型半導体レーザとして機能し、
前記第１半導体層は、第１ミラーであり、
前記第２半導体層は、第２ミラーであることができる。
【００２７】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記発光部は、発光ダイオードとして機能し、
前記第１半導体層は、第１導電型であり、
前記第２半導体層は、第２導電型であることができる。
【００２８】
本発明にかかる光素子の製造方法において、
前記第１電極を形成する工程と、前記第２電極を形成する工程とは、同一のプロセスで行われることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３０】
１．第１の実施の形態
１−１．光素子１００の構造
図１は、本発明を適用した実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１に示す光素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＡ−Ａ線における断面を示す図である。
【００３１】
本実施の形態にかかる光素子１００は、図１に示すように、発光部１４０と、受光部１２０と、を含む。
【００３２】
以下、発光部１４０、受光部１２０、および全体の構成について説明する。
【００３３】
１−１−１．発光部１４０
発光部１４０は、半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１上に設けられている。この発光部１４０は垂直共振器を有する。また、この発光部１４０は、柱状の半導体堆積体（以下、「第１柱状部」という）１３０を含むことができる。
【００３４】
発光部１４０は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第１ミラー」という）１０２と、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第２ミラー」という）１０４と、が順次積層されて構成されている。なお、第２ミラー１０４の最上層１４は、Ａｌ組成の小さい方、すなわちｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層となるように構成されている。
【００３５】
なお、本発明において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、ガリウム（Ｇａ）に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０から１までである。すなわち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が０の場合）およびＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が１の場合）を含む。
【００３６】
第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数は特に限定されるわけではない。
【００３７】
第２ミラー１０４は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、たとえばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００３８】
また、発光部１４０のうち、第２ミラー１０４から第１ミラー１０２の途中にかけての部分が、第２ミラー１０４の上面１０４ａからみて円形の形状にエッチングされて第１柱状部１３０が形成されている。第１柱状部１３０の平面形状である円形の直径は適宜設定されるが、たとえば５０μｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態では、第１柱状部１３０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
【００３９】
さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１０５は、図１に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、第１柱状部１３０の平面形状の円形と同心の円のリング状である。
【００４０】
また、発光部１４０には第１電極１０７および第２電極１０９が設けられている。この第１電極１０７および第２電極１０９は、発光部１４０を駆動するために使用される。また、第２電極１０９は、後述するように、受光部１２０を駆動するためにも使用される。すなわち、第２電極１０９は、発光部１４０および受光部１２０を駆動するための共通電極である。
【００４１】
具体的には、図１に示すように、第１電極１０７は、第１ミラー１０２の上面１０２ａ上に設けられている。第１電極１０７は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する。すなわち、第１電極１０７は主として第１柱状部１３０を取り囲むように設けられている。言い換えれば、第１柱状部１３０は第１電極１０７の内側に設けられている。
【００４２】
第２電極１０９は、発光部１４０の上面１０４ａ上に設けられている。第２電極１０９は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する。すなわち、第２電極１０９は、主として後述する第２柱状部１３２を取り囲むように設けられている。言い換えれば、第２柱状部１３２は第２電極１０９の内側に設けられている。
【００４３】
なお、本実施の形態では、第１電極１０７が第１ミラー１０２上に設けられている場合について示したが、第１電極１０７を半導体基板１０１の裏面１０１ｂに設けてもよい。
【００４４】
第１電極１０７は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、ニッケル（Ｎｉ）と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第２電極１０９は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、および金（Ａｕ）の積層膜からなる。第１電極１０７と第２電極１０９とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第１電極１０７および第２電極１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などが利用可能である。
【００４５】
１−１−２．受光部１２０
受光部１２０は発光部１４０上に設けられている。具体的には、受光部１２０は、第２ミラー１０４上に設けられている。本実施の形態にかかる光素子１００においては、受光部１２０の上面はレーザ光の出射面１０８を含んでいる。
【００４６】
また、受光部１２０は、第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３と、を含む。第１コンタクト層１１１は第２ミラー１０４上に設けられ、光吸収層１１２は第１コンタクト層１１１上に設けられ、第２コンタクト層１１３は光吸収層１１２上に設けられている。第１コンタクト層１１１、光吸収層１１２、および第２コンタクト層１１３は、柱状の半導体堆積体（以下、「第２柱状部」という）１３２を構成する。第２柱状部１３２の平面形状は、たとえば図２に示すように、円形とすることができる。第２柱状部１３２の平面形状である円形の直径は適宜設定されるが、たとえば２５μｍ程度とすることができる。
【００４７】
第１コンタクト層１１１は例えばｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなり、光吸収層１１２は例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなり、第２コンタクト層１１３は例えばｐ型ＧａＡｓ層からなることができる。具体的には、第１コンタクト層１１１は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされ、第２コンタクト層１１３は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。したがって、ｐ型の第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていない光吸収層１１２、およびｐ型の第２コンタクト層１１３により、ｐｉｐ構造が形成される。
【００４８】
本実施の形態では、第１コンタクト層１１１は、第２ミラー１０４の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層として機能する。詳細については、後述の光素子１００の動作の項にて説明する。
【００４９】
第１コンタクト層１１１は、第２ミラー１０４のうち、Ａｌ組成の大きい方のＡｌＧａＡｓ層と同じＡｌ組成を有することができる。具体的には、第１コンタクト層１１１は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなることができる。そして、第２ミラー１０４のうち、Ａｌ組成の大きい方のＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなることができる。なお、第１コンタクト層１１１のＡｌ組成は、第２ミラー１０４の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層として機能するならば、特に限定されない。
【００５０】
受光部１２０には、第２電極１０９および第３電極１１０が設けられている。この第２電極１０９および第３電極１１０は受光部１２０を駆動させるために使用される。上述したように、第２電極１０９は、発光部１４０を駆動するためにも使用される。すなわち、第２電極１０９は、発光部１４０および受光部１２０を駆動するための共通電極である。
【００５１】
具体的には、第３電極１１０は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する。第３電極１１０は受光部１２０の上面上（第２コンタクト層１１３上）に設けられている。第３電極１１０には開口部１１４が設けられており、この開口部１１４によって第２コンタクト層１１３の上面の一部が露出する。この露出した面が、レーザ光の出射面１０８である。したがって、開口部１１４の平面形状および大きさを適宜設定することにより、出射面１０８の形状および大きさを適宜設定することができる。本実施の形態においては、図２に示すように、出射面１０８が円形である場合を示す。
【００５２】
また、本実施の形態にかかる光素子１００においては、第３電極１１０は第２電極１０９と同じ材質にて形成することができる。
【００５３】
１−１−３．全体の構成
本実施の形態にかかる光素子１００においては、発光部１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに受光部１２０のｐ型第１コンタクト層１１１およびｐ型第２コンタクト層１１３から、全体としてｎｐｐｐ構造が構成される。
【００５４】
受光部１２０は、発光部１４０で生じた光の出力をモニタする機能を有する。具体的には、受光部１２０は、発光部１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、発光部１４０で生じた光の出力が検知される。
【００５５】
より具体的には、次の光素子１００の動作の項にて説明する。
【００５６】
なお、本実施の形態においては、光素子１００が面発光型半導体レーザである場合について説明したが、本発明は、面発光型半導体レーザ以外の発光素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる光素子としては、例えば、半導体発光ダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２および第３の実施の形態の光素子でも同様に適用される。
【００５７】
１−２．光素子１００の動作
本実施の形態にかかる光素子１００の一般的な動作を、図３を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態にかかる光素子１００の要部の動作を模式的に示すエネルギーバンド図である。なお、下記の光素子１００の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
【００５８】
まず、第１電極１０７と第２電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、発光部１４０の活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、前記再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１０４の上面１０４ａからレーザ光が出射し、受光部１２０の第１コンタクト層１１１へと入射する。
【００５９】
次に、受光部１２０において、第１コンタクト層１１１に入射した光は、次に光吸収層１１２に入射する。この入射光の一部が光吸収層１１２にて吸収される。この吸収された光によって、光吸収層１１２において光励起（図３に示す矢印ａ）が生じ、電子２０および正孔２２が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子２０は、図３に示す矢印ｂの方向にドリフトし、正孔２２は、矢印ｃの方向にドリフトする。
【００６０】
そして、ドリフトする電子２０は、バリア層として機能する第１コンタクト層１１１によって形成される障壁１１１ａを超え、第１コンタクト層１１１に移動する。ここで、障壁１１１ａは、光吸収層１１２のバンドギャップよりも、第１コンタクト層１１１のバンドギャップが大きいことによって形成される。具体的には、本実施の形態の光素子１００において、光吸収層１１２は、たとえばＧａＡｓ層からなり、第１コンタクト層１１１は、たとえばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなる。バンドギャップは、ＧａＡｓ層よりもＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の方が大きい。これにより、障壁１１１ａが形成される。
【００６１】
障壁１１１ａを超えた電子は、第１コンタクト層１１１を通過し、第２ミラー１０４の最上層１４に移動する。第２ミラー１０４の最上層１４には、第１コンタクト層１１１によって形成される障壁１１１ｂがあることにより、第２ミラー１０４の多数キャリアである正孔２２が溜められている。ここで、障壁１１１ｂは、第２ミラー層１０４の最上層１４のバンドギャップよりも、第１コンタクト層１１１のバンドギャップが大きいことによって形成される。具体的には、本実施の形態の光素子１００において、第２ミラー層１０４の最上層１４は、たとえばＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなり、第１コンタクト層１１１は、たとえばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなる。バンドギャップは、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層よりもＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の方が大きい。これにより、障壁１１１ｂが形成される。
【００６２】
第２ミラー１０４の最上層１４に移動した電子２０は、第２電極１０９に移動するか、あるいは、図３に示すように、第２ミラー１０４の最上層１４に溜められている正孔２２と再結合する（図３に示す矢印ｄ）。電子２０と正孔２２が再結合することにより、第２ミラー１０４の最上層１４に溜められている正孔２２は減少する。第２ミラー１０４の最上層１４に溜められている正孔２２が減少すると、第２ミラー１０４の最上層１４に、第２電極１０９から正孔２２が補充される。
【００６３】
なお、図３に示すように、電子２０と正孔２２が再結合する（図３に示す矢印ｄ）ことにより光が発生する。受光部１２０における光吸収層１１２のバンドギャップが、第２ミラー１０４の最上層１４のバンドギャップより大きいことによって、この光を光吸収層１１２において吸収しないようにすることができる。このようなバンドギャップの大小関係となるように、光吸収層１１２および第２ミラー１０４の最上層１４に用いられる材料を選択することができる。また、第２ミラー１０４の最上層１４に、非発光センターとなるような不純物（たとえばＣｕまたはＦｅなど）、あるいは格子欠陥などを導入することができる。これにより、上記再結合の際に光が発生しないようにすることができる。
【００６４】
また、矢印ｃの方向にドリフトする正孔２２は、第２コンタクト層１１３に移動し、さらに、第３電極１１０に移動する。
【００６５】
上述の電子２０および正孔２２の移動により、受光部１２０において、第１コンタクト層１１１から第２コンタクト層１１３の方向に電流（光電流）が生じる。
【００６６】
また、発光部１４０の光出力は、主として発光部１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、発光部１４０の光出力は、発光部１４０の周囲温度や発光部１４０の寿命によって大きく変化する。このため、発光部１４０において所定の光出力を維持することが必要である。
【００６７】
本実施の形態にかかる光素子１００では、発光部１４０の光出力をモニタし、受光部１２０にて発生した電流の値に基づいて発光部１４０に印加する電圧値を調整することによって、発光部１４０内を流れる電流の値を調整することができる。したがって、発光部１４０において所定の光出力を維持することができる。発光部１４０の光出力を発光部１４０に印加する電圧値にフィードバックする制御は、外部電子回路（駆動回路；図示せず）を用いて実施することができる。
【００６８】
１−３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した実施の形態にかかる光素子１００の製造方法の一例について、図４〜図８を用いて説明する。図４〜図８は、図１および図２に示す光素子１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。
【００６９】
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ層からなる半導体基板１０１の表面１０１ａに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図４に示すように、半導体多層膜１５０が形成される。ここで、半導体多層膜１５０は例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した３８．５ペアの第１ミラー１０２、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層とを交互に積層した２４ペアの第２ミラー１０４、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなる第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる光吸収層１１２、およびｐ型ＧａＡｓ層からなる第２コンタクト層１１３からなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される。
【００７０】
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層を、後に酸化されて電極狭窄用の絶縁層１０５となるＡｌＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。この絶縁層１０５となるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、たとえば０．９５以上である。また、第２ミラー１０４の最表面の層は、キャリア密度を高くし、電極（第２電極１０９）とのオーミック接触をとりやすくしておくのが望ましい。
【００７１】
また、第１コンタクト層１１１の光学的膜厚は、たとえば、λ／４の奇数倍とすることができる。その結果、第１コンタクト層１１１は、第２ミラー１０４と共に、分布反射型多層膜ミラーとして機能することができる。すなわち、発光部１４０における活性層１０３の上方において、第２ミラー１０４および第１コンタクト層１１１が、分布反射型多層膜ミラーとして機能することができる。したがって、発光部１４０の特性に悪影響を及ぼすことなく、第１コンタクト層１１１は分布反射型多層膜ミラーの一部として機能することができる。
【００７２】
エピタキシャル成長を行う際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行う際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
【００７３】
（２）次に、第２柱状部１３２を形成する（図５参照）。
【００７４】
まず、半導体多層膜１５０上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ１が形成される。
【００７５】
ついで、レジスト層Ｒ１をマスクとして、例えばドライエッチング法またはウェットエッチング法により、第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２、および第１コンタクト層１１１をエッチングする。これにより、第２コンタクト層１１３と、第２コンタクト層１１３と同じ平面形状を有する光吸収層１１２と、光吸収層１１２と同じ平面形状を有する第１コンタクト層１１１とが形成される。そして、第２ミラー１０４の最上層１４の上面１４ａが露出される。すなわち、第２柱状部１３２が形成される。
【００７６】
本実施の形態において、第１コンタクト層１１１は、たとえばｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層からなり、第２ミラー１０４の最上層１４は、たとえばｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなる。すなわち、第１コンタクト層１１１のＡｌ組成は、第２ミラー１０４の最上層１４のＡｌ組成より大きい。このような場合、たとえば、フッ化水素系のエッチャントを用いることによって、選択的にＡｌ組成の大きなＡｌＧａＡｓ層を除去することができる。言い換えるならば、選択的に第1コンタクト層１１１を除去して、第２ミラー１０４の最上層１４の上面１４ａを露出させることができる。
【００７７】
露出した第２ミラー１０４の最上層１４であるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層は、Ａｌ組成が小さいため、後述する電流狭窄層１０５を形成するための酸化工程において、酸化されないようにすることができる。その後、レジスト層Ｒ１が除去される。
【００７８】
これにより、図５に示すように、受光部１２０が形成される。この受光部１２０は、第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２および第１コンタクト層１１１を含む。
【００７９】
（３）次いで、パターニングにより、第１柱状部１３０を含む発光部１４０が形成される（図６参照）。具体的には、まず、第２ミラー１０４上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該レジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ２が形成される。次いで、レジスト層Ｒ２をマスクとして、例えばドライエッチング法またはウェットエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチングする。
【００８０】
第１ミラー１０２の一部をエッチングする際のエッチャントとして、たとえば、フッ化水素系のエッチャントを用いることができる。これによって、第１コンタクト層１１１のエッチングの説明において述べたように、選択的にＡｌ組成の大きなＡｌＧａＡｓ層を除去することができる。すなわち、第１ミラー１０２におけるＡｌ組成の小さなＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層を露出させることができる。露出した第１ミラー１０２におけるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層は、Ａｌ組成が小さいため、後述する電流狭窄層１０５を形成するための酸化工程において、酸化されないようにすることができる。なお、第１ミラー１０２におけるＡｌ組成の大きなＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を露出させることもできる。
【００８１】
以上の工程により、図６に示すように、半導体基板１０１上に、第１柱状部１３０を含む垂直共振器（発光部１４０）が形成される。すなわち、発光部１４０と、受光部１２０との積層体が形成される。その後、レジスト層Ｒ２が除去される。
【００８２】
なお、本実施の形態においては前述したように、第２柱状部１３２をまず形成した後に第１柱状部１３０を形成する場合について説明したが、第１柱状部１３０を形成した後に第２柱状部１３２を形成してもよい。
【００８３】
（４）続いて、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって第１柱状部１３０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図７参照）。
【００８４】
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層１０５を備えた発光部１４０では、駆動する際に、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。したがって、酸化によって電流狭窄層１０５を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
【００８５】
また、発光部１４０から出射する光の大部分が第１コンタクト層１１１に入射するように、電流狭窄層１０５が形成されていない部分（酸化されていない部分）の円形の直径を調整することが望ましい。この直径は、適宜設定することができるが、たとえば８μｍ程度である。
【００８６】
（５）次いで、第１ミラー１０２の上面１０２ａ上に第１電極１０７が形成される（図８参照）。
【００８７】
まず、第１電極１０７を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第１ミラー１０２の上面１０２ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００８８】
次いで、たとえば真空蒸着法により、たとえば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金、ニッケル（Ｎｉ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、公知のリフトオフ技術を用いて、所定の位置以外の積層膜を除去することで、発光部１４０の第１ミラー１０２上に第１電極１０７が形成される（図８参照）。
【００８９】
次いで、たとえば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、たとえば４００℃前後で行う。アニール処理の時間は、たとえば２分程度行う。以上の工程により、第１電極１０７が形成される。
【００９０】
（６）次いで、第２ミラー１０４の上面１０４ａ上に第２電極１０９が形成され、受光部１２０の上面（第２コンタクト層１１３の上面１１３ａ）上に第３電極１１０が形成される（図１および図２参照）。
【００９１】
まず、第２電極１０９および第３電極１１０を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第２ミラー１０４の上面１０４ａおよび第２コンタクト層１１３の上面１１３ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
【００９２】
次いで、たとえば真空蒸着法により、たとえば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより、第２電極１０９および第３電極１１０が形成される。この際、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａに、前記積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口部１１４となり、開口部１１４によって、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａの一部が露出する。この露出した面がレーザ光の出射面１０８となる。
【００９３】
次いで、たとえば窒素雰囲気中において、アニール処理を行う。アニール処理の温度は、たとえば３６０℃前後で行う。アニール処理の時間は、たとえば２分程度行う。以上の工程により、第２電極１０９および第３電極１１０が形成される。
【００９４】
なお、上記工程において、リフトオフ法のかわりにドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法のかわりにスパッタ法を用いることもできる。また、前記工程においては、第２電極１０９および第３電極１１０を同時にパターニングしているが、第２電極１０９および第３電極１１０を個々に形成してもかまわない。
【００９５】
以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施の形態の光素子１００が得られる。
【００９６】
１−４．作用・効果
本実施の形態にかかる光素子１００によれば、第１コンタクト層１１１が第２ミラー１０４の多数キャリア（本実施の形態においては、正孔２２）の拡散を防ぐ。すなわち、第１コンタクト層１１１が第２ミラー１０４の正孔２２の拡散を防ぐバリア層として機能する。言い換えるならば、第２ミラー１０４から受光部１２０に正孔２２が流れ込むのを防ぐことができる。したがって、第２ミラー１０４から受光部１２０に流れる不要な電流（暗電流）を防ぐことができる。その結果、受光部１２０は、良好な特性を有する光検出素子として機能することができる。
【００９７】
本実施の形態にかかる光素子１００によれば、第１コンタクト層１１１と第２ミラー１０４とが同一の導電型である。また、発光部１４０を駆動するための一方の電極と、受光部１２０を駆動するための一方の電極とが共通化されている。具体的には、本実施の形態において共通化されている電極は第２電極１０９である。これにより、本実施の形態にかかる光素子１００によれば、複雑な電極構造を有することなく、第１コンタクト層１１１と第２ミラー１０４とに共通の電位を印加することができる。すなわち、第１コンタクト層１１１と第２ミラー１０４とが異なる導電型であると、第１コンタクト層１１１と第２ミラー１０４とに共通の電位を印加するためには、複雑な電極構造が必要となる。具体的には、第１コンタクト層１１１にオーミック接触する電極と、第２ミラー１０４にオーミック接触する他の電極と、これらの電極同士を電気的に接続する接続電極とが必要となる。
【００９８】
本実施の形態にかかる光素子１００によれば、上述したように、第１コンタクト層１１１と第２ミラー１０４とに、簡単な電極構造で共通の電位を印加することができる。これにより、発光部１４０に印加する順バイアスと、受光部１２０に印加する逆バイアスとを、同一極性の電源から供給することができる。すなわち、異なる極性の電源を用いる場合に比べ、電気回路を簡素化することができる。具体的には、たとえば、第２電極１０９を接地して、発光部１４０に印加する順バイアスを負電源から、受光部１２０に印加する逆バイアスを他の負電源から供給することができる。
【００９９】
本実施の形態にかかる光素子１００の製造方法によれば、本実施の形態にかかる光素子１００の製造工程を簡素化することができる。すなわち、上述したように、本実施の形態にかかる光素子１００では、発光部１４０を駆動するための一方の電極と、受光部１２０を駆動するための一方の電極とが共通化されている。具体的には、本実施の形態において共通化されている電極は第２電極１０９である。本実施の形態にかかる光素子１００の製造方法によれば、上述のように電極を共通化することによって、電極を共通化しない場合に比べ、光素子１００の電極形成工程を減らすことができる。したがって、本実施の形態にかかる光素子１００の製造方法によれば、本実施の形態にかかる光素子１００の製造工程を簡素化することができ、歩留まりを向上させることができる。その結果、製造コストが安価な光素子１００を提供することができる。
【０１００】
本実施の形態にかかる光素子１００によれば、発光部１４０の光出力の一部を受光部１２０でモニタして駆動回路にフィードバックすることで、温度等による出力変動を補正することができるため、安定した光出力を得ることができる。
【０１０１】
２．第２の実施の形態
２−１．光素子２００の構造
図９は、本発明を適用した第２の実施の形態にかかる光素子２００を模式的に示す断面図である。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、発光部２４０が面発光型半導体レーザとして機能し、受光部２２０が光検出素子としての機能を有する場合を示す。
【０１０２】
本実施の形態にかかる光素子２００は、受光部２２０および発光部２４０がこの順に半導体基板２０１上に積層されている点で、第１の実施の形態にかかる光素子１００とは異なる構成を有する。なお、本実施の形態の光素子２００において、第１の実施の形態にかかる光素子１００の構成要素「１ＸＸ」と類似する構成要素を「２ＸＸ」と示す。すなわち、「２ＸＸ」は、第１の実施の形態にかかる光素子１００の「１ＸＸ」と同様の構成要素を表しており、基本的に同様の材質からなるため、その詳細な説明については省略するものとする。
【０１０３】
本実施の形態にかかる光素子２００は、半導体基板２０１上に設けられた受光部２２０と、受光部２２０上に設けられた発光部２４０とを含む。この光素子２００は、発光部２４０から見て受光部２２０の方向に光を出射することができる。
【０１０４】
受光部２２０は、第１コンタクト層２１３（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第２コンタクト層１１３と類似）と、光吸収層２１２と、第２コンタクト層２１１（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第１コンタクト層１１１と類似）とを含む。ｐ型の第１コンタクト層２１３、光吸収層２１２、およびｐ型の第２コンタクト層２１１はこの順に、ｐ型ＧａＡｓからなる半導体基板２０１上に積層されている。第１コンタクト層２１３、光吸収層２１２、および第２コンタクト層２１１はそれぞれ、第１の実施の形態にかかる第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２、および第１コンタクト層１１１と同じ材質から形成することができる。
【０１０５】
本実施の形態では、第２コンタクト層２１１は、第１の実施の形態にかかる第１コンタクト層１１１と同様に、第１ミラー２０４（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第２ミラー１０４と類似）の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層として機能する。
【０１０６】
発光部２４０は、第１ミラー２０４と、活性層２０３と、第２ミラー２０２（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第１ミラー１０２と類似）と、を含む。ｐ型の第１ミラー２０４、活性層２０３、およびｎ型の第２ミラー２０２はこの順に受光部２２０上に積層されている。第１ミラー２０４、活性層２０３、および第２ミラー２０２は、第１の実施の形態にかかる第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２と同じ材質から形成することができる。また、第１ミラー２０４には、第１の実施の形態にかかる第２ミラー１０４と同様に、電流狭窄層２０５が設けられている。
【０１０７】
また、本実施の形態にかかる光素子２００は、第３電極２０７（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第１電極１０７と類似）、第２電極２０９、および第１電極２１０（第１の実施の形態にかかる光素子１００における第３電極１１０と類似）を含む。第３電極２０７および第２電極２０９は発光部２４０を駆動させるために用いられる。また、第２電極２０９および第１電極２１０は受光部２２０を駆動させるために用いられる。第３電極２０７は第２ミラー２０２上に設けられている。第２電極２０９は第２コンタクト層２１１上に設けられている。第１電極２１０は第１コンタクト層２１３上に設けられている。第２電極２０９および第１電極２１０はリング状の平面形状を有する。第１電極２１０は第１柱状部２３０を取り囲むように設けられ、第２電極２０９は第２柱状部２３２を取り囲むように設けられている。具体的には、第１柱状部２３０は第１電極２１０の内側に設けられ、第２柱状部２３２は第２電極２０９の内側に設けられている。
【０１０８】
また、本実施の形態にかかる光素子２００においては、受光部２２０において半導体基板２０１と接している側を上面、発光部２４０と接している側を下面とした場合、受光部２２０の上面に出射面２０８が設けられている。具体的には、半導体基板２０１を貫通する開口部２１４が半導体基板２０１に設けられており、この開口部２１４によって第１コンタクト層２１３の露出している面が出射面２０８となっている。開口部２１４は、たとえば、半導体基板２０１の裏面２０１ｂをエッチングすることによって形成することができる。このエッチングは、たとえばドライエッチング法またはウェットエッチング法などにより行うことができる。上述の開口部２１４の形成方法以外の本実施の形態にかかる光素子２００の製造方法については、第１の実施の形態にかかる光素子１００の製造方法とほぼ同様であるため、詳しい説明は省略する。
【０１０９】
２−２．光素子２００の動作
本実施の形態にかかる光素子２００は、半導体基板２０１上での発光部２４０および受光部２２０の積層順が、第１の実施の形態にかかる光素子１００と逆である。しかしながら、本実施の形態にかかる光素子２００の基本的な動作は、第１の実施の形態にかかる光素子１００と同様であるため、詳しい説明は省略する。
【０１１０】
第１の実施の形態にかかる光素子１００の動作と異なる主な点は、本実施の形態にかかる光素子２００においては、発光部２４０で生じた光の一部は受光部２２０を通過して出射面２０８から出射される。ここで、発光部２４０で生じた光の一部が受光部２２０の光吸収層２１２によって吸収されて、電流へと変換されることにより、発光部２４０で生じた光出力が検知される。
【０１１１】
２−３．作用・効果
本実施の形態にかかる光素子２００は、第１の実施の形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用および効果を有する。
【０１１２】
さらに、本実施の形態にかかる光素子２００によれば、第２柱状部２３２は、第１柱状部２３０上に形成されている。そのため、第１柱状部２３０の平面形状の面積を、第２柱状部２３２の平面形状の面積より大きく形成することができる。その結果、発光部２４０で生じた光を、光吸収層２１２において、より多く吸収することができる。すなわち、受光部２２０は、より良好な特性を有する光検出素子として機能することができる。
【０１１３】
３．第３の実施の形態
図１０は、本発明を適用した第３の実施の形態にかかる光モジュール５００を模式的に示す図である。この光モジュール５００は、光素子４００（第１光素子４００ａ，第２光素子４００ｂ）と、半導体チップ３２と、光導波路（光ファイバ３０）とを含む。光素子４００は、受光部３２０が、発光部３４０から出射する光を電流に変換する機能と、入射面（出射面）３０８から受光部３２０へと入射する光を電流に変換する機能とを有する。以下、第１光素子４００ａおよび第２光素子４００ｂの共通の構造または機能に関する記載については、「４００」として説明する。
【０１１４】
３−１．光モジュールの構造
光モジュール５００においては、図１０に示すように、光ファイバ３０の端面３０ａ，３０ｂにそれぞれ第１および第２光素子４００ａ，４００ｂが設けられている。この第１および第２光素子４００ａ，４００ｂは同じ構造を有する。第１および第２光素子４００はそれぞれ、発光部３４０および受光部３２０を含む。発光部３４０および受光部３２０を構成する各層は、電極の設置位置を除いて、図１および図２に示す光素子１００の発光部１４０および受光部１２０とほぼ同様の構成を有する。なお、図１０においては、発光部３４０および受光部３２０を構成する各層の表示が省略されている。
【０１１５】
図１０に示す光素子４００においては、第１電極３０７および第２電極３０９が発光部３４０を駆動させるために機能し、第２電極３０９および第３電極３１０が受光部３２０を駆動させるために機能する。また、第３電極３１０のうち受光部３２０上に位置する領域の一部に開口部３１４が設けられている。この開口部３１４によって露出した受光部１２０の上面が出射面（入射面）３０８である。
【０１１６】
第１〜第３電極３０７，３０９，３１０はそれぞれ、一部が絶縁層３０６上に設けられている。絶縁層３０６は例えば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂等の樹脂、あるいは窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等の絶縁材料であることが望ましい。
【０１１７】
第１および第２光素子４００ａ，４００ｂはそれぞれ、受光素子または発光素子として機能する。この光モジュール５００では双方向通信が可能である。第１光素子４００ａが発光素子として機能し、第２光素子４００ｂが受光素子として機能する場合、第１光素子４００ａの発光部３４０にて生じた光が出射面（入射面）３０８を出射する。その後、出射面（入射面）３０８から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ａに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ｂから出射し、第２光素子４００ｂの入射面（出射面）３０８に入射した後、第２光素子４００ｂの受光部３２０にて吸収される。
【０１１８】
あるいは、第１光素子４００ａが受光素子として機能し、第２光素子４００ｂが受光素子として機能する場合、第２光素子４００ｂの発光部３４０にて生じた光が出射面（入射面）３０８を出射する。その後、出射面（入射面）３０８から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ｂに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ａから出射し、第１光素子４００ａの入射面（出射面）３０８に入射した後、第１光素子４００ａの受光部３２０にて吸収される。
【０１１９】
第１光素子４００ａは、光ファイバ３０の端面３０ａとの相対的な位置が固定された状態となっており、第２光素子４００ｂは、光ファイバ３０の端面３０ｂとの相対的な位置が固定された状態となっている。また、第１光素子４００ａの出射面（入射面）３０８は光ファイバ３０の端面３０ａと対向しており、第２光素子４００ｂの出射面（入射面）３０８は光ファイバ３０の端面３０ｂと対向している。
【０１２０】
半導体チップ３２は、光素子４００を駆動するために設置されている。すなわち、半導体チップ３２には、光素子４００を駆動するための回路が内蔵されている。半導体チップ３２上には、内部の回路に電気的に接続された複数の配線パターン２４，３４，６４が設けられている。
【０１２１】
半導体チップ３２と光素子４００とは電気的に接続されている。例えば、第１電極３０７と配線パターン２４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。また、第２電極３０９と配線パターン６４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。さらに、第３電極３１０と配線パターン３４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。
【０１２２】
光素子４００は、半導体チップ３２に対してフェースダウン実装させることができる。こうすることで、ハンダ２６によって電気的な接続を行えるのみならず、光素子４００と半導体チップ３２とを固定することができる。なお、上記各電極と配線パターンとの接続に、ハンダ２６を用いるかわりに、ワイヤを使用したり、あるいは導電ペーストを用いてもよい。
【０１２３】
また、図１０に示すように、光素子４００と半導体チップ３２との間を、樹脂５６を用いて固定することができる。すなわち、樹脂５６は光素子４００と半導体チップ３２との接合状態を保持する機能を有する。
【０１２４】
半導体チップ３２には、穴（例えば貫通穴）２８が設けられている。光ファイバ３０はこの穴２８に挿入されている。この穴２８は、内部の回路を避けて、半導体チップ３２の配線パターン２４，３４，６４が設置されている面からその反対側の面に至るまで設けられている。なお、穴２８の少なくとも一方の開口端部に、テーパ（図示せず）を設けてもよい。テーパを形成することで、穴２８に光ファイバ３０を挿入しやすくなる。
【０１２５】
３−２．光モジュールの駆動方法
次に、図１０に示す光モジュール５００の駆動方法について、図１１を参照して説明する。図１１は、図１０に示す光素子４００の駆動回路（要部）の一例を模式的に示す図である。
【０１２６】
図１０に示す光モジュール５００では、第１光素子４００ａと第２光素子４００ｂとの間において、時分割によって光送信と光受信とを切り替えるように制御が行なわれる。前述したように、第１光素子４００ａが発光素子として機能するときは、第１光素子４００ａで発生した光を第２光素子４００ｂが受光するように制御が行なわれ、第２光素子４００ｂが発光素子として機能するときは、第２光素子４００ｂで発生した光を第１光素子４００ａが受光するように制御が行なわれる。また、時分割は、ドライバＩＣ４０およびスイッチング回路４２にそれぞれ入力されるクロック５４，５５によって制御される。
【０１２７】
光素子４００の駆動回路は、図１１に示すように、ドライバＩＣ４０と、スイッチング回路４２と、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）４４とを含む。図１１に示す駆動回路は１つの光素子４００毎に設置される。また、光素子４００においては、発光部３４０に順バイアスを、受光部３２０に逆バイアスを印加することができる。
【０１２８】
ドライバＩＣ４０は光素子４００の発光部３４０の一方の電極と電気的に接続され、スイッチング回路４２は光素子４００の受光部３２０の一方の電極と電気的に接続されている。一方、図１１に示すように、発光部３４０の他方の電極および受光部３２０の他方の電極は接地されている。さらに、受光部３２０の一方の電極に逆バイアスが印加される。ＴＩＡ４４はスイッチング回路４２に電気的に接続されている。
【０１２９】
ドライバＩＣ４０は、光素子４００の発光部３４０を駆動させるために設けられている。具体的には、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間は、発光部３４０で生じた光が出射する。また、発光部３４０が駆動している間、受光部３２０は、発光部３４０で生じた光の出力をモニタすることができる。以下、図１１を参照しながら、発光部３４０の駆動時における回路の動作をより具体的に説明する。まず、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されると、ドライバＩＣ４０は発光部３４０の駆動を開始する。そして、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間、受光部３２０によって、発光部３４０で生じた光の出力が検知される。検知された光出力は、スイッチング回路４２により、ＡＰＣ入力５２としてドライバＩＣ４０へと入力される。
【０１３０】
一方、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されていない間は、光ファイバ３０の端面３０ａから出射された光が、光素子４００の入射面（出射面）３０８に入射する。具体的には、光素子４００に送信信号５８が入力されていない間は、スイッチング回路４２はＴＩＡ４４側に切り替わる（図１１参照）。このＴＩＡ４４は受信信号５０を増幅する機能を有する。
【０１３１】
以上に説明したように、本実施の形態の光モジュール５００においては、第１光素子４００ａが発光状態であるときに第２光素子４００ｂが受光状態となり、第１光素子４００ａが受光状態であるときに第２光素子４００ｂが発光状態となるように、第１および第２光素子４００ａ，４００ｂを時分割により制御することができる。
【０１３２】
以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。たとえば、上述の実施の形態では、第１コンタクト層１１１に不純物の添加されている層、たとえば、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を用いる例について述べたが、たとえば、第１コンタクト層１１１に不純物の添加されていない高純度半導体層を用いることもできる。第１コンタクト層１１１に不純物の添加されていない高純度半導体層を用いることにより、第１コンタクト層１１１において、不純物に起因する多数キャリアは発生しない。すなわち、光吸収層１１２に流れ込む第１コンタクト層１１１の多数キャリアが存在しない。したがって、第１コンタクト層１１１から光吸収層１１２に流れる不要な電流（暗電流）を防ぐことができる。その結果、受光部１２０は、より良好な特性を有する光検出素子として機能することができる。
【０１３３】
また、上述の実施の形態では、第１コンタクト層１１１にＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を用いる例について述べたが、第１コンタクト層１１１は、第２ミラー１０４の多数キャリアの拡散を防ぐバリア層の機能を有するものであれば、特に限定されず、たとえば、第１コンタクト層１１１にＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層を用いることもできる。第１コンタクト層１１１にＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層を用いることにより、第１コンタクト層１１１と、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層からなる第２ミラー１０４の最上層１４との価電子帯のバンド不連続値を大きく保ったまま、伝導帯のバンド不連続値を小さくできる。その結果、第１コンタクト層１１１にＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層を用いる場合に比べ、光吸収層１１２で発生した電子２０を効率よく第２ミラー１０４に移動させることができる。また、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層とＧａＡｓ層とでは、互いに選択比の高いエッチングを行うことができる。また、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層とＡｌＧａＡｓ層とでは、互いに選択比の高いエッチングを行うことができる。その結果、これらの層をエッチングする際に、基板面内におけるエッチングの均一性を向上させることができる。また、エッチングを高い精度で正確かつ容易に行うことができる。なお、この場合では、第１コンタクト層として、Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ層を用いる例について述べたが、第１コンタクト層１１１を構成するＩｎＧａＰ層のインジウムとガリウムの組成比は特に限定されるわけではない。
【０１３４】
また、上述の実施の形態では、第１コンタクト層１１１自体が第２ミラー１０４の多数キャリア（正孔２２）の拡散を防ぐバリア層として機能する例について述べたが、たとえば、第１コンタクト層１１１は、複数の層が積層されてなり、該複数の層のうち、少なくとも１層が前記バリア層であることもできる。
【０１３５】
この場合において、第１コンタクト層１１１を構成する複数の層の各層の光学的膜厚は、たとえば、λ／４の奇数倍とすることができる。また、ＡｌＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層１１１は、Ａｌ組成の大きい層とＡｌ組成の小さい層とを交互に積層することができる。また、第１コンタクト層１１１のうちＡｌ組成の大きい層のＡｌ組成は、ＡｌＧａＡｓ層からなる第２ミラー１０４のうちＡｌ組成の大きい層のＡｌ組成と同じとすることができる。また、第１コンタクト層１１１のうちＡｌ組成の小さい層のＡｌ組成は、ＡｌＧａＡｓ層からなる第２ミラー１０４のうちＡｌ組成の小さい層のＡｌ組成と同じとすることができる。また、第１コンタクト層１１１を構成する各層のＡｌ組成の大小の順番は、第２ミラー１０４を構成する各層のＡｌ組成の大小の順番と同じとすることができる。なお、第１コンタクト層１１１を構成する各層のＡｌ組成およびＡｌ組成の大小の順番は、特に限定されるわけではない。
【０１３６】
この場合において、第１コンタクト層１１１を構成する複数の層の各層は、第２ミラー１０４と共に、分布反射型多層膜ミラーとして機能することができる。すなわち、発光部１４０における活性層１０３の上方において、第２ミラー１０４および第１コンタクト層１１１を構成する複数の層の各層が、分布反射型多層膜ミラーとして機能することができる。したがって、発光部１４０の特性に悪影響を及ぼすことなく、第１コンタクト層１１１を構成する複数の層の各層は分布反射型多層膜ミラーの一部として機能することができる。
【０１３７】
また、たとえば、上記実施の形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。この場合、発光部１４０のｐ型第１ミラー１０２およびｎ型第２ミラー１０４、ならびに受光部１２０のｎ型第１コンタクト層１１１およびｎ型第２コンタクト層１１３から、全体としてｐｎｎｎ構造を構成することができる。
【０１３８】
また、たとえば、上記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、例えば、ＡｌＧａＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いることも可能である。
【０１３９】
また、上述の実施の形態では、基板にｎ型ＧａＡｓ基板を用いる例について述べたが、たとえば、基板に絶縁性または半絶縁性の基板を用いることもできる。これにより、寄生容量が低減され、より高速に光素子を動作させることができる。絶縁性の基板としては、たとえば、サファイアなどを用いることができる。半絶縁性の基板としては、たとえば、アンドープのＧａＡｓなどを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】第１の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施の形態に係る光素子を模式的に示す平面図。
【図３】第１の実施の形態に係る光素子の要部の動作を模式的に示すエネルギーバンド図。
【図４】第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図５】第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図６】第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図７】第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図８】第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図９】第２の実施の形態に係る光素子を模式的に示す断面図。
【図１０】第３の実施の形態に係る光モジュールを模式的に示す断面図。
【図１１】図１０に示す光素子の駆動回路の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１４１】
１４  最上層、２０  電子、２２  正孔、２４  配線パターン、２６  ハンダ、２８  穴、３０  光ファイバ、３２  半導体チップ、３４  配線パターン、４０  ドライバＩＣ、４２  スイッチング回路、４４  ＴＩＡ、５０  受信信号、５２  ＡＰＣ入力、５４  クロック、５５  クロック、５６  樹脂、５８  送信信号、６４  配線パターン、１００  光素子、１０１  半導体基板、１０２  第１ミラー、１０３  活性層、１０４  第２ミラー、１０５  電流狭窄層、１０７  第１電極、１０８  出射面、１０９  第２電極、１１０  第３電極、１１１  第１コンタクト層、１１２  光吸収層、１１３  第２コンタクト層、１１４  開口部、１２０  受光部、１３０  第１柱状部、１３２  第２柱状部、１４０  発光部、１５０  半導体多層膜、２００  光素子、２０１  半導体基板、２０２  第２ミラー、２０３  活性層、２０４  第１ミラー、２０５  電流狭窄層、２０７  第３電極、２０８  出射面、２０９  第２電極、２１０  第１電極、２１１  第２コンタクト層、２１２  光吸収層、２１３  第１コンタクト層、２１４  開口部、２２０  受光部、２３０  第１柱状部、２３２  第２柱状部、２４０  発光部、３０１  半導体基板、３０６  絶縁層、３０７  第１電極、３０８  出射面、３０９  第２電極、３１０  第３電極、３１４  開口部、３２０  受光部、３４０  発光部、４００  光素子、５００  光モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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