(57)【要約】【課題】光通信に必要な光出力が得られるとともに、応答性についても所望の値を実現することのでき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】ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６上に設けられる透光性電極１０７のサイズを、ＳＱＷ１０４の発光する層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａ）の発光面積に応じたサイズで形成し、これによりＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａを光通信に適した応答性の得られる体積で発光させるようにしたので、良好なパルス応答時間特性を有する発光素子１２が得られる。【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ＧａＮ系半導体からなる発光する層の体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた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系半導体からなる発光する層の面積が４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲で、その厚さが２８Åから４０Åの範囲で体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた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）の障壁層である請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光する層は、その面積が４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲で設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光する層は、その厚さが２８Åから４０Åの範囲で設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなる発光する層の面積が４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲で、その厚さが２８Åから４０Åの範囲で体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた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信装置。
【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に記載の通信装置。
【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、光通信に必要な光出力が得られるとともに、応答性についても所望の値を実現することのでき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。発光素子の発光量については、III−Ｖ族の窒化物化合物半導体層上に設けられるｐ側電極の占有面積比を２０〜８０％とすることで発熱の問題を抑えつつ発光量を大にするものが提案されている（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、窒化物化合物半導体層に対する電流の注入を制御することで発光量が向上しても、これに伴って発光素子の応答性（立ち上がり時間、立ち下り時間）が向上するとは限らないため、素子の設計によっては応答性が不十分で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。
【０００７】
従って、本発明の目的は、光通信に必要な光出力が得られるとともに、応答性についても所望の値を実現することのでき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ＧａＮ系半導体からなる発光する層の体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた発光素子を提供する。
【０００９】
このような構成によれば、発光する層の体積を光通信に適した応答性を有するように規定することでキャリアの密度が大になり、電子と正孔の寿命を短くでき、その結果、応答性を損なうことなく光出力に優れる発光素子とできる。
【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ＧａＮ系半導体からなる発光する層の面積が４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲で、その厚さが２８Åから４０Åの範囲で体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた発光素子を提供する。
【００１１】
このような構成によれば、発光する層の体積を光通信に適した応答性を有するように規定するとともに、光出力を得るうえで必要な発光する層の面積と厚さを規定することでキャリアの密度が大になり、電子と正孔の寿命を短くでき、その結果、応答性を損なうことなく光出力に優れる発光素子とできる。
【００１２】
（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系半導体からなる発光する層の面積が４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲で、その厚さが２８Åから４０Åの範囲で体積が１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けられるＧａＮ系半導体層を備えた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通信装置を提供する。
【００１３】
このような構成によれば、発光する層の体積を光通信に適した応答性を有するように規定するとともに、光出力を得るうえで必要な発光する層の面積と厚さを規定することでキャリアの密度が大になり、電子と正孔の寿命を短くでき、その結果、応答性を損なうことなく光出力に優れ、伝送損失の低下を抑えた通信装置とできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、光通信に必要な光出力が得られるとともに、応答性についても所望の値を実現することができる。
【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（ａ）の発光素子を示す斜視図である。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。
【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コンタクト層１０３にはＡｌからなるｎ側電極１０９が設けられている。
【００２３】
この透光性電極１０７は、図２（ｂ）に示すようにｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６の表面中央部に部分的に形成されており、パッド電極１０８を介して供給される電流をその形成範囲に拡散して発光素子部に供給する。これにより、本実施の形態ではＳＱＷ１０４の井戸層において２００００μｍ２の面積を発光させるようにパターン形成されている。
【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。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。Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａの平均厚さは１．０〜４．０ｎｍであることが望ましい。
【００２７】
なお、ｐ側のＧａＮ障壁層１０４Ｂを形成するときは、図２（ｂ）に示すように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原料として供給するとともにＴＭＧを供給してＭｇドープのＧａＮ層１４０をＩｎの蒸発防止保護層として形成しても良い。この場合、厚さは３０Å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】
図３は、本実施の形態に基づく発光素子の井戸層厚さの変化に基づく特性図であり、（ａ）は井戸層厚さに対するパルス応答速度の特性図、（ｂ）は井戸層厚さに対する光出力の特性図である。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、パルス応答性については立ち上がり時間と立ち下がり時間の特性について示しており、本実施の形態の構成を有する発光素子１２では、井戸層厚さ２８Åから４０Åの範囲とすることで、井戸層におけるキャリアの密度が増大し、そのことによってキャリアの寿命が小になって光通信において要求されるパルス応答時間を実現している。特に、立ち上がり時間および立ち下がり時間ともに、３６Å以下の井戸層厚さで良好なパルス応答時間特性が得られた。
【００３２】
また、光出力については、図３（ｂ）に示すように現行の発光素子の井戸層厚さ（約４５Å）を基準として発光面積を変化させたときの相対光出力について示しており、上記した井戸層厚さ２８Åから４０Åの範囲での光出力は基準光量に対して０．８と良好な値を示している。
【００３３】
図４は、本実施の形態に基づく発光素子の発光面積の変化に基づく特性図であり、（ａ）は発光面積に対するパルス応答速度の特性図、（ｂ）は発光面積に対する光出力の特性図である。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、パルス応答性については立ち上がり時間と立ち下がり時間の特性について示しており、本実施の形態の構成を有する発光素子１２では、光通信において要求されるパルス応答時間を発光面積２００００μｍ２以下で実現しており、１６０００〜１８０００μｍ２の範囲でより好ましい特性を示す。素子製造可能な範囲での発光面積は４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲であり、２００００μｍ２付近において立ち上がり時間および立ち下がり時間の良好な特性が得られた。
【００３５】
また、光出力については、現行の発光素子の発光面積（約４７０００μｍ２）を基準として発光面積を変化させたときの相対光出力について示している。光通信用途の発光素子に要求される光出力特性としては、光通信の規格に基づいて図４（ｂ）に示す光出力で０．３以上の光出力を満たすものであれば使用可能であり、本実施の形態では発光面積で３０００μｍ２となる。パルス応答時間特性の良好な値が得られている発光面積２００００μｍ２での光出力は０．５である。
【００３６】
（本発明の実施の形態の効果）
上記した本実施の形態によると、ｐ型ＧａＮ：Ｍｇコンタクト層１０６上に設けられる透光性電極１０７のサイズを、ＳＱＷ１０４の発光する層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａ）の発光面積に応じたサイズで形成し、これによりＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａを光通信に適した応答性の得られる体積で発光させるようにしたので、良好なパルス応答時間特性を有する発光素子１２が得られる。
【００３７】
本実施の発光素子１２については、パルス応答時間を考慮した設計を行うにあたってＳＱＷ１０４のＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａの発光面積を４０００μｍ２から２００００μｍ２の範囲とし、その厚さを３６Å以下、好ましくは２８Åから３６Åの範囲とすることで、光通信に適した良好なパルス応答時間特性を有するものが得られた。また、発明者の検討によれば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａの体積が７２０００×１０−２１ｍ３以下であることが望ましく、更には、１２０００×１０−２１ｍ３から７２０００×１０−２１ｍ３の範囲で設けることで、光通信用途に対応した光出力および応答性を有する発光素子が得られる。
【００３８】
なお、本発明は、上記した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】
【００３９】
【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（ａ）の発光素子を示す斜視図である。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。
【図３】本実施の形態に基づく発光素子の井戸層厚さの変化に基づく特性図であり、（ａ）は井戸層厚さに対するパルス応答速度の特性図、（ｂ）は井戸層厚さに対する光出力の特性図である。
【図４】本実施の形態に基づく発光素子の発光面積の変化に基づく特性図であり、（ａ）は発光面積に対するパルス応答速度の特性図、（ｂ）は発光面積に対する光出力の特性図である。
【符号の説明】
【００４０】
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コンタクト層、１０４…ＳＱＷ、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、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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