(57)【要約】【課題】通信用発光素子として優れた応答性を有し、かつ光伝送路とのマッチングに優れ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】発光素子１２を構成するＳＱＷ１０４のＩｎＧａＮ井戸層１０４Ａを６６０℃で成長させるとともに、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３でドープしたので、井戸層におけるキャリアの密度が大になり、その結果、電子ｅと正孔ｈの寿命が短くなって光通信用発光素子として要求される立ち上がり時間、立ち下り時間が得られる。このような応答性を有する発光素子１２を通信装置１００における発光部１０の光源に用いることで、低伝送損失で高速な光通信を行うことのできる通信装置が得られる。【選択図】図２
2007287852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなり、アクセプター不純物を１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなり、Ｍｇを１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記発光する層は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）の井戸層である請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光する層は、ＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）の井戸層である請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光する層はその面積が４０００μｍ２から２２０００μｍ２の範囲で設けられる請求項１ないし４の何れかに記載の発光素子。
【請求項６】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなり、アクセプター不純物を１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子と、
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７】
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６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発光素子およびその製造方法に関し、特に、通信用発光素子として優れた応答性を有し、かつ光伝送路とのマッチングに優れ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。この点において、ＧａＮ系半導体では、サファイア基板上に成長させる半導体層の特性によってピエゾ電界が発生することが知られており、量子井戸構造を形成した場合に量子井戸内のバンドが傾いて電子と正孔の空間的な分離を助長し、その結果、発光強度が低下する問題が指摘されている。
【０００６】
このような問題を解消するものとして、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ量子井戸内のＩｎ組成比Ｘと厚さを変化させることにより、発光強度の向上を図るものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、発光層に不純物を含有させることにより、ひとつの発光素子から高効率かつ高輝度に複数の発光スペクトルピークが発光可能な発光素子が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−０５６９７３号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１によると、一般的な表示用発光素子としての発光強度特性として良好であっても、通信用発光素子として求められる応答性が充分でないため、高速の光通信に対応することができないという問題がある。また、特許文献２に記載されるように、発光層にドナーやアクセプター等の不純物を含有させるとしても、表示用と通信用とでその程度は異なる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、通信用発光素子として優れた応答性を有し、かつ光伝送路とのマッチングに優れ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】
【０００９】
（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ＧａＮ系半導体からなり、アクセプター不純物を１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子を提供する。
【００１０】
このような構成によれば、ドープされたアクセプター不純物によって発光する層における非発光再結合中心が最適な数となり、電子と正孔の再結合が増加するために寿命を短くでき、かつ、光出力の低下が制御できるためその結果、応答性および光出力に優れる発光素子とできる。
【００１１】
（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ＧａＮ系半導体からなり、Ｍｇを１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子を提供する。
【００１２】
このような構成によれば、ドープされたアクセプター不純物によって発光する層における非発光再結合中心が最適な数となり、電子と正孔の再結合が増加するために寿命を短くでき、かつ、光出力の低下が制御できるためその結果、応答性および光出力に優れる発光素子とできる。
【００１３】
（３）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ＧａＮ系半導体からなり、アクセプター不純物を１×１０１６〜１×１０２０／ｃｍ３ドープした発光する層を含むＧａＮ系半導体層からなることを特徴とする発光素子と、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を提供する。
【００１４】
このような構成によれば、ドープされたアクセプター不純物によって発光する層における非発光再結合中心が最適な数となり、電子と正孔の再結合が増加するために寿命を短くでき、かつ、光出力の低下が制御できるためその結果、応答性および光出力に優れ、伝送損失の低下を抑えた通信装置とできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、通信用発光素子として優れた応答性を有し、かつ光伝送路との優れたマッチング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】
【００１６】
（本発明の実施の実施の形態）
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＳＱＷ（Single-Quantum Well）の構成を示す部分拡大図である。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。
【００２２】
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の量子井戸構造を有するＳＱＷ１０４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。この発光素子１２の発光面積は２２０００μｍ２あるが、これより小であることが望ましい。さらには発光面積は４０００μｍ２より大きいことが望ましい。このことにより、応答性および光出力に優れる発光素子とできる。
【００２３】
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コンタクト・クラッド層１０３にはＡｌからなるｎ側電極１０９が設けられている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
ＳＱＷ１０４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。ＩｎＧａＮ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。
【００２７】
本実施の形態では、ＩｎＧａＮ井戸層１０４Ａを６６０℃で成長させるとともにＭｇのドープ量を１×１０１８／ｃｍ３としている。また、ＩｎＧａＮ井戸層１０４Ａの平均厚さは１．０〜４．０ｎｍであることが望ましい。
【００２８】
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、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびＭｇ原料としてのＣｐ２Ｍｇ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。
【００２９】
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ＴＭＧ、およびＭｇ原料としてのＣｐ２Ｍｇ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。
【００３０】
上記した発光素子１２について立ち上がり時間、立ち下り時間を測定したところ、光通信用発光素子として要求される６ｎｓ以下の応答性が得られた。また、発光素子１２を高速で動作させるために、立ち上がり時および立ち下り時に一時的に大電流を流すピーキングを行った場合でも３ｎｓ以下の応答性が得られている。
【００３１】
（本実施の形態の効果）
【００３２】
上記した本実施の形態によると、発光素子１２を構成するＳＱＷ１０４のＩｎＧａＮ井戸層１０４Ａを６６０℃で成長させるとともに、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３でドープしたので、井戸層における非発光再結合中心が最適な数となり、その結果、電子ｅと正孔ｈの再結合が増加するために寿命が短くでき、かつ、光出力の低下が制御できるため光通信用発光素子として要求される立ち上がり時間、立ち下り時間が得られる。このような応答性を有する発光素子１２を通信装置１００における発光部１０の光源に用いることで、低伝送損失で高速な光通信を行うことのできる通信装置が得られる。
【００３３】
なお、上記した実施の形態では、井戸層へのドーパントとしてＭｇを用いた発光素子１２を説明したが、他のドーパントとして、例えば、Ｃａ、Ｂｅを用いることもできる。
【００３４】
また、上記した発光素子１２について、ＩｎＧａＮ井戸層１０４Ａに対するＭｇのドープ量を変化させて応答性について検討したところ、１×１０１６／ｃｍ３から１×１０２０／ｃｍ３の範囲で良好な応答性を示すことを確認している。
【００３５】
本発明は、上記した各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１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】第１の実施の形態に係る発光素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＳＱＷ（Single-Quantum Well）の構成を示す部分拡大図である。
【符号の説明】
【００３７】
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、１０４…ＳＱＷ、１０４Ａ…ＩｎＧａＮ井戸層（Ｍｇドープ）、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、１０８…パッド電極、
【図１】
2007287852.tif 000003
【図２】
2007287852.tif 000004