発光素子およびこれを用いた通信装置
【課題】素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、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】ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【解決手段】ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が形成された発光素子及びこれを備えた光源装置に関する。
【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たり、空間を媒体として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。）。
【特許文献１】特開２００５−０５６９７３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。
【０００８】
従って、本発明の目的は、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、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系半導体からなる井戸層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を提供する。
【００１０】
このような構成によれば、素子を構成する半導体層の結晶構造に起因するピエゾ電界の発生を抑制し、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系半導体からなる発光する層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子と、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。
【００１２】
このような構成によれば、素子を構成する半導体層の結晶構造に起因するピエゾ電界の発生を抑制し、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。
【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系半導体からなる発光する層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を有する発光部と、前記発光部から放射される可視光を受信する受光部と、を備えた通信装置を提供する。
【００１４】
このような構成によれば、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、かつ、通信信号を送る光を同時に装置の動作確認光として利用できる優れた光無線通信装置とできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、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】
（本発明の第１の実施の形態）
図１は、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。
【００１７】
この通信装置１００は、光出力側の発光部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。ここで、ＧａＮ系半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＸＩｎ１−ＸＮ及びＧａＸＩｎ１−ＸＮ（以上において０＜Ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。
【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、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。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であるが、これより小であることが望ましい。さらには、発光面積は１０００μｍ２以上であることが望ましい。発光素子１２の発光面積を大きくすることにより光出力が増大し、発光面積を小さくすることにより応答性が良好となることから、発光面積を１０００μｍ２以上かつ２２０００μｍ２以下とする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し、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、応答性および光出力の観点から、１．０〜４．０ｎｍであることが望ましい。
【００２７】
また、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厚さ３ｎｍで形成する。
【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、第１の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＭｇドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、ｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂ上にＩｎＧａＮ層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層）１０４Ａを設け、更にＧａＮ層１０４Ｂを設けた場合、ピエゾ電界によってＩｎＧａＮ層１０４Ａにおけるバンドに傾斜が生じ、そのことによって電子ｅと正孔ｈとが空間的に分離される。このような状態では電子ｅと正孔ｈの寿命が長くなる。
【００３２】
そこで、図３（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとｐ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂとの界面にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けることで、バンドの傾斜をもたらす半導体層の歪みがＡ方向に緩和され、そのことにより電子ｅと正孔ｈとの空間的な重なりが得られることにより、電子ｅと正孔ｈの寿命が短くなる。
【００３３】
図４は、第１の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。ここでは、一般的な表示用ＬＥＤ（発光層：多重量子井戸構造（ＭＱＷ））であるＬＥＤ（１）と、発光層１層のＬＥＤ（２）と、本実施の形態のＭｇドープＧａＮ層１４０を有するＬＥＤ（３）についての比較を示す。
【００３４】
ＬＥＤ（１）については、多重量子井戸構造の発光層を有することにより、光出力は３．４ｍＷと最も大である、しかしながら、立ち上がり時間および立ち下がり時間が大であり、さらに通信速度に関係する遮断周波数が小であるので、高速な光通信を行うための光源として用いることは難しい。ここで、立ち上がり時間とは電流密度のパルス応答時に定常値の１０％から９０％になるまでの時間であり、立ち下がり時間とは定常値の９０％から１０％になるまでの時間である。また、遮断周波数ｆｃについては、立ち上がり時間をｔｒ、立ち下がり時間をｔｆとし、
ｆｃ＝（０．３５／（（ｔｒ＋ｔｆ）／２））×１０００
の式により求めた。
【００３５】
ＬＥＤ（２）については、（１）のＭＱＷの発光層に対して発光層を１層としたことで、通信の応答性に関する特性の向上は見られるが、ＭＱＷと比べて光出力は低下している。
【００３６】
ＬＥＤ（３）については、ＭｇドープＧａＮ層１４０を設けたことで立ち上がり時間および立ち下がり時間が小になり、更に遮断周波数が大になっており、光応答速度が向上している。
【００３７】
（本発明の第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００３８】
なお、第１の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消す構成としてＭｇドープのＧａＮ層１４０を設ける構成を説明したが、Ｍｇ以外のドーパントとして例えばＣａ、Ｂｅ等を用いることもできる。また、ＧａＮ以外に、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮを用いてもよく、要はＧａＮ系半導体層であればよい。但し、Ｍｇドープによるバンドの制御しやすさの点で、ＧａＮを用いることが好ましい。
【００３９】
第１の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消すためにＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ側のＧａＮ層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けた構成を説明したが、ｎ側のＧａＮ層１０４Ｂにピエゾ電界を打ち消す構成を設けることも可能である。
【００４０】
（本発明の第２の実施の形態）
図５は、第２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の構成を示す部分拡大図である。
【００４１】
この第２の実施の形態の発光素子１２は、第１の実施の形態と同様の層構成を有するが、ＳＱＷ１０４におけるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ７ｎｍで設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００４２】
図６は、第２の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＳｉドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【００４３】
図６（ａ）に示すように、ｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂ上にＩｎＧａＮ層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層）１０４Ａを設け、更にＧａＮ層１０４Ｂを設けた場合、ピエゾ電界によってＩｎＧａＮ層１０４Ａにおけるバンドに傾斜が生じ、そのことによって電子ｅと正孔ｈとが空間的に分離される。このような状態では電子ｅと正孔ｈの寿命が長くなる。
【００４４】
そこで、図６（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂとの界面にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることで、バンドの傾斜をもたらす半導体層の歪みがＢ方向に緩和され、そのことにより電子ｅと正孔ｈとの空間的な重なりが得られることにより、電子ｅと正孔ｈの寿命が短くなる。
【００４５】
図７は、第２の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。ここでは、一般的な表示用ＬＥＤ（発光層：多重量子井戸構造（ＭＱＷ））であるＬＥＤ（１）と、発光層１層のＬＥＤ（２）と、本実施の形態のＳｉドープＧａＮ層１４１を有するＬＥＤ（４）及びＬＥＤ（５）についての比較を示す。ＬＥＤ（４）は図６（ｂ）に示すように、層構成を、ｐ−ＡｌＧａＮ１０５／ＧａＮ１０４Ｂ／ＩｎＧａＮ１０４Ａ／ＳｉドープＧａＮ層１４１／ＧａＮ１０４Ｂ／ｎ−ＧａＮ１０３とした。また、ＬＥＤ（５）は、ｐ側の障壁層をＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとした点で、ＬＥＤ（４）と層構成を異にした。
【００４６】
ＬＥＤ（１）および（２）については第１の実施の形態で説明した図４と同一であるので重複する説明を省略するが、ＬＥＤ（４）及びＬＥＤ（５）については、ＳｉドープＧａＮ層１４１を設けたことで立ち下がり時間が小になり、遮断周波数が大になっており、光応答速度が向上している。また、光出力についてもＬＥＤ（２）と同等である。
【００４７】
図８は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。具体的には、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを５．２ｎｍとし、Ｓｉの濃度を変化させて各時間の測定を行った。
図８に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上で１．０×１０１９／ｃｍ３以下のときに、立ち下がり時間が２．５ｎｓ以下となった。このように、立ち下がり時間を２．５ｎｓ以下とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。また、立ち下がり時間の誤差が小さくなるという利点もある。
【００４８】
図９は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と遮断周波数との関係を示すグラフである。前述のように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを５．２ｎｍとして測定した立ち上がり時間及び立ち下がり時間から遮断周波数を求めた。
図９に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上で１．０×１０１９／ｃｍ３以下のときに、遮断周波数が１５０ＭＨｚ以上となった。このように、遮断周波数を１５０ＭＨｚ以上とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。
【００４９】
図１０は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。具体的には、ＳｉドープＧａＮ層のＳｉ濃度を５．０×１０１８／ｃｍ３とし、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを変化させて各時間の測定を行った。
図１０に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さが１．３ｎｍ以上のときに、立ち下がり時間が３．５ｎｓ以下となった。このように、立ち下がり時間を３．５ｎｓ以下とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。また、立ち下がり時間の誤差が小さくなるという利点もある。
【００５０】
図１１は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと遮断周波数との関係を示すグラフである。前述のように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉ濃度を５．０×１０１８／ｃｍ３として測定した立ち上がり時間及び立ち下がり時間から遮断周波数を求めた。
図１１に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さが２．６ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下のときに、遮断周波数が１７０ＭＨｚ以上となった。このように、遮断周波数を１７０ＭＨｚ以上とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。
【００５１】
（本発明の第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｎ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることによっても、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００５２】
なお、第２の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消す構成としてＳｉドープのＧａＮ層１４１を設ける構成を説明したが、Ｓｉ以外のドーパントとして例えばＧｅ、Ｃ等を用いることもできる。また、ＧａＮ以外に、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮを用いてもよく、要はＧａＮ系半導体層であればよい。但し、Ｓｉドープによるバンドの制御しやすさの点で、ＧａＮを用いることが好ましい。
【００５３】
（本発明の第３の実施の形態）
図１２は、第３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の構成を示す部分拡大図である。
【００５４】
この第３の実施の形態の発光素子１２は、第１の実施の形態と同様の層構成を有するが、ＳＱＷ１０４におけるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｐ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を厚さ３ｎｍで設け、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ３ｎｍで設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００５５】
（本発明の第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設け、ＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｎ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることで、ピエゾ電界を打ち消す効果をより高めることができ、そのことにより光応答速度および光出力を向上させることができる。
【００５６】
なお、上記した各実施の形態では、発光する層がＳＱＷの構成について説明したが、例えば、ＭＱＷに適用することも可能である。
【００５７】
（本発明の第４の実施の形態）
図１３は、第４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ＭＱＷの構成を示す部分拡大図である。
【００５８】
この第４の実施の形態の発光素子１２は、第３の実施の形態と同様の層構成をＭＱＷに適用したものであり、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｐ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を厚さ３ｎｍで設け、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ３ｎｍで設けた多重量子井戸構造を有する構成において第３の実施の形態と相違している。
【００５９】
（本発明の第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、第３の実施の形態の好ましい効果に加えて、多重量子井戸構造に基づく光出力の大なる発光素子１２が得られる。
【００６０】
（本発明の第５の実施の形態）
図１４は、本発明の第５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。
【００６１】
図１４に示すように、この通信装置２００は、光出力側の発光部２１０と、光受光側の受光部２２０と、によって大略構成されている。この通信装置２００は、例えば、家電製品のリモコン等に使用される。
【００６２】
発光部２１０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２１１と、信号処理部２１１から供給される電流に応じて入力信号に基づく光を空間を媒体として受光部２２０へ向けて出射するＧａＮ系半導体からなる発光素子１２とを有する。尚、発光素子１２は、第１の実施の形態のものと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００６３】
受光部２２０は、空間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２２２とを有する。
【００６４】
（本発明の第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態においても、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００６５】
また、発光素子１２が可視光で発光することから、通信しているか否かを人間の目で認識することができる。特に、発光素子１２がＧａＮ系の半導体層により構成され青色光から緑色光で発光することから、人間の目にも鮮やかに映ることになる。また、光通信用ＬＥＤの赤色光に比して光出力を大きくして遠距離での通信が可能となる。一方、赤外光による通信の場合、１〜１００Ｍｂｐｓ程度の遅い通信速度となり、可視光でないので人間の目で通信しているか否かを認識することはできないという問題点がある。また、赤色光の場合は、光出力が１ｍＷ程度と小さいため、通信可能な空間距離が数ｃｍ程度となるため実用的でない。
【００６６】
従って、本実施形態の通信装置２００によれば、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、かつ、通信信号を送る光を同時に装置の動作確認光として利用できる優れた光無線通信装置とできる。
【００６７】
なお、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】
【００６８】
【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。
【図３】第１の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＭｇドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【図４】第１の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。
【図５】第２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の構成を示す部分拡大図である。
【図６】第２の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＳｉドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【図７】第２の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。
【図８】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。
【図９】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と遮断周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと遮断周波数との関係を示すグラフである。
【図１２】第３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の構成を示す部分拡大図である。
【図１３】第４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ＭＱＷの構成を示す部分拡大図である。
【図１４】本発明の第５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。
【符号の説明】
【００６９】
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…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、１０９…ｎ側電極、１１０…ＭＱＷ、１１０Ａ…Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層、１１０Ｂ…ＧａＮ障壁層、１４０…ＭｇドープＧａＮ層、１４１…ＳｉドープＧａＮ層、２００…通信装置、２１０…発光部、２１１…信号処理部、２２０…受光部、２２２…信号処理部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体層が形成された発光素子及びこれを備えた光源装置に関する。
【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たり、空間を媒体として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。）。
【特許文献１】特開２００５−０５６９７３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。
【０００８】
従って、本発明の目的は、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、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系半導体からなる井戸層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を提供する。
【００１０】
このような構成によれば、素子を構成する半導体層の結晶構造に起因するピエゾ電界の発生を抑制し、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系半導体からなる発光する層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子と、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。
【００１２】
このような構成によれば、素子を構成する半導体層の結晶構造に起因するピエゾ電界の発生を抑制し、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。
【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系半導体からなる発光する層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を有する発光部と、前記発光部から放射される可視光を受信する受光部と、を備えた通信装置を提供する。
【００１４】
このような構成によれば、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、かつ、通信信号を送る光を同時に装置の動作確認光として利用できる優れた光無線通信装置とできる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、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】
（本発明の第１の実施の形態）
図１は、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。
【００１７】
この通信装置１００は、光出力側の発光部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。ここで、ＧａＮ系半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ、ＡｌＸＩｎ１−ＸＮ及びＧａＸＩｎ１−ＸＮ（以上において０＜Ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。
【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、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。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であるが、これより小であることが望ましい。さらには、発光面積は１０００μｍ２以上であることが望ましい。発光素子１２の発光面積を大きくすることにより光出力が増大し、発光面積を小さくすることにより応答性が良好となることから、発光面積を１０００μｍ２以上かつ２２０００μｍ２以下とする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し、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、応答性および光出力の観点から、１．０〜４．０ｎｍであることが望ましい。
【００２７】
また、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厚さ３ｎｍで形成する。
【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、第１の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＭｇドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、ｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂ上にＩｎＧａＮ層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層）１０４Ａを設け、更にＧａＮ層１０４Ｂを設けた場合、ピエゾ電界によってＩｎＧａＮ層１０４Ａにおけるバンドに傾斜が生じ、そのことによって電子ｅと正孔ｈとが空間的に分離される。このような状態では電子ｅと正孔ｈの寿命が長くなる。
【００３２】
そこで、図３（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとｐ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂとの界面にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けることで、バンドの傾斜をもたらす半導体層の歪みがＡ方向に緩和され、そのことにより電子ｅと正孔ｈとの空間的な重なりが得られることにより、電子ｅと正孔ｈの寿命が短くなる。
【００３３】
図４は、第１の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。ここでは、一般的な表示用ＬＥＤ（発光層：多重量子井戸構造（ＭＱＷ））であるＬＥＤ（１）と、発光層１層のＬＥＤ（２）と、本実施の形態のＭｇドープＧａＮ層１４０を有するＬＥＤ（３）についての比較を示す。
【００３４】
ＬＥＤ（１）については、多重量子井戸構造の発光層を有することにより、光出力は３．４ｍＷと最も大である、しかしながら、立ち上がり時間および立ち下がり時間が大であり、さらに通信速度に関係する遮断周波数が小であるので、高速な光通信を行うための光源として用いることは難しい。ここで、立ち上がり時間とは電流密度のパルス応答時に定常値の１０％から９０％になるまでの時間であり、立ち下がり時間とは定常値の９０％から１０％になるまでの時間である。また、遮断周波数ｆｃについては、立ち上がり時間をｔｒ、立ち下がり時間をｔｆとし、
ｆｃ＝（０．３５／（（ｔｒ＋ｔｆ）／２））×１０００
の式により求めた。
【００３５】
ＬＥＤ（２）については、（１）のＭＱＷの発光層に対して発光層を１層としたことで、通信の応答性に関する特性の向上は見られるが、ＭＱＷと比べて光出力は低下している。
【００３６】
ＬＥＤ（３）については、ＭｇドープＧａＮ層１４０を設けたことで立ち上がり時間および立ち下がり時間が小になり、更に遮断周波数が大になっており、光応答速度が向上している。
【００３７】
（本発明の第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００３８】
なお、第１の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消す構成としてＭｇドープのＧａＮ層１４０を設ける構成を説明したが、Ｍｇ以外のドーパントとして例えばＣａ、Ｂｅ等を用いることもできる。また、ＧａＮ以外に、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮを用いてもよく、要はＧａＮ系半導体層であればよい。但し、Ｍｇドープによるバンドの制御しやすさの点で、ＧａＮを用いることが好ましい。
【００３９】
第１の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消すためにＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ側のＧａＮ層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けた構成を説明したが、ｎ側のＧａＮ層１０４Ｂにピエゾ電界を打ち消す構成を設けることも可能である。
【００４０】
（本発明の第２の実施の形態）
図５は、第２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の構成を示す部分拡大図である。
【００４１】
この第２の実施の形態の発光素子１２は、第１の実施の形態と同様の層構成を有するが、ＳＱＷ１０４におけるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ７ｎｍで設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００４２】
図６は、第２の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＳｉドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【００４３】
図６（ａ）に示すように、ｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂ上にＩｎＧａＮ層（Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層）１０４Ａを設け、更にＧａＮ層１０４Ｂを設けた場合、ピエゾ電界によってＩｎＧａＮ層１０４Ａにおけるバンドに傾斜が生じ、そのことによって電子ｅと正孔ｈとが空間的に分離される。このような状態では電子ｅと正孔ｈの寿命が長くなる。
【００４４】
そこで、図６（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとｎ層側隣接層となるＧａＮ層１０４Ｂとの界面にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることで、バンドの傾斜をもたらす半導体層の歪みがＢ方向に緩和され、そのことにより電子ｅと正孔ｈとの空間的な重なりが得られることにより、電子ｅと正孔ｈの寿命が短くなる。
【００４５】
図７は、第２の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。ここでは、一般的な表示用ＬＥＤ（発光層：多重量子井戸構造（ＭＱＷ））であるＬＥＤ（１）と、発光層１層のＬＥＤ（２）と、本実施の形態のＳｉドープＧａＮ層１４１を有するＬＥＤ（４）及びＬＥＤ（５）についての比較を示す。ＬＥＤ（４）は図６（ｂ）に示すように、層構成を、ｐ−ＡｌＧａＮ１０５／ＧａＮ１０４Ｂ／ＩｎＧａＮ１０４Ａ／ＳｉドープＧａＮ層１４１／ＧａＮ１０４Ｂ／ｎ−ＧａＮ１０３とした。また、ＬＥＤ（５）は、ｐ側の障壁層をＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎとした点で、ＬＥＤ（４）と層構成を異にした。
【００４６】
ＬＥＤ（１）および（２）については第１の実施の形態で説明した図４と同一であるので重複する説明を省略するが、ＬＥＤ（４）及びＬＥＤ（５）については、ＳｉドープＧａＮ層１４１を設けたことで立ち下がり時間が小になり、遮断周波数が大になっており、光応答速度が向上している。また、光出力についてもＬＥＤ（２）と同等である。
【００４７】
図８は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。具体的には、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを５．２ｎｍとし、Ｓｉの濃度を変化させて各時間の測定を行った。
図８に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上で１．０×１０１９／ｃｍ３以下のときに、立ち下がり時間が２．５ｎｓ以下となった。このように、立ち下がり時間を２．５ｎｓ以下とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。また、立ち下がり時間の誤差が小さくなるという利点もある。
【００４８】
図９は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と遮断周波数との関係を示すグラフである。前述のように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを５．２ｎｍとして測定した立ち上がり時間及び立ち下がり時間から遮断周波数を求めた。
図９に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上で１．０×１０１９／ｃｍ３以下のときに、遮断周波数が１５０ＭＨｚ以上となった。このように、遮断周波数を１５０ＭＨｚ以上とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。
【００４９】
図１０は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。具体的には、ＳｉドープＧａＮ層のＳｉ濃度を５．０×１０１８／ｃｍ３とし、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さを変化させて各時間の測定を行った。
図１０に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さが１．３ｎｍ以上のときに、立ち下がり時間が３．５ｎｓ以下となった。このように、立ち下がり時間を３．５ｎｓ以下とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。また、立ち下がり時間の誤差が小さくなるという利点もある。
【００５０】
図１１は、第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと遮断周波数との関係を示すグラフである。前述のように、ＳｉドープＧａＮ層１４１のＳｉ濃度を５．０×１０１８／ｃｍ３として測定した立ち上がり時間及び立ち下がり時間から遮断周波数を求めた。
図１１に示すように、ＳｉドープＧａＮ層１４１の厚さが２．６ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下のときに、遮断周波数が１７０ＭＨｚ以上となった。このように、遮断周波数を１７０ＭＨｚ以上とすることにより、通信速度が向上するという利点がある。
【００５１】
（本発明の第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｎ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることによっても、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００５２】
なお、第２の実施の形態では、ピエゾ電界を打ち消す構成としてＳｉドープのＧａＮ層１４１を設ける構成を説明したが、Ｓｉ以外のドーパントとして例えばＧｅ、Ｃ等を用いることもできる。また、ＧａＮ以外に、例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮを用いてもよく、要はＧａＮ系半導体層であればよい。但し、Ｓｉドープによるバンドの制御しやすさの点で、ＧａＮを用いることが好ましい。
【００５３】
（本発明の第３の実施の形態）
図１２は、第３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の構成を示す部分拡大図である。
【００５４】
この第３の実施の形態の発光素子１２は、第１の実施の形態と同様の層構成を有するが、ＳＱＷ１０４におけるＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｐ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を厚さ３ｎｍで設け、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ３ｎｍで設けた構成において第１の実施の形態と相違している。
【００５５】
（本発明の第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設け、ＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｎ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＳｉドープのＧａＮ層１４１を設けることで、ピエゾ電界を打ち消す効果をより高めることができ、そのことにより光応答速度および光出力を向上させることができる。
【００５６】
なお、上記した各実施の形態では、発光する層がＳＱＷの構成について説明したが、例えば、ＭＱＷに適用することも可能である。
【００５７】
（本発明の第４の実施の形態）
図１３は、第４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ＭＱＷの構成を示す部分拡大図である。
【００５８】
この第４の実施の形態の発光素子１２は、第３の実施の形態と同様の層構成をＭＱＷに適用したものであり、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａと、そのｐ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４ＢにＭｇドープのＧａＮ層１４０を厚さ３ｎｍで設け、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層１０４Ａのｎ側に隣接するＧａＮ障壁層１０４Ｂとの界面のＧａＮ障壁層１０４Ｂ上にＳｉドープのＧａＮ層１４１を厚さ３ｎｍで設けた多重量子井戸構造を有する構成において第３の実施の形態と相違している。
【００５９】
（本発明の第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、第３の実施の形態の好ましい効果に加えて、多重量子井戸構造に基づく光出力の大なる発光素子１２が得られる。
【００６０】
（本発明の第５の実施の形態）
図１４は、本発明の第５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。
【００６１】
図１４に示すように、この通信装置２００は、光出力側の発光部２１０と、光受光側の受光部２２０と、によって大略構成されている。この通信装置２００は、例えば、家電製品のリモコン等に使用される。
【００６２】
発光部２１０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２１１と、信号処理部２１１から供給される電流に応じて入力信号に基づく光を空間を媒体として受光部２２０へ向けて出射するＧａＮ系半導体からなる発光素子１２とを有する。尚、発光素子１２は、第１の実施の形態のものと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００６３】
受光部２２０は、空間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２２２とを有する。
【００６４】
（本発明の第５の実施の形態の効果）
第５の実施の形態においても、ＧａＮ系半導体層のピエゾ電界を抑えるものとして、発光層であるＩｎＧａＮ層１０４Ａに隣接するｐ型ＧａＮ層１０４Ｂの、ＩｎＧａＮ層１０４Ａとの界面部分にＭｇドープのＧａＮ層１４０を設けたので、バンドの傾斜をもたらすピエゾ電界が打ち消されて光応答速度を向上させることができる。
【００６５】
また、発光素子１２が可視光で発光することから、通信しているか否かを人間の目で認識することができる。特に、発光素子１２がＧａＮ系の半導体層により構成され青色光から緑色光で発光することから、人間の目にも鮮やかに映ることになる。また、光通信用ＬＥＤの赤色光に比して光出力を大きくして遠距離での通信が可能となる。一方、赤外光による通信の場合、１〜１００Ｍｂｐｓ程度の遅い通信速度となり、可視光でないので人間の目で通信しているか否かを認識することはできないという問題点がある。また、赤色光の場合は、光出力が１ｍＷ程度と小さいため、通信可能な空間距離が数ｃｍ程度となるため実用的でない。
【００６６】
従って、本実施形態の通信装置２００によれば、素子の構造に起因するピエゾ電界を解消することができ、かつ、通信信号を送る光を同時に装置の動作確認光として利用できる優れた光無線通信装置とできる。
【００６７】
なお、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】
【００６８】
【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。
【図３】第１の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＭｇドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【図４】第１の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。
【図５】第２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の構成を示す部分拡大図である。
【図６】第２の実施の形態に基づく発光素子のピエゾ電界を打ち消す動作を示す概略図であり、（ａ）はピエゾ電界が生じているＳＱＷの概略図、（ｂ）はＳｉドープのＧａＮ層を設けたときのＳＱＷの概略図である。
【図７】第２の実施の形態に係るＬＥＤの応答性および光出力に関する特性図である。
【図８】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。
【図９】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度と遮断周波数との関係を示すグラフである。
【図１０】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態に係るＬＥＤのＳｉドープＧａＮ層の厚さと遮断周波数との関係を示すグラフである。
【図１２】第３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の構成を示す部分拡大図である。
【図１３】第４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ＭＱＷの構成を示す部分拡大図である。
【図１４】本発明の第５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。
【符号の説明】
【００６９】
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…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、１０９…ｎ側電極、１１０…ＭＱＷ、１１０Ａ…Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層、１１０Ｂ…ＧａＮ障壁層、１４０…ＭｇドープＧａＮ層、１４１…ＳｉドープＧａＮ層、２００…通信装置、２１０…発光部、２１１…信号処理部、２２０…受光部、２２２…信号処理部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなる井戸層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）の障壁層と前記井戸層との界面に設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ＧａＮ系半導体層は、ｐ側の前記障壁層と前記井戸層との界面に設けられるＭｇドープのＧａＮ系半導体を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ＧａＮ系半導体層は、ｎ側の前記障壁層と前記井戸層との界面に設けられるＳｉドープのＧａＮ系半導体を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体層は、厚さが１．３ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ＧａＮ系半導体層は、厚さが２．６ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項７】
前記ＧａＮ系半導体層は、Ｓｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上かつ１．０×１０１９／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項８】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）の障壁層と前記井戸層との界面に設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記井戸層はその発光面積が１０００μｍ２から２２０００μｍ２の範囲で設けられる請求項１から８の何れか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
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に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子と、
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１１】
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１０に記載の通信装置。
【請求項１２】
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に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を有する発光部と、
前記発光部から放射される可視光を受信する受光部と、を備えた通信装置。
【請求項１】
基板上に結晶成長させたＧａＮ系半導体からなる井戸層に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＳＱＷ（Single-Quantum Well）の障壁層と前記井戸層との界面に設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ＧａＮ系半導体層は、ｐ側の前記障壁層と前記井戸層との界面に設けられるＭｇドープのＧａＮ系半導体を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ＧａＮ系半導体層は、ｎ側の前記障壁層と前記井戸層との界面に設けられるＳｉドープのＧａＮ系半導体を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体層は、厚さが１．３ｎｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ＧａＮ系半導体層は、厚さが２．６ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項７】
前記ＧａＮ系半導体層は、Ｓｉの濃度が２．５×１０１８／ｃｍ３以上かつ１．０×１０１９／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項４に記載の発光素子。
【請求項８】
前記ＧａＮ系半導体層は、ＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）の障壁層と前記井戸層との界面に設けられる請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記井戸層はその発光面積が１０００μｍ２から２２０００μｍ２の範囲で設けられる請求項１から８の何れか１項に記載の発光素子。
【請求項１０】
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に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子と、
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１１】
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１０に記載の通信装置。
【請求項１２】
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に隣接してピエゾ電界を打ち消すドーパントを含むＧａＮ系半導体層を設けた発光素子を有する発光部と、
前記発光部から放射される可視光を受信する受光部と、を備えた通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００７−３０５９６５（Ｐ２００７−３０５９６５Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１１４９（Ｐ２００７−３１１４９）
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２２日（２００７．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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