JPH0793419B2 - 受光発光集積素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高並列な光伝送や光情報
処理に用いられる光集積素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の受光発光集積素子として、特開平
４−１０１４８３号公報に記載されている。図５はその
公報の垂直共振器型面入出力光電融合素子の断面図であ
る。この素子の構造および原理を以下に示す。

【０００３】ｎ−ＧａＡｓ基板２１の上に下側ＤＢＲミ
ラー（ドーピング濃度５×１０^{1 7}ｃｍ^{- 3} ）２２、ｐ
−ＧａＡｓ（ドーピング濃度１×１０^{1 9} ｃｍ^{- 3} 、層
厚５０オングストローム（以下Ａとする）２３、ノンド
ープのＧａＡｓ（層厚〜１５００Ａ）２４、量子井戸活
性層となるノンドープのＩｎ_{0 . 2} Ｇａ_{0 . 8} Ａｓ（層
厚１００Ａ）２５、ノンドープのＧａＡｓ（層厚〜５０
０Ａ）２６、ｎ−ＧａＡｓ（ドーピング濃度３×１０
^{1 7} ｃｍ^{- 3} 、層厚〜１０００Ａ）２７、上側ＤＢＲミ
ラー（ドーピング濃度５×１０^{1 8} ｃｍ^{- 3} ）２８が、
分子線ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法で形成されてい
る。

【０００４】下側ＤＢＲミラー２２ではｎ−ＧａＡｓ２
９とｎ−ＡｌＡｓ３０とがそれぞれ約６７２Ａと８０４
Ａに設定されていて交互に１４．５ペア積層され、形成
されている。上側ＤＢＲミラー２８でも同様にｐ−Ｇａ
Ａｓ３１とｐ−ＡｌＡｓ３２とがそれぞれ厚さ約６７２
Ａと８０４Ａに設定されていて交互に１５ペア積層さ
れ、形成されている。層２３，２４及び２６，２７はそ
れぞれガイド層である。このガイド層２３，２４及び２
６，２７と活性層２５を合わせて中間層とする。中間層
の層厚はレーザ発振の媒質内波長（ここでは共振器波長
９５００Ａとして約０．３μｍ）の整数倍に設定されて
いる。バイアス電圧は上下のｎ型電極３３、ｐ型電極３
４によって印加され，光入出力はｎ−ＧａＡｓ２１を通
して行われる。

【０００５】上下のＤＢＲミラーに共鳴する波長の入力
光は、活性層において吸収され、これによって生じたキ
ャリアがサイリスタのスイッチング電圧を下げる。印加
電圧をスイッチング電圧の少し下に設定しておくこと
で、光入射によってサイリスタをスイッチオンすること
ができる。その後はダイオードと同様の特性を示すため
に、活性層に電流が注入され、これから放出される光が
上下のＤＢＲによって反射され活性層で増大され、注入
電流が発振閾値を越えるとレーザ発振する。

【０００６】この素子はレーザ発光と受光を同一構造で
行おうとしているため、ＤＢＲ２２及び２８をレーザと
して最適化すれば、受光器としての効率や波長帯域や受
光面積が制限されるという問題があった。

【０００７】また、受光部と発光部を分離した構造とし
て、図６にエネルギーバンド図（Ａ）と等価回路図
（Ｂ）を示したようにＨＰＴの上にレーザを集積したも
の（エレクトロニクス・レターズ、（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９９１年、ＶＯＬ２７，２
１６頁〜２１７頁）や図７に断面模式図を示したように
レーザの上にＨＰＴを集積したもの（フォトニクス・テ
クノロジー・レターズ、（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１９９２
年、ＶＯＬ４，４７９頁〜４８２頁）がある。しかし、
これらの構造では、入力光と出力光をどちらも基板側と
することは不可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
の技術の項で述べた問題点を解決し、波長帯域が広い受
光器と、発振閾値が小さく、発光効率の大きいレーザを
同一ウエハー上に形成し、しかもレーザの発熱を抑制す
るために、素子側をフリップチップボンディングできる
ように基板裏面から光を入出力する構成の受光発光集積
素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に、ノ
ンドープの第１の多層膜反射鏡（以下ＤＢＲと略す）、
第一導伝型の第１の層と、第一導伝型とは反対の導伝型
の第二導伝型の第２の層と活性層を含むノンドープの第
３の層と、第一導伝型の第４の層と、第二導伝型の第５
の層と、第二導伝型の第２のＤＢＲとが順に形成され、
形成面に垂直方向にレーザ光を出力する発光素子と、前
記基板面上に前記第１及び第２のＤＢＲと前記第１，
２，３および４の層とを用いたヘテロフォトトランジス
タ（以下ＨＰＴと略す）とを有し、前記ＨＰＴ部の第１
のＤＢＲの一部に位相反転層を有することを特徴とする
受光発光集積素子である。

【００１０】この構成により、半導体レーザとＨＰＴの
半導体層の構成はほぼ共通とし、かつ電極のとり方とＤ
ＢＲの構造の一部の変更だけで、本発明の目的を達成す
ることができる。

【００１１】

【作用】ＨＰＴ部の二重共振器構造による受光帯域拡大
の原理を以下に示す。

【００１２】同一波長で共鳴するように設計された複数
の共振器が適当なバリヤを介して接続された場合、共振
波長の分裂が生じる。このことは単一量子井戸が複数
個、結合することによって縮退が解け、いくつかの準位
が形成され、さらにミニバンドができることのアナロジ
ーで理解できる。分裂した共鳴線の各々の線幅は、それ
ぞれの共振器に閉じ込められた光子寿命の逆数で決ま
り、個々の共振波長の間隔は、光が一つの共振器に局在
した状態から別の共振器に局在した状態へと移動する時
間の逆数で決まる。このため、共振器のＤＢＲの層数を
増やすほど線幅は狭くなり、共振器間隔を増やすほどそ
れらの間隔は狭くなる。この関係を念頭において利得ス
ペクトルができるだけ平坦に近くなるよう、ＤＢＲ全体
の層数と共振器幅を最適に設計しなくてはならない。

【００１３】

【実施例】図１は本発明を適用した受光発光集積素子の
断面図である。

【００１４】半絶縁性のＧａＡｓ基板１８の上にノンド
ープの下側ＤＢＲ（ドーピング濃度２×１０^{1 8} ｃｍ
^{- 3} ）１、ｎ−Ａｌ_{0 . 4} Ｇａ_{0 . 6} Ａｓ２，ｐ−Ａｌ
_{0 . 25} Ｇａ_{0 . 7 5} Ａｓ３，多重量子井戸構造の活性
層となるノンドープのＩｎ_{0 .2} Ｇａ_{0 . 8} Ａｌ（層厚
１００Ａ×３）４を含むノドープのＡｌ_{0 . 2 5} Ｇａ
_{0. 7 5} Ａｓ１９，ｎ−Ａｌ_{0 . 2 5} Ｇａ_{0 . 7 5} Ａｓ
５，ｐ−Ａｌ_{0 . 4} Ｇａ_{0. 6} Ａｓ６、ｐ型ドープの上
側ＤＢＲ（ドーピング濃度３×１０^{1 8} ｃｍ^{- 3} ）７を
分子線ビームエピタキシー法により形成する。

【００１５】下側ＤＢＲミラー１は、ｎ−ＧａＡｓとｎ
−ＡｌＡｓをそれぞれ６７２Ａと８０４Ａの厚さで交互
に２２．５ペア積層したものであり、上側ＤＢＲミラー
７はｐ−ＧａＡｓとｐ−ＡｌＡｓをそれぞれ６７２Ａと
８０４Ａの厚さで交互に１５ペア積層したものである。

【００１６】半導体層２，３，５，６はガイド層であ
り、このガイド層と活性層４を含むノンドープ層１９を
合わせた中間層とする。中間層の各層の膜厚と合わせて
中間層とドーピング濃度を各層のバンド図といっしょに
図２に示した。中間層の層厚はレーザ発振の媒質内波長
λ（ここでは共振波長９８００Ａとして約０．３μｍ）
の整数倍である３λに設定した。またＨＰＴのベ−ス抵
抗を低減するため、ｐ層３を従来の面入出力光電融合素
子より厚くしている。

【００１７】ＨＰＴ部の下側ＤＢＲ１６には、一部にλ
／２厚のＧａＡｓ位相反転層１７が挿入されている。こ
の位相反転層１７によりＨＰＴ部に二重共振器構造が形
成されている。

【００１８】レーザ部はｐ層６の上までエッチングによ
り周囲を除去し、全体をカバーするようにｐ側電極８を
取り、同様にｎ層２の上までエッチングしてｎ側電極９
を取る。

【００１９】ＨＰＴ部はｎ層５までエッチングし、コレ
クター電極１０とベース電極１２を取り、またｎ層２ま
でエッチングしてこの上からエミッタ電極１５を取る。
ベース電極１２は、ｎ層の上からＺｎ拡散によりベース
となるｐ層３まで接続する。

【００２０】レーザ部のｎ側電極９とＨＰＴ部のコレク
ター電極１０は配線で接続し、これを５ＫΩの抵抗を介
してレーザ部のｐ側電極８と接続する。光信号の入力お
よび出力は基板を通して行われる。

【００２１】図３に本実施例の素子の等価回路図を示
す。レーザ部はサイリスタ構造を示しているため、スイ
ッチング特性を示すが、オフ時にＨＰＴに入射する光に
よってスイッチオンするようにレーザ部と並列に抵抗が
接続されている。

【００２２】図４（ａ）は本発明の素子の二重共振器構
造をもつＨＰＴの受光帯域と、吸収率、光電流の波長特
性を示す図である。図４（ｂ）は比較のための単共振器
構造のＨＰＴの特性図である。入射光量は１０μＷであ
る。図４において黒丸は実験による光電流、実線は計算
と計算がよく一致している。図４（ｂ）の単一共振器構
造での実験と計算のずれは、高次横モードによるもので
ある。

【００２３】図４から本発明では受光帯域が顕著に改善
され、最大受光感度も約５倍に向上いていることがわか
る。

【００２４】本発明ではレーザを最適化した構造で受光
素子部の特性を改善できるので、低発振閾値の面発光レ
ーザと広帯域ＨＰＴを同時に実現できる。更に光の入出
力を両方とも基板側から行うので、素子側をフリップチ
ップボンディングでき、レーザ特性の発熱による影響を
なくすことができる。

【００２５】本実施例ではＧａＡｓ系の材料を用いた
が、本発明はＩｎＰ系等の他の材料についても適用でき
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明を適用するならば、広帯域が高受
光感度のＨＰＴと低発振閾値の面発光レーザを同一ウエ
ハー上に容易に集積でき、しかも素子側をフリップチッ
プボンディングすることによって、レーザ部の発熱によ
る温度上昇を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための受光発光集積
素子の断面図である。

【図２】本発明の実施例を説明するための受光発光集積
素子の層構造を示す組成図である。

【図３】本発明の実施例を説明するための受光発光集積
素子の等価回路図である。

【図４】本発明の効果を説明するための図で、図４
（ａ）は本発明の受光素子の受光帯域と吸収率、光電流
の波長特性を示す図で、図４（ｂ）は比較のための図で
ある。

【図５】従来例を説明するための垂直共振器型面入出力
光電融合素子の構造断面図である。

【図６】従来例を説明するための受光発光集積素子のバ
ンド図（図６（Ａ））および等価回路図（図６（Ｂ））
である。

【図７】従来例を説明するための受光発光集積素子の構
造断面図である。

【符号の説明】

１ レーザ部下側ＤＢＲ ２ ｎ層 ３ ｐ層 ４ 活性層 ５ ｎ層 ６ ｐ層 ７ レーザ部上側ＤＢＲ ８ ｐ側電極 ９ ｎ側電極 １０ コレクター電極 １１ ＨＰＴ部上側ＤＢＲ １２ ベース電極 １３ Ｚｎ拡散領域 １４ 吸収層 １５ エミッタ電極 １６ ＨＰＴ部下側ＤＢＲ １７ 位相反転層 １８ ノンドープＧａＡｓ基板 １９ ｉ層 ２１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２２ 下側ＤＢＲ ２３ ｐ−ＧａＡｓ ２４ ｉ−ＧａＡｓ ２５ 活性層 ２６ ｉ−ＧａＡｓ ２７ ｎ−ＧａＡｓ ２８ 上側ＤＢＲ ２９ ｎ−ＧａＡｓ ３０ ｎ−ＡｌＡｓ ３１ ｐ−ＧａＡｓ ３２ ｐ−ＡｌＡｓ ３３，３４ 電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、ノンドープの第１の多層膜反
   射鏡（以下ＤＢＲと略す）と、第一導伝型の第１の層
   と，第一導伝型とは反対の導伝型の第二導伝型の第２の
   層と、活性層を含むノンドープの第３の層と、第一導伝
   型の第４の層と、第二導伝型の第５の層と、第二導伝型
   の第２のＤＢＲとが順に形成され、形成面に垂直方向に
   レーザ光を出力する発光素子と、前記基板面上に前記第
   １及び第２のＤＢＲと前記第１，２，３および４の層と
   を用いたヘテロフォトトランジスタ（以下ＨＰＴと略
   す）とを有し、前記ＨＰＴの第１のＤＢＲの一部に位相
   反転層を有することを特徴とする受光発光集積素子。