JP4043795B2 - 光集積素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光集積素子に関し、更に詳細には、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板に、窒化物系化合物半導体発光素子と受光素子とを集積させた光集積素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＢＧａＩｎＮなどのナイトライド化合物半導体（以下、窒化物系化合物半導体と言う）は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系などのIII −Ｖ族化合物半導体に比べて、一般に、バンドギャップエネルギーＥｇが大きく、かつ直接遷移型半導体であるという特徴を有している。
この特徴により、これらの窒化物系化合物半導体は、紫外領域から赤色に至る広い波長範囲において発光する半導体レーザ素子や、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）などの半導体発光素子を作製する材料として注目されている。
そして、これらの半導体発光素子は、高密度光ディスクの記録／再生光ピックアップ用の光源、フルカラー・ディスプレイの発光素子、その他、環境・医療などの分野の発光デバイスとして、広く応用されつつある。
【０００３】
また、これらの窒化物系化合物半導体には、例えば高電界域でＧａＮの飽和速度が大きいこと、或いはＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor ）構造の作製に際し、半導体層として窒化物系化合物半導体を、絶縁層として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用い、半導体層及び絶縁層を連続して結晶成長させることが出来るというような特徴がある。
この特徴により、窒化物系化合物半導体素子は、飽和ドリフト速度や静電破壊電圧が大きく、高速動作性、高速スイッチング性、大電流動作性などに優れた電子素子として注目されている。
【０００４】
更に、窒化物系化合物半導体は、（１）熱伝導性がＧａＡｓ系などより高いので、ＧａＡｓ系に比べて高温下の高出力素子の材料として有利である、（２）化学的に安定した材料であり、また硬度も高いので、信頼性の高い素子材料であると評価できる。
【０００５】
一般に、半導体膜を基板上に成長させる時には、成長膜と同類あるいは格子定数の近いバルク基板を基板として用いる。従って、窒化物系半導体素子の場合には、例えば同じ窒化物系半導体からなるＧａＮ基板等が望ましいが、ＧａＮ基板の作製は超高圧、超高温のもとで小さなサイズの基板ができているに過ぎず、実用的に大きなサイズの基板を作製することは極めて困難である。
窒化物系半導体素子の基板としてＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 基板も使用されてきたが、一般的には、窒化物系半導体素子はサファイア基板上に作製されることが最も多い。
【０００６】
サファイア基板は、高品質かつ安価で２インチ以上のサイズのものが供給されているが、窒化物系半導体の典型であるＧａＮとは、格子不整合と熱膨張係数差が大きいという問題を有する。また、サファイア基板は、劈開性がなく、電気伝導性が小さく電気的に絶縁である。
例えば、サファイアとＧａＮとの格子不整合は約１３％であって大きいので、サファイア基板とＧａＮ層の間に緩衝層を設けて不整合を緩和し、良好な単結晶のＧａＮ層をエピタキシャル成長させるようにしているものの、その欠陥密度は、例えば１０8 〜１０9 ｃｍ-2程度にも達していて、半導体素子の動作信頼性にとって悪影響を与えている。
【０００７】
更に、（１）サファイア基板とＧａＮ層との熱膨張係数の差が大きいので、結晶成長膜が厚いと、室温でも基板反りが大きくなって、クラックの発生が心配される等の素子形成プロセス上で制約が多く、また、（２）サファイア基板には劈開性が無く、鏡面性の高いレーザ端面を安定して形成することが難しい、更には、（３）サファイアが絶縁性のために、ＧａＡｓ系半導体レーザ素子のように基板裏面に一方の電極を設けることが難しく、ｐ側電極及びｎ側電極の双方を基板上の窒化物系化合物半導体の積層構造側に設けることが必要となり、素子面積が広くなり、工程が複雑になる。
【０００８】
そこで、窒化物系化合物半導体、特にＧａＮ系化合物半導体と格子整合するＧａＮ単結晶基板を工業的に容易な方法で作製する研究が盛んに行われている。
その一つとして、例えば、特開２００１−１０２３０７号公報は、気相成長の成長表面が平面状態でなく、三次元的なファセット構造を持つようにし、ファセット構造を持ったまま、ファセット構造を埋め込まないで成長させることにより転位を低減するようにした単結晶窒化ガリウムの結晶成長方法を開示している。本方法によれば、窓付きマスクを介してＧａＡｓ基板上にＧａＮ単結晶層を成長させ、成長させたＧａＮ単結晶層をスライシングすることにより、ＧａＮ単結晶基板を作製することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体発光素子を光源として使用するときには、一般には、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode ）を設けて、半導体発光素子から出射された光の一部を受光して、半導体発光素子を駆動するための制御信号としている。
半導体発光素子及びフォトダイオードの配置は様々であるが、例えば光ディスクの記録再生用の光ピックアップ装置に光源として用いられている半導体レーザ素子は、基本的には、図５に示すように、半導体レーザ素子ＬＤの出射端面の前方にプリズムを備え、半導体レーザ素子ＬＤの出射端面から出射されたレーザ光をプリズムで受光する。プリズムは、受光したレーザ光の大部分を光ディスクに向けて出射し、残りをフォトダイオードＰＤに向けている。フォトダイオードＰＤは、残りの光を受光してレーザ光の光強度を測定している。図５は、半導体レーザ素子、プリズム、フォトダイオード、光ディスク等の位置関係を説明する模式図である。
【００１０】
ところが、発光素子及び受光素子、並びに光集積素子の高機能化、複雑化、及び集積素子数の増加に伴い、発光素子と受光素子との位置のずれは、製品の歩留まり低下、従って作製コストの増大を招くために、発光素子及び受光素子をより高い精密度で位置決めすることが要求されている。
そこで、例えば上述のＧａＮ単結晶基板等の特質を利用して、発光素子及び受光素子をより高い精密度で位置決めすることが、研究されている。
【００１１】
本発明の目的は、半導体基板の特質を利用して、素子位置決め精度の高い構成を備えた光集積素子及びその作製方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の課題を解決する研究の過程で、低密度欠陥領域中に高密度欠陥領域が規則的、例えば周期的に配列されている、新規な構成の半導体基板として開発されたＧａＮ単結晶基板に注目した。
このＧａＮ単結晶基板は、特開２００１−１０２３０７号公報に開示された技術を改良し、低密度欠陥領域中に発生する高密度欠陥領域の位置を制御することにより、開発されたものである。
【００１３】
開発された半導体基板の高密度欠陥領域の配列パターンは、自在であって、例えば、図６に示すような正方形格子状の配列、図７（ａ）に示すような長方形格子状の配列、図７（ｂ）に示すように六方格子状の配列等がある。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、高密度欠陥領域を説明するＧａＮ基板の平面図及び断面図である。
また、高密度欠陥領域の配列パターンは、上述のような分散型パターンだけではなく、例えば図８（ａ）に示すように、点状の高密度欠陥領域が断続して線状に配置されたもの、更には図８（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が線状に連続しているものも作製可能である。
【００１４】
ここで、ＧａＮ単結晶基板の作製方法を説明する。
ＧａＮ単結晶の基本的な結晶成長メカニズムは、ファセット面からなる斜面を有して成長し、そのファセット面斜面を維持して、成長することで、転位を伝播させ、所定の位置に転位を集合させる。このファセット面により成長した領域は、転位の移動により、低欠陥領域となる。
一方、そのファセット面斜面下部には、明確な境界を持った高密度の欠陥領域を有して成長が行われ、転位は、高密度の欠陥領域の境界あるいはその内部に集合し、ここで消滅あるいは蓄積する。
【００１５】
この高密度の欠陥領域の形状によって、ファセット面の形状も異なる。欠陥領域が、ドット状の場合は、そのドットを底として、ファセット面が取り巻き、ファセット面からなるピットを形成する。
また、欠陥領域が、ストライプ状の場合は、ストライプを谷底として、その両側にファセット面傾斜面を有し、横に倒した３角形のプリズム状のファセット面となる。
【００１６】
この高密度の欠陥領域は、いくつかの状態があり得る。例えば、多結晶からなる場合がある。また、単結晶であるが、周りの低欠陥領域に対して、微傾斜している場合もある。また、周りの低欠陥領域に対して、Ｃ軸が反転している場合もある。こうして、この高密度の欠陥領域は、明確な、境界を有しており、周りと区別される。
この高欠陥密度領域を有して成長することにより、その周りの、ファセット面を埋め込むことなく、ファセット面を維持して成長を進行することができる。
その後、ＧａＮ成長層の表面を研削、研磨を施すことにより、表面を平坦化し、基板として、使用できる形態とすることができる。
【００１７】
この高密度の欠陥領域を形成する方法は、下地基板上に、ＧａＮを結晶成長する際に、高密度欠陥領域を形成する場所に、種を予め形成しておくことにより、発生させることができる。その種としては、種となる微小領域に非晶質、あるいは多結晶の層を形成する。その上から、ＧａＮを成長することで、丁度その種の領域に、高密度の欠陥領域を形成することが出来る。
【００１８】
ＧａＮ単結晶基板の具体的な製造方法としては、次の通りである。まず、ＧａＮ層を成長させる下地基板を用いる。下地基板は、必ずしも特定せず、一般的なサファイア基板でも良いが、後工程で下地基板を除去することを考慮すると、ＧａＡｓ基板等が好ましい。
下地基板の上に、例えば、ＳｉＯ2層からなる種を規則的に、例えば周期的に形成する。種の形状は、高密度欠陥領域の配列、形状に従って、ドット状、あるいはストライプ状である。
その後、Hydride Vapor Phase Epitaxy(ＨＶＰＥ)にて、ＧａＮを厚膜成長する。成長後、表面には、種のパターン形状に応じた、ファセット面が形成される。例えば、種がドット状のパターンの場合は、ファセット面からなるピットが規則正しく形成され、種がストライプ状の場合は、プリズム状のファセット面が形成される。
【００１９】
ＧａＮ層を成長させた後、下地基板を除去し、さらに、ＧａＮの厚膜層を、研削加工、研磨加工して表面を平坦化する。それによって、ＧａＮ基板を製造することができる。ＧａＮ基板の厚さは、自由に設定出来る。
この様にして作製された、ＧａＮ基板は、Ｃ面が主面であり、その中に、所定のサイズのドット状あるいはストライプ状の高欠陥密度領域が規則正しく、形成された基板となっている。高欠陥密度領域以外の単結晶領域は、高欠陥密度領域に比べ、転位密度が著しく低い低転位密度領域となっている。
【００２０】
本発明者は、上述の新規な構成の半導体基板の基板特質を利用して、つまり結晶欠陥が多いために、本来、窒化物系化合物半導体素子の構成要素として取り扱うことができない領域である上述のＧａＮ基板の高密度欠陥領域を利用することにより、半導体発光素子と受光素子とを集積させた半導体集積素子を作製することを着想し、実験の末に、本発明を発明するに到った。
以上の説明では、半導体レーザ素子を例にして説明したが、これは、窒化物系化合物半導体発光素子全般に該当することである。
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明に係る光集積素子（以下、第１の発明と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板と、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する又は未貫通するように基板に設けられた孔とを備えて、積層構造から孔を介して光を漏れ出させ、
受光素子は、孔を塞ぐようにして基板上に設けられ、孔を介して漏れ出た光を受光することを特徴としている。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係る別の光集積素子（以下、第２の発明と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板と、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する又は未貫通するように基板に設けられた孔とを備えて、積層構造から孔を介して光を漏れ出させ、
受光素子は、孔内に設けられ、孔に入りこんだ光を受光することを特徴としている。
【００２３】
本発明で、高密度欠陥領域を光が通過すると、光が乱反射して好ましくないので、高密度欠陥領域を貫通する貫通孔又は未貫通の盲孔を設けて、光導波路としている。貫通孔、盲孔の径は、任意であって、漏れ出た光を受光素子で受光できる大きさである限り、或いは受光素子を孔内に設けることができる限り、制約はない。尚、コア領域を開孔する孔として貫通孔である必要は、必ずしもなく、基板途中までの盲孔でも良い。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子は、窒化物系半導体レーザ素子、窒化物系半導体発光ダイオード等を含む概念である。また、半導体結晶基板とは、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する限り、その組成に制約はない。窒化物系化合物半導体とは、Ａｌa Ｂb Ｇａc Ｉｎd Ｎ（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１）を言う。
【００２４】
第１の発明に係る光集積素子を作製する方法（以下、第１の発明方法と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
基板上に窒化物系化合物半導体の積層構造を形成する工程と、
孔を塞ぐようにして基板上に受光素子を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００２５】
第２の発明に係る光集積素子を作製する方法（以下、第２の発明方法と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
基板上に窒化物系化合物半導体の積層構造を形成する工程と、
孔内に受光素子を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００２６】
本発明及び本発明方法で、高密度欠陥領域の配列パターンは自在であって、具体的には、高密度欠陥領域が、半導体結晶基板の基板面上で周期的に、例えば正方形格子状、長方形格子状、及び六方格子状のいずれかの配置で点在していても良い。
また、高密度欠陥領域が、半導体結晶基板の基板面上で相互に離隔して平行に、かつ周期的に配置された線状の高密度欠陥領域であって、点状の高密度欠陥領域が相互に接して、又は断続して線状に配置されてなる高密度欠陥領域、又は高密度欠陥領域が連続して線状に延在してなる高密度欠陥領域であっても良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、リッジ幅、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
光集積素子の実施形態例１
本実施形態例の光集積素子は、第１の発明に係る光集積素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の光集積素子の構成を示す断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の光集積素子のＧａＮ基板の高密度欠陥領域の配置を示す平面図及び断面図である。
本実施形態例の光集積素子４０が形成されるＧａＮ基板７６は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、結晶欠陥密度が周囲の領域より高い、いわゆる高密度欠陥領域７８がＧａＮ基板７６を貫通して、かつ、平面的には基板面上で周期的な正方形格子状配列で存在しているという特質を有している。なお、次に述べるｎ型ＧａＮ基板１２はＧａＮ基板７６の一部である。
つまり、光集積素子４０は図９（ａ）に示すＧａＮ基板７６のＧａＮ基板１２上に形成されている。なお、図９（ａ）中、８０はＧａＮ系半導体レーザ素子４２のレーザストライプを示している。
【００２８】
本実施形態例の光集積素子４０は、図１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２とフォトダイオード４４とを集積させた光集積素子である。
ＧａＮ系半導体レーザ素子４２は、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、膜厚３．０μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１４、膜厚０．５μｍのＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、膜厚０．１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８、Ｇａ1-xＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する膜厚４０ｎｍの活性層２０、膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、及び膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６の積層構造を備えている。
【００２９】
Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６上には、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を順次蒸着させてなる多層金属膜のｐ側電極２８、及びｎ型ＧａＮ基板１２の裏面には、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を順次蒸着させてなる多層金属膜のｎ側電極３０が設けてある。
【００３０】
ところで、本実施形態例では、ｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａには、図１に示すように、直径５０μｍの貫通孔３２が設けられている。コア部１２ａは、高密度欠陥領域のなかでも、特に結晶欠陥密度が高い部位であり、コア部１２ａと隣のコア部１２ａとの領域は、低密度欠陥領域である。そして、ｎ側電極３０は、コア部１２ａと隣のコア部１２ａとの間に位置するように設けてあり、また、ｐ側電極２８はｎ側電極３０の丁度真上に設けてある。
フォトダイオード４４は、例えば面受光型であって、貫通孔３２を塞ぐようにしてＧａＮ基板１２上に設けられ、貫通孔３２を介して発光領域から漏れ出た光を受光する。
【００３１】
フォトダイオード４４は、図２（ａ）に示すように、貫通孔３２のみを塞ぐスポット状に設けても良く、また図２（ｂ）に示すように、アレイ状のフォトダイオード４６を貫通孔３２の列上にストライプ状に設けてもよい。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、光集積素子４０の裏面図である。
【００３２】
以上の構成により、フォトダイオード４４は、貫通孔３２を介して漏れ出た光を受光し、光出力強度を測定して、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２の制御信号として出力する。
本実施形態例の光集積素子４０は、従来に比べて、著しく構造が簡単で、かつ小型化できる。また、受光点がＧａＮ基板１２のコア部１２ａによって規制されるので、発光点と受光点との距離を正確に定めることができ、正確な制御信号を出力することができる。
【００３３】
窒化物系化合物半導体素子の作製方法の実施形態例
本実施形態例は、第１の発明方法に係わる光集積素子の作製方法を上述の光集積素子４０の作製に適用した実施形態の一例であって、図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法により光集積素子を作製する際の工程毎の断面図又は斜視図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、結晶欠陥密度が周囲の領域より高い高密度欠陥領域を周期的に有するｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａに貫通孔３２を設ける。コア部１２ａは、高密度欠陥領域内でも特に結晶欠陥密度が高い部分であり、コア部１２ａとコア部１２ａとの間の領域は結晶欠陥密度が低い低密度欠陥領域である。
貫通孔３２を開孔するに当たっては、結晶欠陥密度の大小を利用して、ＫＯＨ又はリン酸をエッチャントとして用いたウエットエッチングによりコア部１２ａを貫通する直径５０μｍの貫通孔３２を容易に形成することができる。
【００３４】
貫通孔３２を開孔する際のエッチング方法は、ＫＯＨ又はリン酸をエッチャントとして用いたウエットエッチング法に限らず、ドライエッチング法或いはサーマルエッチング法を適用することができる。
【００３５】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、図３（ｂ）のように、例えばＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）により、例えば成長温度１０００℃で、順次、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１４を膜厚３．０μｍ、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６を膜厚０．５μｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８を膜厚０．１μｍ成長させる。
続いて、成長温度８００℃で、例えばＧａ1-x ＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する活性層２０を膜厚４０ｎｍ成長させる。
更に、成長温度１０００℃で、順次、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２を０．１μｍ、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４を膜厚０．５μｍ、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６を膜厚０．５μｍ成長させる。
【００３６】
上述のＧａＮ系化合物半導体層の成長工程では、例えば、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとして、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）またはトリエチルガリウム（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の原材料ガスとして、トリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）をそれぞれ用いることができる。
また、窒素の原料ガスとして、アンモニアガス（ＮＨ3 ）、ケイ素の原料ガスとして、モノシランガス（ＳｉＨ4）、及び、マグネシウムの原料ガスとして、メチルビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ2Ｍｇ）、またはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）をそれぞれ用いることができる。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、ｐ型コンタクト層２６の上に例えばパラジウム、白金、金を順次蒸着して、ｐ側電極２８を形成する。次いで、ｎ型ＧａＮ基板１２の裏面を研磨して薄板化し、続いて基板裏面に、例えばチタン、白金、金を順次蒸着してｎ側電極３０を形成する。
また、貫通孔３２を塞ぐようにしてＧａＮ基板１２上にフォトダイオード４４を設ける。
所定の大きさに劈開して、共振器端面に端面反射膜（図示せず）を成膜し、これにより、図１に示す光集積素子４０を完成することができる。
【００３８】
本実施形態例の方法によるときは、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２とフォトダイオード４４とを正確な位置決めで極めてコンパクトに集積させた光集積素子４０を作製することができる。
【００３９】
光集積素子の実施形態例２
本実施形態例の光集積素子は、第２の発明に係る光集積素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の光集積素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光集積素子５０は、図４に示すように、フォトダイオード５２がｎ型電極３０を挟む２個の貫通孔３２内に、それぞれ、作り込まれていることを除いて、実施形態例１の光集積素子４０と同じ構成を備えていて、実施形態例１の光集積素子４０と同じ効果を奏する。
【００４０】
本実施形態例の光集積素子５０を作製する際には、第２の発明方法に従って光集積素子を作製する。
先ず、実施形態例１と同様にして、ｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａを貫通する直径５０μｍの貫通孔３２を設ける。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、順次、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１４、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８、多重量子井戸構造を有する活性層２０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６を成長させる。
【００４１】
次いで、ｐ型コンタクト層２６の上にｐ側電極２８を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１２の裏面を研磨して薄板化し、続いて基板裏面にｎ側電極３０を形成する。
そして、２個の貫通孔３２内に、それぞれ、フォトダイオード５２を作り込む。
所定の大きさに劈開して、共振器端面に端面反射膜（図示せず）を成膜し、これにより、図４に示す光集積素子５０を完成することができる。
【００４２】
化合物半導体層のエピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ法によらず、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等によって形成することもできるなど、本発明の技術的範囲内である限り、種々の変更を行うことができる。
また、コア部１２ａを開孔する孔として貫通孔３２を例に挙げたが、必ずしも、貫通孔である必要はなく、基板途中まで穿孔した盲孔でも良い。
更には、上述の実施形態例では、窒化物系化合物半導体発光素子として端面出射型の半導体レーザ素子を例に上げて説明したが、基板に直交する方向に光を発光する面発光型半導体レーザ素子であっても適用可能である。
【００４３】
上述の実施形態例では、ＧａＮ基板として、高密度欠陥領域が正方形格子状に配列されているＧａＮ基板７６を用いているが、これに限らず、例えば図９（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が長方形格子状に配置されているＧａＮ基板８２、また、図９（ｃ）に示すように、高密度欠陥領域が六方格子状に配置されているＧａＮ基板８４を用いることができる。
更には、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板８６、８８を用いることができる。図９及び図１０は高密度欠陥領域とレーザストライプとの位置関係を示している。尚、図９及び図１０中、８０はレーザストライプである。
【００４４】
【発明の効果】
第１の発明によれば、窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体発光素子から漏れ出た光を受光して、光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通するように基板に孔を設け、孔を塞ぐようにして基板上に受光素子を設けて、孔を介して漏れ出た光を受光するようにしたことにより、発光点と受光点との位置関係が正確で、コンパクトな光集積素子を実現している。
【００４５】
第２の発明によれば、窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体発光素子から漏れ出た光を受光して、光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通するように基板に孔を設け、孔内に受光素子を作り込み、孔に入りこんだ漏れ出た光を受光するようにしたことにより、発光点と受光点との位置関係が正確で、コンパクトな光集積素子を実現している。
【００４６】
第１及び第２の発明方法は、第１及び第２の発明に係る光集積素子の好適な作製方法を提供している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の光集積素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態例１の光集積素子の裏面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例の方法により光集積素子を作製する際の工程毎の断面図又は斜視図である。
【図４】実施形態例２の光集積素子の構成を示す断面図である。
【図５】半導体レーザ素子、プリズム、フォトダイオード、光ディスク等の位置関係を説明する模式図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、高密度欠陥領域を説明するＧａＮ基板の平面図及び断面図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、長方形格子状の配列、及び六方格子状の配列を示す図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、点状の高密度欠陥領域が断続して線状に配置された配列、高密度欠陥領域が線状に連続して配列を示す図である。
【図９】図９（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、高密度欠陥領域が、正方形格子状配置、長方形格子状配置、及び六方格子状配置のＧａＮ基板でのＧａＮ系半導体レーザ素子の区画を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板でのＧａＮ系半導体レーザ素子の区画を示す図である。
【符号の説明】
１２……ｎ型ＧａＮ基板、１２ａ……コア部、１４……Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、１６……Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１８……Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層、２０……Ｇａ1-xＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する活性層、２２……Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層、２４……Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２６……Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、３２……貫通孔、４０……実施形態例１の光集積素子、４２……ＧａＮ系半導体レーザ素子、４４……フォトダイオード、４６……アレイ状のフォトダイオード、５０……実施形態例２の光集積素子、５２……フォトダイオード、７６……ＧａＮ基板、７８……高密度欠陥領域、８０……レーザストライプ、８２……高密度欠陥領域が長方形格子状に配置されているＧａＮ基板、８４……高密度欠陥領域が六方格子状に配置されているＧａＮ基板、８６、８８……高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光集積素子に関し、更に詳細には、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板に、窒化物系化合物半導体発光素子と受光素子とを集積させた光集積素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＢＧａＩｎＮなどのナイトライド化合物半導体（以下、窒化物系化合物半導体と言う）は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系やＡｌＧａＩｎＰ系などのIII −Ｖ族化合物半導体に比べて、一般に、バンドギャップエネルギーＥｇが大きく、かつ直接遷移型半導体であるという特徴を有している。
この特徴により、これらの窒化物系化合物半導体は、紫外領域から赤色に至る広い波長範囲において発光する半導体レーザ素子や、発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）などの半導体発光素子を作製する材料として注目されている。
そして、これらの半導体発光素子は、高密度光ディスクの記録／再生光ピックアップ用の光源、フルカラー・ディスプレイの発光素子、その他、環境・医療などの分野の発光デバイスとして、広く応用されつつある。
【０００３】
また、これらの窒化物系化合物半導体には、例えば高電界域でＧａＮの飽和速度が大きいこと、或いはＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor ）構造の作製に際し、半導体層として窒化物系化合物半導体を、絶縁層として窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用い、半導体層及び絶縁層を連続して結晶成長させることが出来るというような特徴がある。
この特徴により、窒化物系化合物半導体素子は、飽和ドリフト速度や静電破壊電圧が大きく、高速動作性、高速スイッチング性、大電流動作性などに優れた電子素子として注目されている。
【０００４】
更に、窒化物系化合物半導体は、（１）熱伝導性がＧａＡｓ系などより高いので、ＧａＡｓ系に比べて高温下の高出力素子の材料として有利である、（２）化学的に安定した材料であり、また硬度も高いので、信頼性の高い素子材料であると評価できる。
【０００５】
一般に、半導体膜を基板上に成長させる時には、成長膜と同類あるいは格子定数の近いバルク基板を基板として用いる。従って、窒化物系半導体素子の場合には、例えば同じ窒化物系半導体からなるＧａＮ基板等が望ましいが、ＧａＮ基板の作製は超高圧、超高温のもとで小さなサイズの基板ができているに過ぎず、実用的に大きなサイズの基板を作製することは極めて困難である。
窒化物系半導体素子の基板としてＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 基板も使用されてきたが、一般的には、窒化物系半導体素子はサファイア基板上に作製されることが最も多い。
【０００６】
サファイア基板は、高品質かつ安価で２インチ以上のサイズのものが供給されているが、窒化物系半導体の典型であるＧａＮとは、格子不整合と熱膨張係数差が大きいという問題を有する。また、サファイア基板は、劈開性がなく、電気伝導性が小さく電気的に絶縁である。
例えば、サファイアとＧａＮとの格子不整合は約１３％であって大きいので、サファイア基板とＧａＮ層の間に緩衝層を設けて不整合を緩和し、良好な単結晶のＧａＮ層をエピタキシャル成長させるようにしているものの、その欠陥密度は、例えば１０8 〜１０9 ｃｍ-2程度にも達していて、半導体素子の動作信頼性にとって悪影響を与えている。
【０００７】
更に、（１）サファイア基板とＧａＮ層との熱膨張係数の差が大きいので、結晶成長膜が厚いと、室温でも基板反りが大きくなって、クラックの発生が心配される等の素子形成プロセス上で制約が多く、また、（２）サファイア基板には劈開性が無く、鏡面性の高いレーザ端面を安定して形成することが難しい、更には、（３）サファイアが絶縁性のために、ＧａＡｓ系半導体レーザ素子のように基板裏面に一方の電極を設けることが難しく、ｐ側電極及びｎ側電極の双方を基板上の窒化物系化合物半導体の積層構造側に設けることが必要となり、素子面積が広くなり、工程が複雑になる。
【０００８】
そこで、窒化物系化合物半導体、特にＧａＮ系化合物半導体と格子整合するＧａＮ単結晶基板を工業的に容易な方法で作製する研究が盛んに行われている。
その一つとして、例えば、特開２００１−１０２３０７号公報は、気相成長の成長表面が平面状態でなく、三次元的なファセット構造を持つようにし、ファセット構造を持ったまま、ファセット構造を埋め込まないで成長させることにより転位を低減するようにした単結晶窒化ガリウムの結晶成長方法を開示している。本方法によれば、窓付きマスクを介してＧａＡｓ基板上にＧａＮ単結晶層を成長させ、成長させたＧａＮ単結晶層をスライシングすることにより、ＧａＮ単結晶基板を作製することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体発光素子を光源として使用するときには、一般には、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode ）を設けて、半導体発光素子から出射された光の一部を受光して、半導体発光素子を駆動するための制御信号としている。
半導体発光素子及びフォトダイオードの配置は様々であるが、例えば光ディスクの記録再生用の光ピックアップ装置に光源として用いられている半導体レーザ素子は、基本的には、図５に示すように、半導体レーザ素子ＬＤの出射端面の前方にプリズムを備え、半導体レーザ素子ＬＤの出射端面から出射されたレーザ光をプリズムで受光する。プリズムは、受光したレーザ光の大部分を光ディスクに向けて出射し、残りをフォトダイオードＰＤに向けている。フォトダイオードＰＤは、残りの光を受光してレーザ光の光強度を測定している。図５は、半導体レーザ素子、プリズム、フォトダイオード、光ディスク等の位置関係を説明する模式図である。
【００１０】
ところが、発光素子及び受光素子、並びに光集積素子の高機能化、複雑化、及び集積素子数の増加に伴い、発光素子と受光素子との位置のずれは、製品の歩留まり低下、従って作製コストの増大を招くために、発光素子及び受光素子をより高い精密度で位置決めすることが要求されている。
そこで、例えば上述のＧａＮ単結晶基板等の特質を利用して、発光素子及び受光素子をより高い精密度で位置決めすることが、研究されている。
【００１１】
本発明の目的は、半導体基板の特質を利用して、素子位置決め精度の高い構成を備えた光集積素子及びその作製方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の課題を解決する研究の過程で、低密度欠陥領域中に高密度欠陥領域が規則的、例えば周期的に配列されている、新規な構成の半導体基板として開発されたＧａＮ単結晶基板に注目した。
このＧａＮ単結晶基板は、特開２００１−１０２３０７号公報に開示された技術を改良し、低密度欠陥領域中に発生する高密度欠陥領域の位置を制御することにより、開発されたものである。
【００１３】
開発された半導体基板の高密度欠陥領域の配列パターンは、自在であって、例えば、図６に示すような正方形格子状の配列、図７（ａ）に示すような長方形格子状の配列、図７（ｂ）に示すように六方格子状の配列等がある。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、高密度欠陥領域を説明するＧａＮ基板の平面図及び断面図である。
また、高密度欠陥領域の配列パターンは、上述のような分散型パターンだけではなく、例えば図８（ａ）に示すように、点状の高密度欠陥領域が断続して線状に配置されたもの、更には図８（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が線状に連続しているものも作製可能である。
【００１４】
ここで、ＧａＮ単結晶基板の作製方法を説明する。
ＧａＮ単結晶の基本的な結晶成長メカニズムは、ファセット面からなる斜面を有して成長し、そのファセット面斜面を維持して、成長することで、転位を伝播させ、所定の位置に転位を集合させる。このファセット面により成長した領域は、転位の移動により、低欠陥領域となる。
一方、そのファセット面斜面下部には、明確な境界を持った高密度の欠陥領域を有して成長が行われ、転位は、高密度の欠陥領域の境界あるいはその内部に集合し、ここで消滅あるいは蓄積する。
【００１５】
この高密度の欠陥領域の形状によって、ファセット面の形状も異なる。欠陥領域が、ドット状の場合は、そのドットを底として、ファセット面が取り巻き、ファセット面からなるピットを形成する。
また、欠陥領域が、ストライプ状の場合は、ストライプを谷底として、その両側にファセット面傾斜面を有し、横に倒した３角形のプリズム状のファセット面となる。
【００１６】
この高密度の欠陥領域は、いくつかの状態があり得る。例えば、多結晶からなる場合がある。また、単結晶であるが、周りの低欠陥領域に対して、微傾斜している場合もある。また、周りの低欠陥領域に対して、Ｃ軸が反転している場合もある。こうして、この高密度の欠陥領域は、明確な、境界を有しており、周りと区別される。
この高欠陥密度領域を有して成長することにより、その周りの、ファセット面を埋め込むことなく、ファセット面を維持して成長を進行することができる。
その後、ＧａＮ成長層の表面を研削、研磨を施すことにより、表面を平坦化し、基板として、使用できる形態とすることができる。
【００１７】
この高密度の欠陥領域を形成する方法は、下地基板上に、ＧａＮを結晶成長する際に、高密度欠陥領域を形成する場所に、種を予め形成しておくことにより、発生させることができる。その種としては、種となる微小領域に非晶質、あるいは多結晶の層を形成する。その上から、ＧａＮを成長することで、丁度その種の領域に、高密度の欠陥領域を形成することが出来る。
【００１８】
ＧａＮ単結晶基板の具体的な製造方法としては、次の通りである。まず、ＧａＮ層を成長させる下地基板を用いる。下地基板は、必ずしも特定せず、一般的なサファイア基板でも良いが、後工程で下地基板を除去することを考慮すると、ＧａＡｓ基板等が好ましい。
下地基板の上に、例えば、ＳｉＯ2層からなる種を規則的に、例えば周期的に形成する。種の形状は、高密度欠陥領域の配列、形状に従って、ドット状、あるいはストライプ状である。
その後、Hydride Vapor Phase Epitaxy(ＨＶＰＥ)にて、ＧａＮを厚膜成長する。成長後、表面には、種のパターン形状に応じた、ファセット面が形成される。例えば、種がドット状のパターンの場合は、ファセット面からなるピットが規則正しく形成され、種がストライプ状の場合は、プリズム状のファセット面が形成される。
【００１９】
ＧａＮ層を成長させた後、下地基板を除去し、さらに、ＧａＮの厚膜層を、研削加工、研磨加工して表面を平坦化する。それによって、ＧａＮ基板を製造することができる。ＧａＮ基板の厚さは、自由に設定出来る。
この様にして作製された、ＧａＮ基板は、Ｃ面が主面であり、その中に、所定のサイズのドット状あるいはストライプ状の高欠陥密度領域が規則正しく、形成された基板となっている。高欠陥密度領域以外の単結晶領域は、高欠陥密度領域に比べ、転位密度が著しく低い低転位密度領域となっている。
【００２０】
本発明者は、上述の新規な構成の半導体基板の基板特質を利用して、つまり結晶欠陥が多いために、本来、窒化物系化合物半導体素子の構成要素として取り扱うことができない領域である上述のＧａＮ基板の高密度欠陥領域を利用することにより、半導体発光素子と受光素子とを集積させた半導体集積素子を作製することを着想し、実験の末に、本発明を発明するに到った。
以上の説明では、半導体レーザ素子を例にして説明したが、これは、窒化物系化合物半導体発光素子全般に該当することである。
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明に係る光集積素子（以下、第１の発明と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板と、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する又は未貫通するように基板に設けられた孔とを備えて、積層構造から孔を介して光を漏れ出させ、
受光素子は、孔を塞ぐようにして基板上に設けられ、孔を介して漏れ出た光を受光することを特徴としている。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係る別の光集積素子（以下、第２の発明と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する半導体結晶基板と、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する又は未貫通するように基板に設けられた孔とを備えて、積層構造から孔を介して光を漏れ出させ、
受光素子は、孔内に設けられ、孔に入りこんだ光を受光することを特徴としている。
【００２３】
本発明で、高密度欠陥領域を光が通過すると、光が乱反射して好ましくないので、高密度欠陥領域を貫通する貫通孔又は未貫通の盲孔を設けて、光導波路としている。貫通孔、盲孔の径は、任意であって、漏れ出た光を受光素子で受光できる大きさである限り、或いは受光素子を孔内に設けることができる限り、制約はない。尚、コア領域を開孔する孔として貫通孔である必要は、必ずしもなく、基板途中までの盲孔でも良い。
本発明の窒化物系化合物半導体発光素子は、窒化物系半導体レーザ素子、窒化物系半導体発光ダイオード等を含む概念である。また、半導体結晶基板とは、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域領域を有する限り、その組成に制約はない。窒化物系化合物半導体とは、Ａｌa Ｂb Ｇａc Ｉｎd Ｎ（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１）を言う。
【００２４】
第１の発明に係る光集積素子を作製する方法（以下、第１の発明方法と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
基板上に窒化物系化合物半導体の積層構造を形成する工程と、
孔を塞ぐようにして基板上に受光素子を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００２５】
第２の発明に係る光集積素子を作製する方法（以下、第２の発明方法と言う）は、窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
基板上に窒化物系化合物半導体の積層構造を形成する工程と、
孔内に受光素子を設ける工程と
を有することを特徴としている。
【００２６】
本発明及び本発明方法で、高密度欠陥領域の配列パターンは自在であって、具体的には、高密度欠陥領域が、半導体結晶基板の基板面上で周期的に、例えば正方形格子状、長方形格子状、及び六方格子状のいずれかの配置で点在していても良い。
また、高密度欠陥領域が、半導体結晶基板の基板面上で相互に離隔して平行に、かつ周期的に配置された線状の高密度欠陥領域であって、点状の高密度欠陥領域が相互に接して、又は断続して線状に配置されてなる高密度欠陥領域、又は高密度欠陥領域が連続して線状に延在してなる高密度欠陥領域であっても良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜方法、化合物半導体層の組成及び膜厚、リッジ幅、プロセス条件等は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
光集積素子の実施形態例１
本実施形態例の光集積素子は、第１の発明に係る光集積素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の光集積素子の構成を示す断面図である。図６（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本実施形態例の光集積素子のＧａＮ基板の高密度欠陥領域の配置を示す平面図及び断面図である。
本実施形態例の光集積素子４０が形成されるＧａＮ基板７６は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、結晶欠陥密度が周囲の領域より高い、いわゆる高密度欠陥領域７８がＧａＮ基板７６を貫通して、かつ、平面的には基板面上で周期的な正方形格子状配列で存在しているという特質を有している。なお、次に述べるｎ型ＧａＮ基板１２はＧａＮ基板７６の一部である。
つまり、光集積素子４０は図９（ａ）に示すＧａＮ基板７６のＧａＮ基板１２上に形成されている。なお、図９（ａ）中、８０はＧａＮ系半導体レーザ素子４２のレーザストライプを示している。
【００２８】
本実施形態例の光集積素子４０は、図１に示すように、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２とフォトダイオード４４とを集積させた光集積素子である。
ＧａＮ系半導体レーザ素子４２は、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、膜厚３．０μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層１４、膜厚０．５μｍのＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、膜厚０．１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８、Ｇａ1-xＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する膜厚４０ｎｍの活性層２０、膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、及び膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６の積層構造を備えている。
【００２９】
Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６上には、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を順次蒸着させてなる多層金属膜のｐ側電極２８、及びｎ型ＧａＮ基板１２の裏面には、Ｔｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）、Ａｕ（金）を順次蒸着させてなる多層金属膜のｎ側電極３０が設けてある。
【００３０】
ところで、本実施形態例では、ｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａには、図１に示すように、直径５０μｍの貫通孔３２が設けられている。コア部１２ａは、高密度欠陥領域のなかでも、特に結晶欠陥密度が高い部位であり、コア部１２ａと隣のコア部１２ａとの領域は、低密度欠陥領域である。そして、ｎ側電極３０は、コア部１２ａと隣のコア部１２ａとの間に位置するように設けてあり、また、ｐ側電極２８はｎ側電極３０の丁度真上に設けてある。
フォトダイオード４４は、例えば面受光型であって、貫通孔３２を塞ぐようにしてＧａＮ基板１２上に設けられ、貫通孔３２を介して発光領域から漏れ出た光を受光する。
【００３１】
フォトダイオード４４は、図２（ａ）に示すように、貫通孔３２のみを塞ぐスポット状に設けても良く、また図２（ｂ）に示すように、アレイ状のフォトダイオード４６を貫通孔３２の列上にストライプ状に設けてもよい。図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、光集積素子４０の裏面図である。
【００３２】
以上の構成により、フォトダイオード４４は、貫通孔３２を介して漏れ出た光を受光し、光出力強度を測定して、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２の制御信号として出力する。
本実施形態例の光集積素子４０は、従来に比べて、著しく構造が簡単で、かつ小型化できる。また、受光点がＧａＮ基板１２のコア部１２ａによって規制されるので、発光点と受光点との距離を正確に定めることができ、正確な制御信号を出力することができる。
【００３３】
窒化物系化合物半導体素子の作製方法の実施形態例
本実施形態例は、第１の発明方法に係わる光集積素子の作製方法を上述の光集積素子４０の作製に適用した実施形態の一例であって、図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、本実施形態例の方法により光集積素子を作製する際の工程毎の断面図又は斜視図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、結晶欠陥密度が周囲の領域より高い高密度欠陥領域を周期的に有するｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａに貫通孔３２を設ける。コア部１２ａは、高密度欠陥領域内でも特に結晶欠陥密度が高い部分であり、コア部１２ａとコア部１２ａとの間の領域は結晶欠陥密度が低い低密度欠陥領域である。
貫通孔３２を開孔するに当たっては、結晶欠陥密度の大小を利用して、ＫＯＨ又はリン酸をエッチャントとして用いたウエットエッチングによりコア部１２ａを貫通する直径５０μｍの貫通孔３２を容易に形成することができる。
【００３４】
貫通孔３２を開孔する際のエッチング方法は、ＫＯＨ又はリン酸をエッチャントとして用いたウエットエッチング法に限らず、ドライエッチング法或いはサーマルエッチング法を適用することができる。
【００３５】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、図３（ｂ）のように、例えばＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長法）により、例えば成長温度１０００℃で、順次、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１４を膜厚３．０μｍ、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６を膜厚０．５μｍ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８を膜厚０．１μｍ成長させる。
続いて、成長温度８００℃で、例えばＧａ1-x ＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する活性層２０を膜厚４０ｎｍ成長させる。
更に、成長温度１０００℃で、順次、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２を０．１μｍ、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４を膜厚０．５μｍ、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６を膜厚０．５μｍ成長させる。
【００３６】
上述のＧａＮ系化合物半導体層の成長工程では、例えば、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）の原料ガスとして、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）またはトリエチルガリウム（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の原材料ガスとして、トリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）をそれぞれ用いることができる。
また、窒素の原料ガスとして、アンモニアガス（ＮＨ3 ）、ケイ素の原料ガスとして、モノシランガス（ＳｉＨ4）、及び、マグネシウムの原料ガスとして、メチルビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣＰ2Ｍｇ）、またはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）をそれぞれ用いることができる。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、ｐ型コンタクト層２６の上に例えばパラジウム、白金、金を順次蒸着して、ｐ側電極２８を形成する。次いで、ｎ型ＧａＮ基板１２の裏面を研磨して薄板化し、続いて基板裏面に、例えばチタン、白金、金を順次蒸着してｎ側電極３０を形成する。
また、貫通孔３２を塞ぐようにしてＧａＮ基板１２上にフォトダイオード４４を設ける。
所定の大きさに劈開して、共振器端面に端面反射膜（図示せず）を成膜し、これにより、図１に示す光集積素子４０を完成することができる。
【００３８】
本実施形態例の方法によるときは、ＧａＮ系半導体レーザ素子４２とフォトダイオード４４とを正確な位置決めで極めてコンパクトに集積させた光集積素子４０を作製することができる。
【００３９】
光集積素子の実施形態例２
本実施形態例の光集積素子は、第２の発明に係る光集積素子の実施形態例であって、図１は本実施形態例の光集積素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の光集積素子５０は、図４に示すように、フォトダイオード５２がｎ型電極３０を挟む２個の貫通孔３２内に、それぞれ、作り込まれていることを除いて、実施形態例１の光集積素子４０と同じ構成を備えていて、実施形態例１の光集積素子４０と同じ効果を奏する。
【００４０】
本実施形態例の光集積素子５０を作製する際には、第２の発明方法に従って光集積素子を作製する。
先ず、実施形態例１と同様にして、ｎ型ＧａＮ基板１２の高密度欠陥領域のコア部１２ａを貫通する直径５０μｍの貫通孔３２を設ける。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１２上に、順次、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１４、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層１８、多重量子井戸構造を有する活性層２０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層２２、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４、及びＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２６を成長させる。
【００４１】
次いで、ｐ型コンタクト層２６の上にｐ側電極２８を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１２の裏面を研磨して薄板化し、続いて基板裏面にｎ側電極３０を形成する。
そして、２個の貫通孔３２内に、それぞれ、フォトダイオード５２を作り込む。
所定の大きさに劈開して、共振器端面に端面反射膜（図示せず）を成膜し、これにより、図４に示す光集積素子５０を完成することができる。
【００４２】
化合物半導体層のエピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ法によらず、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等によって形成することもできるなど、本発明の技術的範囲内である限り、種々の変更を行うことができる。
また、コア部１２ａを開孔する孔として貫通孔３２を例に挙げたが、必ずしも、貫通孔である必要はなく、基板途中まで穿孔した盲孔でも良い。
更には、上述の実施形態例では、窒化物系化合物半導体発光素子として端面出射型の半導体レーザ素子を例に上げて説明したが、基板に直交する方向に光を発光する面発光型半導体レーザ素子であっても適用可能である。
【００４３】
上述の実施形態例では、ＧａＮ基板として、高密度欠陥領域が正方形格子状に配列されているＧａＮ基板７６を用いているが、これに限らず、例えば図９（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が長方形格子状に配置されているＧａＮ基板８２、また、図９（ｃ）に示すように、高密度欠陥領域が六方格子状に配置されているＧａＮ基板８４を用いることができる。
更には、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板８６、８８を用いることができる。図９及び図１０は高密度欠陥領域とレーザストライプとの位置関係を示している。尚、図９及び図１０中、８０はレーザストライプである。
【００４４】
【発明の効果】
第１の発明によれば、窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体発光素子から漏れ出た光を受光して、光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通するように基板に孔を設け、孔を塞ぐようにして基板上に受光素子を設けて、孔を介して漏れ出た光を受光するようにしたことにより、発光点と受光点との位置関係が正確で、コンパクトな光集積素子を実現している。
【００４５】
第２の発明によれば、窒化物系化合物半導体発光素子と、窒化物系化合物半導体発光素子から漏れ出た光を受光して、光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通するように基板に孔を設け、孔内に受光素子を作り込み、孔に入りこんだ漏れ出た光を受光するようにしたことにより、発光点と受光点との位置関係が正確で、コンパクトな光集積素子を実現している。
【００４６】
第１及び第２の発明方法は、第１及び第２の発明に係る光集積素子の好適な作製方法を提供している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の光集積素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、実施形態例１の光集積素子の裏面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例の方法により光集積素子を作製する際の工程毎の断面図又は斜視図である。
【図４】実施形態例２の光集積素子の構成を示す断面図である。
【図５】半導体レーザ素子、プリズム、フォトダイオード、光ディスク等の位置関係を説明する模式図である。
【図６】図６（ａ）及び（ｂ）は、高密度欠陥領域を説明するＧａＮ基板の平面図及び断面図である。
【図７】図７（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、長方形格子状の配列、及び六方格子状の配列を示す図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、点状の高密度欠陥領域が断続して線状に配置された配列、高密度欠陥領域が線状に連続して配列を示す図である。
【図９】図９（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、高密度欠陥領域が、正方形格子状配置、長方形格子状配置、及び六方格子状配置のＧａＮ基板でのＧａＮ系半導体レーザ素子の区画を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板でのＧａＮ系半導体レーザ素子の区画を示す図である。
【符号の説明】
１２……ｎ型ＧａＮ基板、１２ａ……コア部、１４……Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、１６……Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、１８……Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光導波層、２０……Ｇａ1-xＩｎxＮ（井戸層）およびＧａ1-yＩｎyＮ（障壁層）よりなる多重量子井戸構造を有する活性層、２２……Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層、２４……Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２６……Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層、２８……ｐ側電極、３０……ｎ側電極、３２……貫通孔、４０……実施形態例１の光集積素子、４２……ＧａＮ系半導体レーザ素子、４４……フォトダイオード、４６……アレイ状のフォトダイオード、５０……実施形態例２の光集積素子、５２……フォトダイオード、７６……ＧａＮ基板、７８……高密度欠陥領域、８０……レーザストライプ、８２……高密度欠陥領域が長方形格子状に配置されているＧａＮ基板、８４……高密度欠陥領域が六方格子状に配置されているＧａＮ基板、８６、８８……高密度欠陥領域が線状に配置されているＧａＮ基板。
Claims (12)
- 窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、前記積層構造から漏れ出た光を受光して、前記窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
前記窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域を有する半導体結晶基板と、
前記高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する、又は未貫通するように前記半導体結晶基板に設けられた孔とを備え、
前記受光素子は、前記孔を塞ぐようにして前記半導体結晶基板上に設けられ、前記孔を介して前記積層構造から漏れ出た光を受光することを特徴とする光集積素子。 - 窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、前記積層構造から漏れ出た光を受光して、前記窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子であって、
前記窒化物系化合物半導体発光素子は、結晶欠陥密度が周囲より高い領域として、周期的な基板面上配列で基板を貫通している高密度欠陥領域を有する半導体結晶基板と、前記高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する、又は未貫通するように前記半導体結晶基板に設けられた孔とを備え、
前記積層構造から前記孔を介して光を漏れ出させ、
前記受光素子は前記孔内に設けられ、前記孔に入りこんだ光を受光することを特徴とする光集積素子。 - 前記高密度欠陥領域が、前記半導体結晶基板の基板面上で周期的に点在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積素子。
- 前記高密度欠陥領域が、前記半導体結晶基板の基板面上で正方形格子状、長方形格子状、及び六方格子状のいずれかの配置で点在していることを特徴とする請求項３に記載の光集積素子。
- 前記高密度欠陥領域が、前記半導体結晶基板の基板面上で相互に離隔して平行に、かつ周期的に配置された線状の高密度欠陥領域であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積素子。
- 前記線状の高密度欠陥領域は、点状の高密度欠陥領域が相互に接して、又は断続して線状に配置されてなる高密度欠陥領域、又は高密度欠陥領域が連続して線状に延在してなる高密度欠陥領域であることを特徴とする請求項５に記載の光集積素子。
- 窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、前記窒化物系化合物半導体の積層構造から漏れ出た光を受光して、前記窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
前記基板上に前記積層構造を形成する工程と、
前記孔を塞ぐようにして前記基板上に前記受光素子を設ける工程とを有することを特徴とする光集積素子の作製方法。 - 窒化物系化合物半導体の積層構造を備えた窒化物系化合物半導体発光素子と、前記積層構造から漏れ出た光を受光して、前記窒化物系化合物半導体発光素子に光出力制御信号を出力する受光素子とを備える光集積素子の作製方法であって、
高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域を貫通する孔又は未貫通する孔を基板に設ける工程と、
前記基板上に前記積層構造を形成する工程と、
前記孔内に前記受光素子を設ける工程とを有することを特徴とする光集積素子の作製方法。 - 前記高密度欠陥領域が、半導体結晶基板の基板面上で周期的に点在していることを特徴とする請求項７又は８に記載の光集積素子の作製方法。
- 前記高密度欠陥領域が、前記半導体結晶基板の基板面上で正方形格子状、長方形格子状、及び六方格子状のいずれかの配置で点在していることを特徴とする請求項９に記載の光集積素子の作製方法。
- 前記高密度欠陥領域が、前記半導体結晶基板の基板面上で相互に離隔して平行に、かつ周期的に配置された線状の高密度欠陥領域であることを特徴とする請求項７又は８に記載の光集積素子の作製方法。
- 前記線状の高密度欠陥領域は、点状の高密度欠陥領域が相互に接して、又は断続して線状に配置されてなる高密度欠陥領域、又は高密度欠陥領域が連続して線状に延在してなる高密度欠陥領域であることを特徴とする請求項１１に記載の光集積素子の作製方法。
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