JP4043795B2 - 光集積素子 - Google Patents
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Description
【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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