(57)【要約】【課題】電流密度を高めても波長変化の発生を抑制でき、通信用途に適した応答性に優れる光通信に用いる発光素子およびこれを用いた通信装置を提供する。【解決手段】光通信用途においては波長変化を抑制しながら、遮断周波数の低下を抑え、かつ透光性電極１０７の通電部分と非通電部分の割合を適切化するには、非通電部分の総面積として２０％以下、好ましくは９〜１７％の開口率で透光性電極１０７に開口部１０７Ａを設けることが望ましく、このような構成とすることで電流密度を高めながらも放射される光のブルーシフトを抑えることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で非通電部分が設けられるｐ側の電極を有することを特徴とする光通信に用いる発光素子。
【請求項２】
基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で除去加工に基づく非通電部分が設けられるｐ側の電極を有することを特徴とする光通信に用いる発光素子。
【請求項３】
前記非通電部分は、前記電極のエッチングに基づいて形成される請求項１又は２に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項４】
前記非通電部分は、規則的な配列で形成される請求項１から３のいずれか１項に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項５】
前記非通電部分は、円形状に形成される請求項１から３のいずれか１項に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項６】
前記非通電部分は、５〜８μｍのピッチで周期的に配列される請求項１から５のいずれか１項に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項７】
前記非通電部分は、１．７〜４．７μｍの開口サイズで形成される請求項１から６のいずれか１項に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項８】
前記電極は、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなる請求項１から７のいずれか１項に記載の光通信に用いる発光素子。
【請求項９】
基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で除去加工に基づく非通電部分が設けられるｐ側の電極を有する発光素子と、
前記発光素子から放射される光を伝送する光ファイバとを有することを特徴とする通電装置。
【請求項１０】
前記光ファイバは、前記発光素子の発光波長領域において伝送損失の極小値を有するプラスチック光ファイバである請求項９に記載の通電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体からなる光通信に用いる発光素子およびこれを用いた通信装置に関し、特に、電流密度を高めても波長変化の発生を抑制でき、通信用途に適した応答性に優れる光通信を用いる発光素子およびこれを用いた通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体からなる発光素子として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた発光素子が知られている。ＧａＮ系発光素子は、紫外領域から可視領域にかけての発光特性を有し、蛍光体等の波長変換部手段を用いて波長変換することにより高輝度の白色光が得られることから、白色光源としての種々の提案がなされている。
【０００３】
このような発光素子の用途として、光通信用光源がある。従来の光通信用光源として、赤色光（６３０〜６４０ｎｍ）の高輝度の発光素子を発光部に使用し、光ファイバに入射した光を受光部の受光素子で受光し、光電変換することにより信号出力するものがある。
【０００４】
通信用光ファイバとしては、伝送損失の小である石英からなる光ファイバが広く知られているが、その価格や、結合作業性に精度を要する点から、石英光ファイバと比べて安価で導入性に優れるＰＯＦ（Plastic Optical Fiber）が注目されている。ＰＯＦは、波長約５７０ｎｍに伝送損失の極小値を有し、青色光から緑色光の波長帯についても赤色光の伝送損失より小であることから、ＧａＮ系発光素子からなる発光部とのマッチングに優れる。
【０００５】
ＧａＮ系発光素子を光通信用途に用いて、赤色発光素子を用いたものと同等以上の通信速度を得るには通電に伴う発光素子の発光量、応答性が重要である。発光素子の発光量を向上させるものとして電流密度を高めることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１０４１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１によると、電極の形成領域に応じた電流密度でＧａＮ系半導体層に電圧が印加されるため、電流密度の変化が生じると発光波長のずれが生じる。ＧａＮ系発光素子ではＧａＮ系半導体層に対する電流密度が大になると発光波長が短波長側にシフトするブルーシフトが生じる。本発明者の検討によれば、ＧａＮ系発光素子の電極面積を７５％として電流密度比を１３３とした場合の波長変化量が４ｎｍになることを確認しており、このような特性変動が光通信の信頼性を阻害する要因になるだけでなく、素子設計上においても好ましくないという問題がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、電流密度を高めても波長変化の発生を抑制でき、通信用途に適した応答性に優れる光通信に用いる発光素子およびこれを用いた通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、上記の目的を達成するため、基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で非通電部分が設けられるｐ側の電極を有する光通信に用いる発光素子を提供する。
【０００９】
このような構成によれば、発光素子部に対する電流密度が大になる設計においてもブルーシフトの発生を抑え、かつ遮断周波数特性の良好な発光素子とできる。
【００１０】
（２）本発明は、上記の目的を達成するため、基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で除去加工に基づく非通電部分が設けられるｐ側の電極を有する光通信に用いる発光素子を提供する。
【００１１】
このような構成によれば、発光素子部に対する電流密度が大になる設計においても製造時のＧａＮ系半導体層形成時に容易に対応でき、ブルーシフトの発生を抑え、かつ遮断周波数特性の良好な発光素子とできる。
【００１２】
（３）また、本発明は、上記の目的を達成するため、基板上に結晶成長させた発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなる発光素子部に電圧を印可し、外形面積の９〜２０％の範囲で除去加工に基づく非通電部分が設けられるｐ側の電極を有する発光素子と、前記発光素子から放射される光を伝送する光ファイバとを有する通信装置を提供する。
【００１３】
このような構成によれば、発光素子部に対する電流密度が大になる設計においてもブルーシフトによる通信品質の低下を小とでき、伝送損失の低下を抑えた通信装置とできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、電流密度を高めても波長変化の発生を抑制でき、通信用途に適した優れる応答性を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（本発明の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子を用いた通信装置の概略構成図である。
【００１６】
この通信装置１００は、光入力側の発光部１０と、光受光側の受光部２０と、発光部１０と受光部２０とを接続して光通信を行うための光伝送路であるＰＯＦ３０によって大略構成されている。
【００１７】
発光部１０は、光によって伝送する信号を外部より入力信号として入力する信号処理部１１と、信号処理部１１から供給される電流に応じて入力信号に基づく光をＰＯＦ３０に出射するＧａＮ系半導体からなる発光素子１２とを有する。
【００１８】
受光部２０は、ＰＯＦ３０を介して伝送された光を受光する受光素子２１と、受光素子２１で光電変換された信号出力を波形処理して所望の出力信号を取り出す信号処理部２２とを有する。
【００１９】
ＰＯＦ３０は、発光素子１２の発光波長に対して透明性を示す材料によって形成されている。本実施の形態においてはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂によって形成されるシングルコアＰＯＦであり、ＧａＮ系発光素子の発光波長に対して伝送損失が小である特徴を有する。なお、同様の材料で形成されるマルチコアＰＯＦを使用することも可能である。
【００２０】
図２は、本実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｐ側電極側から見た平面図、（ｃ）は透光性電極に設けられる開口のサイズおよびピッチを示す拡大図である。以下の説明では、サファイア基板とＡｌＮバッファ層を除いた部分を発光素子部という。
【００２１】
発光素子１２は、ｐ側およびｎ側の電極を水平方向に配置した水平型の発光素子であり、III族窒化物系化合物半導体を成長させる成長基板であるサファイア基板１０１と、サファイア基板１０１上に形成されるＡｌＮバッファ層１０２と、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ：Ｓｉコンタクト・クラッド層１０３と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造を有するＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）１０４と、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇクラッド層１０５と、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６と、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６に電流を拡散させるＩＴＯ(Indium Tin Oxide)からなる透光性電極１０７とを順次積層して形成されており、ＡｌＮバッファ層１０２からｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６までを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法によって形成している。
【００２２】
また、透光性電極１０７の表面にはＡｕからなるパッド電極１０８が設けられており、発光素子部のｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６からｎ型ＧａＮ：Ｓｉコンタクト・クラッド層１０３までをエッチングによって除去したｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層１０３にはｎ側電極１１１が設けられている。
【００２３】
ＡｌＮバッファ層１０２は、キャリアガスとしてＨ２を使用し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をサファイア基板１０１が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。
【００２４】
ｎ型ＧａＮ：Ｓｉコンタクト・クラッド層１０３は、キャリアガスとしてＨ２を使用し、ＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をサファイア基板１０１が配置されたリアクタ内に供給する、また、ｎ型の導電性を付与するためのドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ４）をＳｉ原料として使用し、ＡｌＮバッファ層１０２上に厚さ約４μｍで形成される。
【００２５】
ＭＱＷ１０４は、キャリアガスとしてＮ２を使用し、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧをリアクタ内に供給することによって形成される。Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａの形成時にはＴＭＩとＴＭＧが供給され、ＧａＮ障壁層１０４Ｂの形成時にはＴＭＧが供給される。
【００２６】
ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇクラッド層１０５は、キャリアガスとしてＨ２を使用し、ＮＨ３、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、およびＴＭＡをサファイア基板１０１が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。また、ｐ型の導電性を付与するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をＭｇ原料として使用する。
【００２７】
ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６は、キャリアガスとしてＨ２を使用し、ＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をサファイア基板１０１が配置されたリアクタ内に供給することにより形成される。また、ｐ型の導電性を付与するためのドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をＭｇ原料として使用する。
【００２８】
透光性電極１０７は、図２（ｂ）に示すように表面からｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６にかけて貫通した円形状の複数の開口部１０７Ａを有し、これによりｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６に対して非通電部分を形成している。本実施の形態における開口部１０７ＡはＩＴＯをエッチングで除去することにより形成されており、通電部分の総面積は、透光性電極１０７の外形面積の２０％以下となるように設けられている。
【００２９】
開口部１０７Ａは、図２（ｃ）に示すように外径ｄの開口サイズを有し、ピッチｐを有して複数が透光性電極１０７に規則的に設けられている。
【００３０】
図３は、本実施の形態に基づく発光素子において、透光性電極の開口形成状態を変化させた場合の特性図である。
【００３１】
以下の特性比較においては、図２に示す構成のフェイスアップ型発光素子で、素子サイズは約３４０μｍ角、透光性電極１０７の面積は約４９０００μｍ２である。発光素子（１）については、透光性電極１０７に開口部１０７Ａを設けない構成を有し、発光素子（２）〜（４）については透光性電極１０７に設けられる開口部１０７Ａの開口サイズとピッチの異なる構成を有する。ここで、発光における立ち上がり時間（ｔｒ）および立ち下り時間（ｔｆ）については、周波数２．５ＭＨｚ、デューティ５０％での素子駆動条件で、ローレベルを０ｍＡ、ハイレベルを４０ｍＡとした場合での測定値である。
【００３２】
発光素子（１）については、放射される光の発光波長が４６９ｎｍであり、ｔｒが１６．３ｎｓ、ｔｆが２１．８ｎｓ、遮断周波数が１８．４ＭＨｚである。遮断周波数は、発光素子を用いた光通信の通信速度に相当し、その値が大であるほど高速の光通信が可能であり、ｔｒおよびｔｆから、遮断周波数（ＭＨｚ）＝（0.35/（（tr＋ｔｆ）/２）×1000）として算出される。
【００３３】
発光素子（２）については、開口部１０７Ａの開口サイズを１．７μｍ、ピッチを５μｍとして開口率９％の構成としたものであり、電流密度比は発光素子（１）の１００に対して１１０となっている。放射される光の発光波長が２ｎｍシフトして４６７ｎｍであり、ｔｒが１６．３ｎｓ、ｔｆが２０．１ｎｓ、遮断周波数が１９．２ＭＨｚである。
【００３４】
発光素子（３）については、開口部１０７Ａの開口サイズを２．８μｍ、ピッチを６μｍとして開口率１７％の構成としたものであり、電流密度比は発光素子（１）の１００に対して１２１となっている。放射される光の発光波長が１ｎｍシフトして４６８ｎｍであり、ｔｒが１５．７ｎｓ、ｔｆが２０．３ｎｓ、遮断周波数が１９．５ＭＨｚである。
【００３５】
発光素子（４）については、開口部１０７Ａの開口サイズを４．７μｍ、ピッチを８μｍとして開口率２７％の構成としたものであり、電流密度比は発光素子（１）の１００に対して１３７となっている。放射される光の発光波長はシフトなしの４６９ｎｍであり、ｔｒが２２．９ｎｓ、ｔｆが２４．４ｎｓ、遮断周波数が１４．８ＭＨｚである。
【００３６】
図４は、発光素子の電流密度比の変化に対する発光状態の変化を示し、（ａ）は発光波長に関する特性図、（ｂ）は遮断周波数に対する特性図である。
【００３７】
上記した発光素子（２）〜（４）については、（ａ）に示すように発光波長の従来変化量に対して小なる変化量を有するが、（ｂ）に示す遮断周波数については電流密度比１２０以上で特性が低下する傾向を有している。
【００３８】
図５は、発光素子の開口率の変化に対する発光状態の変化を示し、（ａ）は発光波長に関する特性図、（ｂ）は遮断周波数に対する特性図である。
【００３９】
上記した発光素子（２）〜（４）については、（ａ）に示すように開口率が１７〜２７％の範囲で発光波長の変化量が小になる傾向を有するが、（ｂ）に示す遮断周波数については開口率９〜１７％で良好で、１７％より大になると周波数特性が低下する傾向を有している。
【００４０】
上記した実施の形態によると、光通信用途においては波長変化を抑制しながら、遮断周波数の低下を抑え、かつ透光性電極１０７の通電部分と非通電部分の割合を適切化するには、非通電部分の総面積として２０％以下、好ましくは９〜１７％の開口率で透光性電極１０７に開口部１０７Ａを設けることが望ましく、このような構成とすることで電流密度を高めながらも放射される光のブルーシフトを抑えることができる。
【００４１】
また、このようにして得られた発光素子１２から発せられる光は、ＰＯＦ３０における伝送損失が小であることから、光ファイバによる吸収によって通信品質が低下することがなく、安定した光通信を実現できる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、開口部１０７Ａを円形状に形成したが、これに限定されず他の形状であっても良く、例えば、四角、菱形、その他の幾何学形状であっても良い。また、開口部１０７Ａを形成したＩＴＯについても、Ｃｏ／Ａｕ等の他の電極材料であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子を用いた通信装置の概略構成図である。
【図２】本実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はｐ側電極側から見た平面図、（ｃ）は透明電極に設けられる開口のサイズおよびピッチを示す拡大図である。
【図３】本実施の形態に基づく発光素子において、透光性電極の開口形成状態を変化させた場合の特性図である。
【図４】発光素子の電流密度比の変化に対する発光状態の変化を示し、（ａ）は発光波長に関する特性図、（ｂ）は遮断周波数に対する特性図である。
【図５】発光素子の開口率の変化に対する発光状態の変化を示し、（ａ）は発光波長に関する特性図、（ｂ）は遮断周波数に対する特性図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０…発光部、１１…信号処理部、１２…発光素子、２０…受光部、２１…受光素子、２２…信号処理部、１００…通信装置、１０１…サファイア基板、１０２…ＡｌＮバッファ層、１０３…ｎ型ＧａＮ：Ｓｉコンタクト・クラッド層、１０４Ａ…Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層、１０４Ｂ…ＧａＮ障壁層、１０５…ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ：Ｍｇクラッド層、１０６…ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層、１０７…透光性電極、１０７Ａ…開口部、１０８…パッド電極
【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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