JP2005228944A

JP2005228944A - 半導体基板上にモノリシックに集積化された光電子集積回路

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Publication number: JP2005228944A
Application number: JP2004036727A
Authority: JP
Inventors: Kunio Ito; 國雄伊藤; Akira Okamoto; 晃岡本; Yosuke Matsuzaki; 陽介松崎
Original assignee: Tsuyama National College of Tech
Current assignee: Tsuyama National College of Tech
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP4581080B2

Abstract

【課題】半導体基板と光素子との間の格子不整合を解決して、半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路を実現させる。
【解決手段】半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路において、少なくとも前記光素子と前記半導体基板との間にＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の化合物半導体を含むバッファ層を設ける。
【選択図】図１５

Description

本発明は、半導体基板上にモノリシックに集積化された光電子集積回路（ＯＥＩＣ）に関する。

シリコン等の半導体を用いた集積回路は、現在の通信社会において小型化や高速化が求められている。そのためには、データを電気信号として電線で伝送するのではなく、データを光信号にして伝送することができれば、さらなる高速化を達成することができる。そこで、現在注目を集めている発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子を電子集積回路に組み込むことによって電子回路に光機能を持たせた光電子集積回路の研究が進められている。そのような光電子集積回路は光通信や光情報処理の分野あるいはその他の様々な分野で大いに有望視されている。

従来、様々な構造の光電子集積回路が提案されているが、その例として特許文献１に開示された集積回路がある。この特許文献１に開示された集積回路に代表されるように、従来はＧａＡｓ基板とＧａＮ系発光層領域の格子定数のミスマッチを解決する方策として、該基板と発光層領域との間に、ＺｎＯからなるバッファ層を設けている。しかしながら、ＺｎＯバッファ層は、ＧａＮ系発光層領域とは格子整合するが、ＧａＡｓ基板とは格子整合しない。これでは、転位が生じてしまい発光素子の発光効率や信頼性に非常に悪い影響をもたらす。
特開２０００−２２１２８

従って、本発明は、半導体基板と光素子との間の格子不整合を解決して、半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路を実現させることを目的とする。

本発明によれば、半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路において、少なくとも前記光素子と前記半導体基板との間にＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の化合物半導体を含むバッファ層を設けたことを特徴とする光電子集積回路が提供される。

本発明において、バッファ層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも２種の化合物半導体の超格子構造、または該化合物半導体とＩＩＩ族窒化物半導体の超格子構造を有し得る。あるいは、バッファ層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる２種の化合物半導体の交互の層、または該化合物半導体とＩＩＩ族窒化物半導体の交互の層を含み、該交互の層の一方の化合物半導体は、前記半導体基板と格子定数が近く、他方の化合物半導体は、前記光素子の材料と格子定数が近く、かつ前記一方の化合物半導体層の厚さは、前記半導体基板から光素子に向かうにつれて薄くなり、前記他方の化合物半導体層の厚さは、前記光素子から前記半導体基板に向かうにつれて薄くなる構造を有し得る。

また、本発明において、光素子は、ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体、またはＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体を構成材料とすることができる。

さらに、本発明において、光素子は、太陽電池を含むことができ、その太陽電池は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体を構成材料とすることができる。

また、本発明において、ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体のダブルへテロ構造、またはＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体のダブルへテロ構造を有する光導波路を含むことができる。

半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を集積化した光電子集積回路において、少なくとも光素子と半導体基板との間に、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から選ばれるの少なくとも１種の化合物半導体をバッファ層の構成材料として導入することにより、格子歪みの少ない結晶性の良好な膜をその上に成長させることができる。それによって、光素子、特にガリウム含有ＩＩＩ族窒化物により構成される発光素子の効率や信頼性の高いデバイスを製造することができる。また、基板としてシリコンもしくはＧａＡｓを用い、光素子と光回路部と電子回路部を同一基板上に製造することができるので、低コスト化が可能となる。

以下、より詳しく説明する。

本発明の光電子集積回路は、半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路であって、少なくとも前記光素子と前記半導体基板との間にＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の化合物半導体を含むバッファ層を設けたものである。

光素子は、ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体からなるＧａＮ系発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード）、特にガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体のダブルへテロ構造を有するＧａＮ系発光素子を含む。かかるダブルヘテロ構造のＧａＮ系発光素子は、ＩｎＧａＮ活性層を有し、この活性層を挟んでｐ型およびｎ型のガリウム含有窒化物半導体（例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等）からなるクラッド層が設けられている。本発明のバッファ層は、光素子がかかるＧａＮ系発光素子である場合に、その発光素子とシリコンまたはＧａＡｓ基板との間に設ける必要がある。

また、本発明において、光素子は、光電変換装置としての太陽電池を含む。好ましくは、本発明において、光素子は、上記発光素子と太陽電池を含む。太陽電池は太陽からのエネルギーを取り込み、電気エネルギーに変換する光電変換デバイスであるので、エネルギーや環境問題の観点から大いに期待されている。光電子集積回路と太陽電池を組み合わせるにより、電源電圧として太陽電池のエネルギーで発光素子を駆動させることができるようになり、環境調和性にも富んだデバイスが製造することができる。本発明により、発光素子と太陽電池をモノリシックに集積化させることができる。従って、従来、両者の電気的な配線が必要となるので回路全体が大型化し、製造コストが高くなり、また電気的配線のために回路全体の消費電力が増加してしまうという問題を解決できる。しかも、後述するように、本発明により、太陽電池と発光素子を一連のプロセスにより同一基板上に作製することができるので製造コストを低くでき、また個別部品としての太陽電池と発光素子を接続する方式と比べて、素子の故障率が小さくなり信頼性が向上する。加えて、集積化によって素子の密度が高くなるので信号の伝達時間がそれだけ短縮され、回路動作の高速化が図れる。加えて、集積化によって小型化、低電力となる。

太陽電池は、ｐ型半導体層とこれに接合したｎ型半導体層を含む。特に、本発明により、太陽電池のｐ型半導体材料として、ＡｇＩｎＳ₂、ＣｕＩｎＳ₂、ＣｄＩｎ₂Ｓｅ₄およびＣｄＧａＴｅからなる群の中から選ばれるの少なくとも１種の化合物半導体を用いることにより、太陽電池の理想効率となるエネルギーギャップのマッチングを考慮することができ、太陽電池の効率の向上を図ることができる。また、太陽電池のｎ型半導体材料として、広いエネルギーギャップをもつＺｎＳ（３．６８ｅＶ）を用いるることによって、より多くの太陽光を電気エネルギーに変換することができ、低損失の光導波路を形成できる。

本発明において、光回路は、光導波路を含む。光導波路は、発光素子から放出された光を通して効率よく所望の位置へ導くものである。この光導波路も内部に存在する欠陥や転位が光損失に大きく影響を与える。本発明において、光導波路は、光素子と同様の構成を有し得る。すなわち、光導波路は、上記ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、特にダブルへテロ構造のガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子構造、または上記太陽電池構造を有し得る。光導波路がガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体の構造を有する場合には、その光導波路と、シリコンまたはＧａＡｓ基板との間に本発明のバッファ層を設けることが好ましい。特に、本発明においては、光導波路として、発光素子の禁制帯幅より若干広い禁制帯幅を有し、半導体基板と格子定数が近いＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を光導波路のコア部として用いることにより低損失の光導波路を形成することができる。

本発明において、電子回路は、光増幅器および／または光変調器を含む。電子回路は、例えば、ＦＥＴ構造を有することができ、半導体デバイスを形成する際に通常用いられるプロセス、具体的にはフォトリソグラフィー、イオン注入、エッチング等のプロセスを用いて形成することができる。

本発明のバッファ層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の化合物半導体を含む。

本発明の１つの態様に係るバッファ層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも２種の化合物半導体の超格子構造、または該化合物半導体とＩＩＩ族窒化物半導体の超格子構造を有するものである。超格子構造は、数ナノメーター程度の厚さの層を多数積層した構造である。超格子構造を構成する化合物半導体層のうち、半導体基板上に直接形成される化合物半導体層は、半導体基板を構成する半導体の格子定数に近い化合物半導体により形成し、最上層の化合物半導体層は、その上に形成される光素子の構成材料（例えば、ＧａＮ系発光素子におけるガリウム含有窒化物半導体）に近い化合物半導体により形成することが好ましい。かかる超格子の材料として、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮの組み合わせ、またはＣｕＧａＳ₂とＺｎＩｎ₂Ｓ₄の組み合わせを用いることが好ましい。

図１は、シリコンまたはＧａＡｓ半導体基板１１上に形成された１つの好ましい超格子構造のバッファ層１２を示す概略断面図である。

バッファ層１２は、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮもしくはＺｎＩｎ₂Ｓ₄との２種の化合物半導体の交互積層構造を含む。図１において、ＣｕＧａＳ₂からなる化合物半導体層を１２Ａｎ（ｎは、半導体基板１１に近いものから数えてｎ番目の層を示す）で表し、ＧａＡｌＮもしくはＺｎＩｎ₂Ｓ₄からなる化合物半導体層を１２Ｂｎ（ｎは、半導体基板１１に近いものから数えてｎ番目の層を示す）で表すと、半導体基板１１上に直接形成される化合物半導体層は、層１２Ａ１により構成し、バッファ層１２の最上層を構成する化合物半導体層は、層１２Ｂｎにより構成することが好ましい。この場合、バッファ層１２を構成するすべての化合物半導体層は、実質的に同じ厚さ、例えば５ｎｍの厚さを有し得る。各化合物半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により成長させることができる。バッファ層１２は、例えば１００層の各化合物半導体層からなり得、その厚さは例えば０．５μｍとすることができる。

バッファ層１２の上には、例えばＧａＮ系発光素子におけるガリウム含有窒化物半導体層１３を設けることができる。

図１に示す超格子構造のバッファ層１２において、ＣｕＧａＳ₂の格子定数は、５．４Åであるのに対し、ＺｎＩｎ₂Ｓ₄の格子定数は３．８４Å、ＧａＡｌＮの格子定数は３．１８９Åである。従って、ＣｕＧａＳ₂がシリコン（格子定数は５．４３Å）およびＧａＡｓ（格子定数は５．６５Å）に近い格子定数を持ち、ＺｎＩｎ₂Ｓ₄とＧａＡｌＮはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＜０．１のとき）と近い格子定数を持つので、このバッファ層１２の特徴として半導体基板１１から発生する転位が光素子（例えば、ＧａＮ系発光ダイオード素子）部分に達する前に、超格子の界面に沿って横方向に転位を逃がすことができる。例えば、一層目で転位が横方向に逃げなくても四層目で逃げる、というように光素子部分に達する前に超格子中界面のどこかで転位を逃がすことができ、そのことで所望の成長層に欠陥を導入しないことが可能となり高品質の結晶を得ることができる。

本発明の第２の態様に係るバッファ層は、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる２種の化合物半導体の交互の層を含み、その一方の化合物半導体は、前記半導体基板と格子定数が近く、他方の化合物半導体は、前記光素子の材料と格子定数が近く、かつ前記一方の化合物半導体層の厚さは、前記半導体基板から光素子に向かうにつれて薄くなり、前記他方の化合物半導体層の厚さは、前記光素子から前記半導体基板に向かうにつれて薄くなる構造を有する。このバッファ層を構成する化合物半導体層のうち、半導体基板上に直接形成される化合物半導体層は、半導体基板と格子定数が近い化合物半導体で形成し、最上層の化合物半導体層は、上記光素子の材料と格子定数が近い化合物半導体で構成することが好ましい。このバッファ層の材料として、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮの組み合わせ、またはＣｕＧａＳ₂とＺｎＩｎ₂Ｓ₄の組み合わせを用いることが好ましい。

図２は、半導体基板１１上に形成された上記第２の態様に係るバッファ層２２の好ましい構造を示す概略断面図である。

図２に示すように、バッファ層２２は、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮもしくはＺｎＩｎ₂Ｓ₄との２種の化合物半導体の交互積層構造を含む。図２において、ＣｕＧａＳ₂からなる半導体層を２２Ａｎ（ｎは、半導体基板１１に近いものから数えてｎ番目の層を示す）で表し、ＩｎＧａＡｌＮもしくはＺｎＩｎ₂Ｓ₄からなる化合物半導体層を２２Ｂｎ（ｎは、半導体基板１１に近いものから数えてｎ番目の層を示す）で表すと、半導体基板１１上に直接形成される化合物半導体層は、層２２Ａ１により構成され、バッファ層１２の最上層を構成する化合物半導体層は、層２２Ｂｎにより構成される。そして、層２２Ａ１〜２２Ａｎは、半導体基板１１に最も近い層２２Ａ１から最上層に向って厚さが単純に減少している。すなわち、層２２Ａ１が最も厚く、層２２Ａｎが最も薄く形成されている。これとは逆に、層２２Ｂ１〜２２Ｂｎは、シリコン基板１１に最も近い層２２Ｂ１から最上層に向って厚さが単純に増加している。すなわち、層２２Ｂ１が最も薄く、層２２Ｂｎが最も厚く形成されている。このバッファ層１２は、約０．５μｍの厚さを有し得る。例えば、化合物半導体層２２Ａ１は、１０ｎｍの厚さに形成し、化合物半導体層２２Ｂ１は、Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎにより１ｎｍの厚さに形成し、化合物半導体層２２Ａ２は、９．９〜９．５ｎｍの厚さに形成し、化合物半導体層２２Ｂ２は、Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎにより１．１〜１．５ｎｍの厚さに形成することができる。このように順次厚さを変えて化合物半導体を形成し、化合物半導体層２２Ａｎを１ｎｍの厚さに、化合物半導体層２２ＢｎをＧａ_0.85Ａｌ_0.15Ｎにより１０ｎｍの厚さに形成することができる。バッファ層２２は、１００層の化合物半導体層からなり得る。このようにして、格子定数のマッチングを図ることができるので、歪みを緩和させて、最上部の転位を減少させることができる。

次に、本発明の第１の実施の形態に係る太陽電池と発光素子と導波路をモノリシックに集積する光電子集積回路の製造方法を図３〜図１５を参照して説明する。図３〜図１５には、電子回路を省略しているが、この電子回路は、太陽電池と発光素子と導波路の作製の前または後に作製することができる。

本発明の光電子集積回路の製造には、ＭＯＣＶＤ成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長法）とＭＢＥ成長法（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシャル成長法）を使う。ＭＯＣＶＤは、半導体の材料を有機化合物の状態で反応室へ導入し、誘導加熱によって高温にされた基板上に、薄膜を成長させる方法である。ＭＢＥは、原料の加熱により蒸気を作り、超高真空中に置かれたターゲット（半導体基板）に向かって噴射させ、ターゲットの表面においてエピタキシーを起こさせる方法である。

最初に、発光素子（ＧａＮ系発光ダイオード）を構成する多層薄膜の成長を行う。図３に示すように、まず、ｐ−ＧａＡｓ基板１１の上に、図１に関して説明した超格子構造のバッファ層１２を例えば０．５μｍの厚さに形成し、その上に、ｐ−ＧａＮクラッド層３１を例えば１μｍの厚さに、ｐ−ＩｎＧａＮ活性層３２を例えば５０ｎｍの厚さに、ｎ−ＧａＮクラッド層３３を例えば１μｍの厚さに順次形成する。

次に、ｎ−ＧａＮクラッド層３３の上に、ＳｉＯ₂膜を例えば０．５μｍの厚さに形成し、発光素子に対応する部分３４を残し、残りをドライエッチングにより除去する（図４）。ついで、残存するＳｉＯ₂膜３４をマスクとして、発光ダイオード素子構造（ｎ−クラッド層３３、活性層３２、ｐ−クラッド層３１）をｐ−ＧａＡｓ基板１１までエッチング除去する（図５）。こうして、残存するバッファ層１２１上にそれぞれ残存するｐ−クラッド層３１１、ＩｎＧａＮ活性層３２１およびｎ−クラッド層３３１を備える発光ダイオード素子が形成される。

次に、図５に示す構造の全面に対し、太陽電池と導波路となるｐ−ＡｇＩｎＳ₂とｎ−ＺｎＳの多層薄膜の成長を行う。この多層薄膜は、ＺｎＳ層へ発光素子からの光がきて、光導波路となるような厚さに成長させる。例えば、ｐ−ＡｇＩｎＳ₂層３５を０．９μｍの厚さに、ｎ−ＺｎＳ層３６を１．６μｍの厚さに順次成長させる（図６）。次に太陽電池と光導波路となる部分のｎ−ＺｎＳ層３６の上にＳｉＯ₂膜３７１、３７２を通常のフォトエッチングプロセスにより０．５μｍの厚さに形成する（図７）。ＳｉＯ₂膜３７１、３７２をマスクとして、太陽電池と発光素子と光導波路に対応する部分だけを残し、残りのｐ−ＡｇＩｎＳ₂層３５部分とｎ−ＺｎＳ層３６部分をエッチング除去する（図８）。このとき、発光素子と光導波路の間隔は例えば約２μｍ程度になるようにエッチングを行う。そうすることで、発光素子から出る光を直接光導波路へ導くことができる。こうして、マスク３７１の下に残存するｐ−ＡｇＩｎＳ₂層３５１およびｎ−ＺｎＳ層３６１を備える太陽電池構造が形成されるとともに、マスク３７２の下に残存するｐ−ＡｇＩｎＳ₂層３５２およびｎ−ＺｎＳ層３６２を備える光導波路構造が形成される。しかる後、マスク３４、３７１および３７２をエッチング除去する（図９）。

次に、図９に示す構造の全面に、再度ＳｉＯ₂膜３８を例えば０．５μｍの厚さに形成する（図１０）。ついで、太陽電池の上にあるＳｉＯ₂膜３８部分と発光素子の上あるＳｉＯ₂膜３８部分をエッチングして取り除く（図１１）。次に、ニッケルを例えば０．１μｍの厚さに、金を例えば１μｍの厚さに順次堆積させてＮｉ／Ａｕ積層構造の電極層３９を形成する（図１２）。次に、発光素子上の電極層３９部分と太陽電池上の電極層３９部分（太陽光を受光し得るように太陽電池素子上面の周辺部）のみを残し、残りの電極層３９部分をエッチング除去し、さらに残りのＳｉＯ₂膜３８をエッチング除去する。これにより、発光素子上に電極３９１が、太陽電池の周辺上に電極３９２が形成される（図１３）。

次に、ｐ−ＧａＡｓ基板１１の裏面を基板１１の厚さが例えば１００μｍになるように削り、その部分にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる電極４０を例えば１μｍの厚さに形成する（図１４）。その後、電極４０上に銅放熱体４１をボンディングし、銅放熱体４１にカソードのリード線（銅線）４２を取り付け、太陽電池と発光素子上の電極３９１および３９２上にアノードのリード線（銅線）４３１、４３２を取り付ける（図１５）。こうして光電子集積回路が完成する。この方法により、一連のプロセスで太陽電池と発光素子と光導波路を成長させることができるようになるので、低コスト化が可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る太陽電池と発光素子と導波路をモノリシックに集積する光電子集積回路を図１６〜図３１を参照して説明する。図１６〜図３１には、電子回路を省略しているが、この電子回路は、太陽電池と発光素子と導波路の作製の前または後に作製することができる。

第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造にもＭＯＣＶＤ成長法とＭＢＥ成長法を使う。

最初に、発光素子（ＧａＮ系発光ダイオード）を構成する多層薄膜の成長を行う。図１６に示すように、まず、ｐ−ＧａＡｓ基板１１の上に、図１に関して説明した超格子構造のバッファ層１２を例えば０．５μｍの厚さに形成し、その上に、ｐ−ＧａＮクラッド層５１を例えば１μｍの厚さに、ｐ−ＩｎＧａＮ活性層５２を例えば５０ｎｍの厚さに、ｎ−ＧａＮクラッド層５３を例えば１μｍの厚さに順次形成する。

次に、ｎ−クラッド層５３の上にＳｉＯ₂膜を例えば０．５μｍの厚さに形成し、発光素子と光導波路に対応する部分５４を残し、残りをドライエッチングにより除去する（図１７）。ついで、残存するＳｉＯ₂膜５４をマスクとして、半導体積層構造（ｎ−クラッド層３３、活性層３２、ｐ−クラッド層３１）をｐ−ＧａＡｓ基板１１までエッチング除去する（図１８）。

次に、図１８に示す構造の全面に、太陽電池となるｐ−ＡｇＩｎＳ₂とｎ−ＺｎＳの多層薄膜の成長を行う。例えば、ｐ−ＡｇＩｎＳ₂層５５を例えば０．９μｍの厚さに、ｎ−ＺｎＳ層５６を例えば１．６μｍの順で成長させる（図１９）。しかる後、太陽電池となる部分のｎ−ＺｎＳ層１４の上にＳｉＯ₂膜５７を例えば０．５μｍの厚さに形成する（図２０）。次に、ＳｉＯ₂膜５７をマスクとして、ｎ−ＺｎＳ層５６およびｐ−ＡｇＩｎＳ₂層５５をエッチング除去する（図２１）。こうして、マスク５７に残存するｎ−ＺｎＳ層５６１およびｐ−ＡｇＩｎＳ₂層５５１を備える太陽電池構造が形成される。しかる後、マスク５４および５７をエッチング除去する（図２２）。

次に、図２２に示す構造の全面に、ＳｉＯ₂膜５８を例えば０．５μｍの厚さに形成した後、発光素子と光導波路となる部分を分けるため、発光素子と光導波路の間のＳｉＯ₂膜部分をエッチング除去し、ストライプ窓５８ａを設ける（図２３）。ついで、ストライプ窓５８ａにそれぞれ対応するｎ−ＧａＮクラッド層５３、ｐ−ＩｎＧａＮ活性層５２、ｐ−ＧａＮクラッド層５１およびバッファ層１２の部分をエッチング除去する（図２４）。このとき、発光素子と光導波路の間隔が例えば約２μｍ程度になるようにエッチングを行う。そうすることで、発光素子から出る光を直接光導波路へ導くことができる。こうして、残存するバッファ層１２１、ｐ−クラッド層５１１、活性層５２１およびｎ−クラッド層５３１を備える発光ダイオード素子構造と、残存するバッファ層１２２、ｐ−クラッド層５１２、活性層５２２およびｎ−クラッド層５３２を備える光導波路構造が得られる。

次に、ＳｉＯ₂膜５８をエッチング除去する（図２５）。その後、図２５に示す構造の全面に、ＳｉＯ₂膜５９を例えば０．５μｍの厚さに形成する（図２６）。次に、太陽電池の上にあるＳｉＯ₂膜５９の部分と発光素子の上にあるＳｉＯ₂膜５９の部分をエッチング除去する（図２７）。次に、ニッケルを例えば０．１μｍの厚さに、金を例えば１μｍの厚さに順次堆積させてＮｉ／Ａｕ積層構造の電極層６０を形成する（図２８）。次に、発光素子上の電極層６０部分と太陽電池上の電極層６０部分のみを残し、他の電極層６０部分をエッチング除去し、さらに残りのＳｉＯ₂膜５９をエッチング除去する。これにより、発光素子上に電極６０１が、太陽電池上に電極６０２が形成される（図２９）。

次に、ｐ−ＧａＡｓ基板１１の裏面を基板１１の厚さが例えば１００μｍになるように削り、その部分にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる電極６１を例えば１μｍの厚さに形成する（図３０）。その後、電極６１上に銅放熱体６２をボンディングし、銅放熱体６２にカソードのリード線（銅線）６３を取り付け、発光素子と太陽電池上の電極６０１および６０２上にアノードのリード線（銅線）６４１、６４２を取り付ける（図３１）。こうして光電子集積回路が完成する。この方法により、一連のプロセスで太陽電池と発光素子と光導波路を成長させることができるようになるので、低コスト化が可能となる。

図３２は、本発明の光電子集積回路に形成される太陽電池装置の一例を示す図である。図３２に示す太陽電池装置は、複数の太陽電池がＧａＡｓ基板７０上に形成され、直列に接続されている。各太陽電池は、ｐ−ＧａＡｓ基板７０上に形成されたｐ−ＡｇＩｎＳ₂層７１（例えば０．９μｍの厚さ）およびｎ−ＺｎＳ層７２（例えば１．６μｍの厚さ）を有する。各ｎ−ＺｎＳ層７２は、その一部がエッチングにより除去され、ｐ−ＡｇＩｎＳ₂層７１の表面が露出されている。各露出したｐ−ＡｇＩｎＳ₂層７１の表面には、ｐ−電極７３がそれぞれ形成されている。各ｎ−ＺｎＳ層７２の表面には、その周辺部にｎ−電極７４が形成されている。すべての太陽電池を直列に接続するために、各ｐ−電極７３と隣の太陽電池のｎ−電極７４とはリード線７５で接続されており、基板７０の一端部の２つのｐ−電極７３は共通のリード線７６により接続され、基板７０の他端部の２つのｎ−電極７４は、共通のリード線７７に接続されている。

図３２に示す太陽電池はｎ層に広いエネルギーバンドギャップをもつＺｎＳを用いることにより、より多くの太陽光を吸収でき、電気エネルギーに変換できる。また、ｐ層に太陽電池の理想変換効率となるエネルギーバンドギャップが１．４ｅＶに近い材料として、エネルギーバンドギャップが１．８６ｅＶのＡｇＩｎＳ₂を用いることにより太陽電池の効率も考慮できる。そして、ＧａＡｓ基板（５．６５Å）と格子定数が近いＡｇＩｎＳ₂（５．８２Å）とＺｎＳ（５．４３Å）を用いることで、太陽電池の効率や信頼性の向上させることができる。また、図３２のように太陽電池を直並列接続にすることで発光素子を発光させるのに必要な電圧と電流を得ることができる。

図３３は、本発明の光電子集積回路の全体構成を示す図である。この光電子集積回路は、例えばＧａＡｓ基板８０上に、上に説明した構造を有する２つのＧａＮ系発光素子８１、上に説明した構造を有する２つの太陽電池８２、上に説明した構造を有する光導波路８３、増幅器や変調器等の電子回路部８４がモノリシックに集積されたものである。電子回路の出力端には、光ファイバー８５が設けられている。電子回路部８４は、例えばＦＥＴ構造を有するものであり得、ＧａＡｓ基板８０内に設けられたソース、ゲート、ドレイン領域を備え、各領域に電極を設けた構成のものであり得る。

ここで、発光素子８１と太陽電池８２と光導波路８３の製方法は上に説明した通りである。電子回路部８４の作製に当たっては、通常のＦＥＴ半導体デバイスを形成する際に通常用いられるプロセス、具体的にはフォトリソグラフィー、イオン注入、エッチング等のプロセスを用いる。電子回路部は、発光素子８１と太陽電池８２と光導波路８３を製造する前または後に作製することができる。図３３に示す光電子集積回路において、太陽電池８２による駆動により発光素子８１から出力され、光導波路８３を通ってきた光は、電子回路部８４で変調および／または増幅され、光ファイバー８５を通して外部へ出力される。

以上本発明を説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではない。例えば、第１の実施の形態に係る光電子集積回路の太陽電池と光導波路のｐ層としてＣｕＩｎＳ₂を、ｎ層としてＺｎＳを用いること、または第１の実施の形態に係る光電子集積回路の太陽電池と光導波路のｐ層としてＣｄＩｎ₂Ｓｅ₄を、ｎ層としてＺｎＳを用いることができる。さらに、第１の実施の形態に係る光電子集積回路の太陽電池と光導波路のｐ層としてＣｄＧａＴｅを、ｎ層としてＺｎＳを用いることができる。

本発明の第１の態様に係る超格子構造のバッファ層を示す概略断面図。本発明の第２の態様に係るバッファ層を示す概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第１の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の第２の実施の形態に係る光電子集積回路の製造方法を説明するための概略断面図。本発明の光電子集積回路における太陽電池装置の一例を示す概略斜視図本発明光電子集積回路の全体構成の一例を示す概略斜視図。

符号の説明

１１、７０、８０…半導体基板
１２、２２、１２１、１２２…バッファ層
１３…ガリウム含有窒化物半導体層
３１、３１１、５１、５１１…発光素子のｐ−クラッド層
３２、３２１、５２、５２１…発光素子の活性層
３３、３３１、５３、５３１…発光素子のｎ−クラッド層
３５、３５１、３５２…太陽電池および光導波路のｐ−層
３６、３６２、３６２…太陽電池および光導波路のｎ−層
３９１、３９２、４０、６０１、６０２、６１…電極
４１、６２…銅放熱体
５１２…光導波路のバッファ層
５２２…光導波路の活性層
５３２…光導波路のｎ−クラッド層
７１…太陽電池のｎ−層
７２…太陽電池のｐ−層
７３…太陽電池のｎ−電極
７４…太陽電池のｐ−電極
８１…発光素子
８２…太陽電池
８３…光導波路
８４…電子回路部
８５…光ファイバー

Claims

半導体基板上にモノリシックに光素子と光回路部と電子回路部を半導体基板上に集積化した光電子集積回路において、少なくとも前記光素子と前記半導体基板との間にＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも１種の化合物半導体を含むバッファ層を設けたことを特徴とする光電子集積回路。
前記半導体基板が、シリコンまたはＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電子集積回路。
前記バッファ層が、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる少なくとも２種の化合物半導体の超格子構造、または該化合物半導体とＩＩＩ族窒化物半導体の超格子構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光電子集積回路。
前記バッファ層が、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる２種の化合物半導体の交互の層、または該化合物半導体とＩＩＩ族窒化物半導体の交互の層を含み、該交互の層の一方の化合物半導体は、前記半導体基板と格子定数が近く、他方の化合物半導体は、前記光素子の材料と格子定数が近く、かつ前記一方の化合物半導体層の厚さは、前記半導体基板から光素子に向かうにつれて薄くなり、前記他方の化合物半導体層の厚さは、前記光素子から前記半導体基板に向かうにつれて薄くなる構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光電子集積回路。
前記超格子構造が、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮの組み合わせ、またはＣｕＧａＳ₂とＺｎＩｎ₂Ｓ₄の組み合わせにより構成されることを特徴とする請求項３に記載の光電子集積回路。
前記バッファ層が、ＣｕＧａＳ₂とＧａＡｌＮの組み合わせ、またはＣｕＧａＳ₂とＺｎＩｎ₂Ｓ₄の組み合わせにより構成されることを特徴とする請求項４に記載の光電子集積回路。
前記光素子が、ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体、またはＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体を構成材料とすることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光電子集積回路。
前記光素子が太陽電池を含み、該太陽電池が、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体を構成材料としていることを特徴とする請求項１に記載の光電子集積回路。
前記光回路部が、ガリウム含有ＩＩＩ族窒化物半導体のダブルへテロ構造、またはＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、ＩＩ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびＩＩ−ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる群の中から選ばれる化合物半導体のダブルへテロ構造を有する光導波路を含むことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光電子集積回路。