JP4072351B2 - Nitride compound semiconductor light emitting device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系化合物半導体素子に関し、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を有する半導体結晶基板上に、窒化物系化合物半導体の積層構造を備え、一方の電極を基板裏面に、他方の電極を積層構造上にそれぞれ有する窒化物系化合物半導体素子であって、高密度欠陥領域を利用した窒化物系化合物半導体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短波長域の光を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 4 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、窒化物系化合物半導体素子等の半導体素子は、素子の高機能化、及び新機能化、例えば波長可変化(周波数変調による波長変化を含む)が可能な素子、或いはノイズ低減化された素子などが望まれている。
そして、例えば上述のGaN単結晶基板等の特質を利用して、素子の駆動電源等を複雑化することなく、簡単な工程で、かつ少ない工程数で、これらの新機能素子を作製することが、研究されている。
【0010】
そこで、本発明の目的は、半導体基板の特質を利用して、新しい機能を備え、簡単な工程で、かつ少ない工程数で作製できる構成を有する窒化物系化合物半導体素子を提供することである。
【0011】
【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。
【0012】
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4(a)に示すような正方形格子状の配列、図5(a)に示すような長方形格子状の配列、図5(b)に示すように六方格子状の配列等がある。図4(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6(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6(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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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して、第3の電極を設け、積層構造上の電極と第3の電極との間に電流を供給することにより、窒化物系化合物半導体素子の素子特性、例えば波長或いはノイズを制御することを着想し、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素子全般に該当することである。
【0020】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、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上に、窒化物系化合物半導体の積層構造を備え、第1及び第2の電極が積層構造上の所定の位置に設けられた窒化物系化合物半導体素子であって、
基板が、高密度欠陥領域内で欠陥密度が最も高いコア領域の基板を貫通する、又は未貫通するように設けられた孔に埋め込まれた第3の電極を備え、
他方の電極と第3の電極と間に電流を供給することにより素子特性を制御するようにしたことを特徴としている。
【0021】
半導体素子とは、半導体レーザ素子、半導体発光ダイオード、半導体電子素子等の素子であって、積層構造の所定の位置に設けられた2つ以上の電極を介して積層構造に駆動電流を注入することにより、一意的な素子特性を示す素子である。尚、電極の所定位置とは、半導体素子の性能を高めるために最適な位置を言う。
【0022】
本発明で、貫通孔、或いは盲孔の径は、任意であって、第3の電極を孔内に設けることができる限り、制約はない。尚、コア領域に開孔する孔が貫通孔であることは、必ずしも必要でなく、基板途中までの盲孔でも良い。
尚、高密度欠陥領域は、基板に貫通する柱状の領域であり、高密度欠陥領域の断面形状は任意である。
【0023】
本発明の窒化物系化合物半導体素子は、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、窒化物系化合物半導体電子素子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 b Gac Ind N(a+b+c+d=1、0≦a、b、c、d≦1)を言う。
【0024】
本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、他方の電極と第3の電極と間に電流を供給することにより波長、ノイズ、光双安定性等の素子特性を制御することができる。
本発明に係る窒化物系化合物半導体素子は、コンパクトな構成で、しかも素子特性を制御するという従来にない機能を備え、しかも、簡易な工程で作製できる素子である。
【0025】
半導体レーザ素子の雑音は、自然放出光と関連し、不安定な発振モードやモード間競合により発生している。従来、雑音を低減するため、種々の方法により単一縦モード化することが行われているが、高周波重畳による方法が提案されている。例えば周波数数百MHz〜数GHzの高周波を半導体レーザ素子の駆動電流に重畳すると、安定した多モード発振になり、モードホッピング雑音が減少する。
そこで、本発明の好適な実施態様では、窒化物系化合物半導体素子が発光素子であるとき、他方の電極と一方の電極との間に駆動電流を印加し、かつ他方の電極と第3の電極との間に高周波電流を印加して、駆動電流に高周波電流を重畳させることより発光素子のノイズを低減させる。即ち、第3電極に高周波重畳をすることによりモードホッピング雑音を低減できることができる。
【0026】
また、本発明の別の好適な実施態様では、窒化物系化合物半導体素子が端面出射型の発光素子であるとき、出射端面に接して第3の電極を設け、他方の電極と一方の電極との間に駆動電流を、他方の電極と第3の電極との間に駆動電流より小さい小電流を供給して、一方の電極と第3の電極とをタンデム型の電極として機能させ、発光素子の光双安定性を高める。
【0027】
本実施態様の一方の電極と他方の電極とで挟まれた積層構造では、他方の電極から一方の電極に電流を供給することにより、光が増幅される一方、他方の電極から第3の電極に供給された小電流により出射端面近傍領域は、光が吸収されて過飽和吸収体となる。
他方の電極から第3の電極に供給する電流を一定にし、他方の電極から一方の電極に従来通り駆動電流を供給すると、発振前は、出射端面近傍領域の光吸収が大きいが、発振後は、出射端面近傍領域の光吸収が飽和するので、閾値電流が減少してヒステリシスができる。これにより、発光素子の光双安定性を高めることができる。
【0028】
本発明では、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。
【0029】
【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、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。
実施形態例1
本実施形態例の窒化物系化合物半導体素子は、第3の電極を備えた本発明に係る窒化物系化合物半導体素子を窒化物系半導体レーザ素子に適用した実施形態例であって、図1は本実施形態例の窒化物系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物系半導体レーザ素子10が形成されるGaN基板76は、図4(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。尚、次に説明するn型GaN基板12は、図7(a)に示すように、GaN基板76の一部である。また、80は、レーザストライプを示す。
【0030】
本実施形態例の窒化物系半導体レーザ素子10は、図1に示すように、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。
【0031】
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ストライプ状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ストライプ状n側電極30が設けてある。
【0032】
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の一方の列には、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との間の領域は、低密度欠陥領域である。
そして、n側電極30は、貫通孔を開けていないコア部12aと貫通孔32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。
【0033】
第3の電極34は、貫通孔32に設けてある。
本実施形態例では、従来通り、p側電極28とn側電極30との間に駆動電流を印加しつつ、p側電極28と第3の電極34との間に周波数数百MHz〜数GHzの高周波電流を印加する。駆動電流に高周波電流を重畳させることより、モードホッピング雑音を低減させることができる。
【0034】
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窒化物系化合物半導体素子の作製方法を上述の窒化物系半導体レーザ素子10の作製に適用した実施形態の一例であって、図2(a)から(c)は、それぞれ、本実施形態例の方法により半導体レーザ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2(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の一方の列に貫通孔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。尚、本実施形態例では、コア部12aの径より貫通孔32の径が小さい。
【0035】
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。
【0036】
次に、n型GaN基板12上に、図2(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。
【0037】
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((CH33Al)、ガリウム(Ga)の原料ガスとして、トリメチルガリウム((CH33Ga)またはトリエチルガリウム((C253Ga)、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((CH33In)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。
【0038】
次に、図2(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、ストライプ状の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、金を順次蒸着してストライプ状のn側電極30を形成する。更に、貫通孔32に第3の電極34を設ける。
所定の大きさに劈開し、共振器端面に端面反射膜(図示せず)を成膜することにより、図1に示す窒化物系半導体レーザ素子10を完成することができる。
【0039】
実施形態例2
本実施形態例の窒化物系化合物半導体素子は、第3の電極を備えた本発明に係る窒化物系化合物半導体素子を窒化物系半導体レーザ素子に適用した実施形態例であって、図3は本実施形態例の窒化物系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物系半導体レーザ素子40は、図3に示すように、出射端面42に接して第3の電極44が設けてあること、つまり、チップ化の際、第3の電極44が出射端面42に接するように、劈開されていることを除いて、実施形態例1の窒化物系半導体レーザ素子10と同じ構成を備えている。
【0040】
本実施形態例では、p側電極28からn側電極30に駆動電流を供給し、p側電極28から第3の電極44に駆動電流より電流値が小さい小電流を供給して、n側電極30及び第3の電極44とをタンデム型の電極として機能させ、発光素子の光双安定性を高める。
p側電極28とn側電極30とで挟まれた積層構造では、p側電極28からn側電極30に電流を供給することにより、光が増幅される。一方、出射端面42の近傍領域では、p側電極28から第3の電極44に供給された小電流により、光が吸収されて過飽和吸収体となる。
第3の電極44に供給する電流を一定にし、p側電極28からn側電極30に従来通り駆動電流を供給すると、発振前は、出射端面42の近傍領域の光吸収が大きいが、発振後は、出射端面42の近傍領域の光吸収が飽和するので、閾値電流が減少して、ヒステリシスができる。これにより、発光素子の光双安定性を高めることができる。
【0041】
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。
【0042】
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7(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、更には図7(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8(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7及び図8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7及び図8中、80はレーザストライプである。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、基板の高密度欠陥領域内で、欠陥密度が最も高いコア領域の基板を貫通する、又は未貫通するように設けた孔に第3の電極を設け、他方の電極と第3の電極と間に電流を供給することにより、波長、ノイズ、光双安定性等の素子特性を制御する。
これにより、コンパクトな構成で、しかも素子特性を制御するという従来にない機能を備え、簡易な工程で作製できる窒化物系化合物半導体素子を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図2】図2(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例1のGaN系半導体レーザ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3】実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図4】図4(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5】図5(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6】図6(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7】図7(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8】図8(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】
10……実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子、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、34……第3の電極、40……実施形態例2のGaN系半導体レーザ素子、42……出射端面、44……第3の電極、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。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride-based compound semiconductor device, and more specifically, a semiconductor crystal substrate having a high-density defect region penetrating the substrate in a periodic arrangement on the substrate surface as a region where the crystal defect density is higher than the surroundings. A nitride-based compound semiconductor device having a nitride-based compound semiconductor multilayer structure on the top, one electrode on the back side of the substrate, and the other electrode on the multilayer structure, and nitriding using a high-density defect region The present invention relates to a physical compound semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Nitride compound semiconductors (hereinafter referred to as nitride compound semiconductors) such as GaN, AlGaN, GaInN, AlGaInN, and AlBGaInN generally have band gap energy compared to III-V group compound semiconductors such as AlGaInAs and AlGaInP. Eg is large and it is a direct transition semiconductor.
Due to this feature, these nitride-based compound semiconductors are used as materials for producing semiconductor light-emitting elements such as semiconductor laser elements and light-emitting diodes (LEDs) that emit light in the short wavelength range from the ultraviolet region to the red region. Attention has been paid.
These semiconductor light-emitting elements are being widely applied as light sources for recording / reproducing optical pickups of high-density optical disks, light-emitting elements for full-color displays, and other light-emitting devices in fields such as environment and medicine.
[0003]
These nitride-based compound semiconductors have, for example, a high saturation rate of GaN in a high electric field region, or a nitride-based compound semiconductor is insulated as a semiconductor layer when forming a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure. A feature is that aluminum nitride (AlN) is used as the layer, and the semiconductor layer and the insulating layer can be continuously crystal-grown.
Due to this feature, nitride-based compound semiconductor devices are attracting attention as electronic devices that have high saturation drift speed and electrostatic breakdown voltage, and are excellent in high-speed operability, high-speed switching performance, large current operability, and the like.
[0004]
In addition, nitride compound semiconductors are (1) more highly conductive than GaAs, etc., and are therefore more advantageous as materials for high-power devices at high temperatures than GaAs. (2) Chemically stable materials In addition, since it has high hardness, it can be evaluated as a highly reliable element material.
[0005]
In general, when a semiconductor film is grown on a substrate, a bulk substrate similar to the growth film or having a lattice constant close to that is used as the substrate. Therefore, in the case of a nitride-based semiconductor element, for example, a GaN substrate made of the same nitride-based semiconductor is desirable. However, a GaN substrate is manufactured in a small size under ultra-high pressure and ultra-high temperature. Therefore, it is extremely difficult to produce a substrate having a large size practically.
SiC substrates, ZnO substrates, and MgAl 2 O 4 substrates have also been used as substrates for nitride-based semiconductor devices, but in general, nitride-based semiconductor devices are most often fabricated on sapphire substrates.
[0006]
The sapphire substrate is supplied with a high quality, low cost, and a size of 2 inches or more. However, the sapphire substrate has a problem of large lattice mismatch and a large difference in thermal expansion coefficient from GaN, which is a typical nitride semiconductor. In addition, the sapphire substrate is not cleaved, has low electrical conductivity, and is electrically insulated.
For example, since the lattice mismatch between sapphire and GaN is about 13%, which is large, a buffer layer is provided between the sapphire substrate and the GaN layer to alleviate the mismatch, and a good single crystal GaN layer is epitaxially grown. However, the defect density reaches, for example, about 10 8 to 10 9 cm −2 , which adversely affects the operation reliability of the semiconductor element.
[0007]
(1) Since the difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate and the GaN layer is large, if the crystal growth film is thick, the warpage of the substrate becomes large even at room temperature, and there is a concern about the occurrence of cracks. (2) The sapphire substrate has no cleaving property and it is difficult to stably form a laser facet with high specularity. Furthermore, (3) sapphire is insulative, so GaAs It is difficult to provide one electrode on the back surface of the substrate as in a semiconductor laser device, and it is necessary to provide both the p-side electrode and the n-side electrode on the nitride compound semiconductor laminated structure side on the substrate. Becomes wider and the process becomes complicated.
[0008]
In view of this, research has been actively conducted to produce a nitride compound semiconductor, in particular, a GaN single crystal substrate lattice-matched with a GaN compound semiconductor by an industrially easy method.
As one of them, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-102307 discloses that a growth surface of vapor phase growth is not in a flat state but has a three-dimensional facet structure, and the facet structure is embedded while the facet structure is maintained. Disclosed is a crystal growth method for single-crystal gallium nitride in which dislocations are reduced by growing without crystal.
According to this method, a GaN single crystal layer can be produced by growing a GaN single crystal layer on a GaAs substrate through a windowed mask and slicing the grown GaN single crystal layer.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a semiconductor element such as a nitride-based compound semiconductor element is an element capable of increasing the functionality and new functions of the element, for example, changing the wavelength (including wavelength change by frequency modulation), or an element with reduced noise. Etc. are desired.
Then, for example, by utilizing the characteristics of the above-mentioned GaN single crystal substrate or the like, these new functional elements can be manufactured in a simple process and with a small number of processes without complicating the drive power supply of the elements. Have been researched.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride-based compound semiconductor device having a new function and a structure that can be manufactured with a simple process and a small number of processes by utilizing the characteristics of a semiconductor substrate.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the course of research to solve the above-mentioned problems, the present inventor has developed GaN developed as a semiconductor substrate having a novel configuration in which high-density defect regions are regularly, for example, periodically arranged in low-density defect regions. We focused on single crystal substrates.
This GaN single crystal substrate has been developed by improving the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-102307 and controlling the position of the high-density defect region generated in the low-density defect region.
[0012]
The arrangement pattern of the high-density defect area of the developed semiconductor substrate can be freely selected. For example, the arrangement pattern of a square lattice as shown in FIG. 4A or the shape of a rectangular lattice as shown in FIG. As shown in FIG. 5B, there are an array and a hexagonal lattice array. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of a GaN substrate for explaining the high-density defect region, respectively.
Further, the arrangement pattern of the high-density defect areas is not limited to the distributed pattern as described above. For example, as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 6B, it is possible to produce a structure in which high-density defect regions are continuous in a linear shape.
[0013]
Here, a method for manufacturing a GaN single crystal substrate will be described.
The basic crystal growth mechanism of a GaN single crystal is to grow with a slope consisting of facets, and maintain and maintain the facets slope to propagate the dislocations and collect the dislocations in place. Let The region grown by this facet surface becomes a low defect region due to dislocation movement.
On the other hand, the growth is carried out with a high-density defect region with a clear boundary at the lower part of the facet slope, and dislocations gather at the boundary of the high-density defect region or inside, and disappear here. Or accumulate.
[0014]
The shape of the facet surface varies depending on the shape of the high-density defect region. When the defect area is dot-shaped, the facet surface is surrounded with the dot as the bottom, and a pit composed of the facet surface is formed.
In addition, when the defect region has a stripe shape, it becomes a triangular prism-shaped facet surface that has a stripe as a valley bottom, has facet inclined surfaces on both sides thereof, and lies sideways.
[0015]
This dense defect area can have several states. For example, it may be made of polycrystal. Moreover, although it is a single crystal, it may be slightly inclined with respect to the surrounding low defect area | region. In addition, the C axis may be inverted with respect to the surrounding low defect area. Thus, this high density defect area has a clear boundary and is distinguished from the surroundings.
By growing with this high defect density region, the growth can proceed while maintaining the facet surface without embedding the facet surface around the region.
Then, by grinding and polishing the surface of the GaN growth layer, the surface can be flattened and used as a substrate.
[0016]
This method of forming a high-density defect region can be generated by pre-forming seeds in a place where the high-density defect region is to be formed when GaN is grown on a base substrate. . As the seed, an amorphous or polycrystalline layer is formed in a micro region serving as a seed. On top of that, by growing GaN, a high-density defect region can be formed in that kind of region.
[0017]
A specific method for manufacturing the GaN single crystal substrate is as follows. First, a base substrate on which a GaN layer is grown is used. The base substrate is not necessarily specified and may be a general sapphire substrate, but a GaAs substrate or the like is preferable in consideration of removing the base substrate in a later step.
For example, seeds made of, for example, a SiO 2 layer are regularly and periodically formed on the base substrate. The shape of the seed is a dot shape or a stripe shape according to the arrangement and shape of the high-density defect region.
Thereafter, GaN is grown in a thick film by a Hydrocarbon Vapor Phase Epitaxy (HVPE). After the growth, a facet surface corresponding to the pattern shape of the seed is formed on the surface. For example, when the seed is a dot-like pattern, pits composed of facet surfaces are regularly formed, and when the seed is a stripe shape, a prism-like facet surface is formed.
[0018]
After the GaN layer is grown, the base substrate is removed, and the thick film layer of GaN is ground and polished to flatten the surface. Thereby, a GaN substrate can be manufactured. The thickness of the GaN substrate can be freely set.
The GaN substrate manufactured in this way has a C-plane as a main surface, in which a high defect density region of a predetermined size of dots or stripes is regularly formed. The single crystal region other than the high defect density region is a low dislocation density region in which the dislocation density is significantly lower than that of the high defect density region.
[0019]
The present inventor has made use of the substrate characteristics of the semiconductor substrate having the above-described novel configuration, that is, a region that cannot be handled as a component of a nitride-based compound semiconductor element because of many crystal defects. By utilizing the high-density defect region of the GaN substrate and providing a third electrode and supplying a current between the electrode on the stacked structure and the third electrode, the device characteristics of the nitride-based compound semiconductor device, For example, the inventors conceived of controlling wavelength or noise, and came to invent the present invention after the experiment.
In the above description, the semiconductor laser device has been described as an example, but this applies to all nitride-based compound semiconductor devices.
[0020]
In order to achieve the above object, the nitride-based compound semiconductor device according to the present invention has a high-density defect region penetrating the substrate in a periodic arrangement on the substrate surface as a region where the crystal defect density is higher than the surroundings. A nitride-based compound semiconductor device comprising a nitride-based compound semiconductor multilayer structure on a semiconductor crystal substrate, wherein the first and second electrodes are provided at predetermined positions on the multilayer structure,
The substrate includes a third electrode embedded in a hole provided so as to penetrate or not penetrate the core region substrate having the highest defect density in the high-density defect region,
The device characteristics are controlled by supplying a current between the other electrode and the third electrode.
[0021]
The semiconductor element is an element such as a semiconductor laser element, a semiconductor light emitting diode, or a semiconductor electronic element, and injects a drive current into the laminated structure through two or more electrodes provided at predetermined positions of the laminated structure. Thus, the element exhibits unique element characteristics. The predetermined position of the electrode means an optimum position for improving the performance of the semiconductor element.
[0022]
In the present invention, the diameter of the through hole or blind hole is arbitrary, and there is no restriction as long as the third electrode can be provided in the hole. In addition, it is not always necessary that the hole opened in the core region is a through hole, and it may be a blind hole halfway through the substrate.
The high-density defect region is a columnar region that penetrates the substrate, and the cross-sectional shape of the high-density defect region is arbitrary.
[0023]
The nitride compound semiconductor element of the present invention is a concept including a nitride semiconductor laser element, a nitride semiconductor light emitting diode, a nitride compound semiconductor electronic element, and the like.
The semiconductor crystal substrate is not limited in its composition as long as it has a high-density defect region penetrating the substrate in a periodic arrangement on the substrate surface as a region where the crystal defect density is higher than the surroundings.
The nitride-based compound semiconductor, refers Al a B b Ga c In d N (a + b + c + d = 1,0 ≦ a, b, c, d ≦ 1) a.
[0024]
The nitride compound semiconductor device according to the present invention can control device characteristics such as wavelength, noise, and optical bistability by supplying a current between the other electrode and the third electrode.
The nitride-based compound semiconductor device according to the present invention is a device that has a compact configuration, has an unprecedented function of controlling device characteristics, and can be manufactured by a simple process.
[0025]
The noise of the semiconductor laser element is related to spontaneous emission light and is generated by an unstable oscillation mode or mode competition. Conventionally, in order to reduce noise, a single longitudinal mode is performed by various methods, but a method using high-frequency superposition has been proposed. For example, when a high frequency of several hundred MHz to several GHz is superposed on the driving current of the semiconductor laser element, stable multimode oscillation occurs and mode hopping noise is reduced.
Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, when the nitride-based compound semiconductor element is a light emitting element, a driving current is applied between the other electrode and the one electrode, and the other electrode and the third electrode are applied. The high frequency current is applied between the two and the high frequency current is superimposed on the drive current, thereby reducing the noise of the light emitting element. That is, mode hopping noise can be reduced by superimposing high frequency on the third electrode.
[0026]
In another preferred embodiment of the present invention, when the nitride-based compound semiconductor element is an edge emission type light emitting element, a third electrode is provided in contact with the emission end face, and the other electrode, one electrode, And a small current smaller than the driving current is supplied between the other electrode and the third electrode so that the one electrode and the third electrode function as a tandem electrode, and the light emitting element Increases optical bistability.
[0027]
In the laminated structure sandwiched between one electrode and the other electrode of this embodiment, light is amplified by supplying a current from the other electrode to one electrode, while the third electrode is supplied from the other electrode. The light is absorbed in the region near the emission end face by the small current supplied to, thereby becoming a saturable absorber.
When the current supplied from the other electrode to the third electrode is made constant and the drive current is supplied from the other electrode to the one electrode as before, light absorption in the region near the emission end face is large before oscillation, but after oscillation, Since the light absorption in the region near the emission end face is saturated, the threshold current is reduced and hysteresis is generated. Thereby, the optical bistability of a light emitting element can be improved.
[0028]
In the present invention, the arrangement pattern of the high-density defect region is arbitrary, specifically, the high-density defect region is periodically formed on the substrate surface of the semiconductor crystal substrate, for example, a square lattice shape, a rectangular lattice shape, and It may be scattered in any arrangement of a hexagonal lattice.
In addition, the high-density defect regions are linear high-density defect regions that are periodically and spaced apart from each other on the substrate surface of the semiconductor crystal substrate, and the dotted high-density defect regions are The high-density defect area | region which is mutually arrange | positioned or intermittently arrange | positioned at linear form, or the high-density defect area | region where a high-density defect area | region extends linearly continuously may be sufficient.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the film formation method, the composition and thickness of the compound semiconductor layer, the process conditions, and the like shown in the following embodiment examples are merely examples for facilitating understanding of the present invention, and the present invention is not limited to these examples. It is not limited.
Embodiment 1
The nitride-based compound semiconductor device according to the present embodiment is an embodiment in which the nitride-based compound semiconductor device according to the present invention including the third electrode is applied to a nitride-based semiconductor laser device, and FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the nitride type semiconductor laser element of the example of this embodiment.
As shown in FIGS. 4A and 4B, the GaN substrate 76 on which the nitride-based semiconductor laser device 10 of this embodiment is formed has a so-called high-density defect region in which the crystal defect density is higher than the surrounding region. 78 has a characteristic that it penetrates the GaN substrate 76 and is present in a square square lattice arrangement on the substrate surface in a plan view. Note that the n-type GaN substrate 12 described next is a part of the GaN substrate 76 as shown in FIG. Reference numeral 80 denotes a laser stripe.
[0030]
As shown in FIG. 1, a nitride-based semiconductor laser device 10 according to the present embodiment includes a 3.0-μm thick Si-doped n-type GaN layer 14 and a 0.5-μm thick Si film on an n-type GaN substrate 12. Multiple layers comprising a doped n-type AlGaN cladding layer 16, a Si-doped n-type GaN optical waveguide layer 18 having a thickness of 0.1 μm, Ga 1-x In x N (well layer) and Ga 1-y In y N (barrier layer). 40 nm thick active layer 20 having a quantum well structure, 0.1 μm thick Mg-doped p-type GaN optical waveguide layer 22, 0.5 μm thick Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 24, and 0.5 μm thick The Mg-doped p-type GaN contact layer 26 is provided.
[0031]
On the Mg-doped p-type GaN contact layer 26, Pd (palladium), Pt (platinum), Au (gold) are sequentially deposited, and a stripe-shaped p-side electrode 28 of a multilayer metal film, and an n-type GaN substrate 12 On the back surface, a striped n-side electrode 30 of a multilayer metal film formed by sequentially depositing Ti (titanium), Pt (platinum), and Au (gold) is provided.
[0032]
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1, a through hole 32 having a diameter of 50 μm is provided in one row of the core portion 12a of the high-density defect region of the n-type GaN substrate 12. The core portion 12a is a portion having a particularly high crystal defect density among the high-density defect regions, and a region between the core portion 12a and the adjacent core portion 12a is a low-density defect region.
The n-side electrode 30 is provided so as to be positioned between the core portion 12 a that does not have a through hole and the through-hole 32, and the p-side electrode 28 is provided just above the n-side electrode 30. It is.
[0033]
The third electrode 34 is provided in the through hole 32.
In the present embodiment, as in the past, a drive current is applied between the p-side electrode 28 and the n-side electrode 30, and a frequency of several hundred MHz to several GHz is provided between the p-side electrode 28 and the third electrode 34. Apply a high frequency current. By superimposing the high-frequency current on the drive current, mode hopping noise can be reduced.
[0034]
Embodiment of Method for Manufacturing Nitride-Based Compound Semiconductor Device This embodiment is a method for manufacturing a nitride-based compound semiconductor device according to the first invention method. FIG. 2A to FIG. 2C are cross-sectional views or perspective views for each step in manufacturing a semiconductor laser device by the method of this embodiment. .
First, as shown in FIG. 2 (a), it penetrates through one row of the core portion 12a of the high-density defect region of the n-type GaN substrate 12 periodically having a high-density defect region whose crystal defect density is higher than the surrounding region. A hole 32 is provided. The core portion 12a is a portion having a particularly high crystal defect density even in the high-density defect region, and a region between the core portion 12a and the core portion 12a is a low-density defect region having a low crystal defect density.
When opening the through-hole 32, the through-hole 32 having a diameter of 50 μm that penetrates the core portion 12a is easily formed by wet etching using KOH or phosphoric acid as an etchant by using the crystal defect density. Can do. In this embodiment, the diameter of the through hole 32 is smaller than the diameter of the core portion 12a.
[0035]
The etching method for opening the through holes 32 is not limited to the wet etching method using KOH or phosphoric acid as an etchant, and a dry etching method or a thermal etching method can be applied.
[0036]
Next, on the n-type GaN substrate 12, as shown in FIG. 2B, for example, by MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition), for example, at a growth temperature of 1000 ° C., sequentially, Si-doped. The n-type GaN layer 14 is grown to a thickness of 3.0 μm, the Si-doped n-type AlGaN cladding layer 16 is grown to a thickness of 0.5 μm, and the Si-doped n-type GaN optical waveguide layer 18 is grown to a thickness of 0.1 μm.
Subsequently, the active layer 20 having a multiple quantum well structure made of, for example, Ga 1-x In x N (well layer) and Ga 1-y In y N (barrier layer) is grown to a thickness of 40 nm at a growth temperature of 800 ° C. .
Further, at a growth temperature of 1000 ° C., the Mg-doped p-type GaN optical waveguide layer 22 is sequentially formed to a thickness of 0.1 μm, the Mg-doped p-type AlGaN cladding layer 24 is formed to a thickness of 0.5 μm, and the Mg-doped p-type GaN contact layer 26 is formed. Grow 0.5 μm thick.
[0037]
The growth process of the above-mentioned GaN-based compound semiconductor layer, for example, aluminum as a raw material gas (Al), trimethyl aluminum ((CH 3) 3 Al), as a source gas of gallium (Ga), trimethyl gallium ((CH 3) 3 Ga) or triethyl gallium ((C 2 H 5) 3 Ga), ( as a raw material gas of in), trimethyl indium ((CH 3) indium 3 an in) can be used, respectively.
Further, ammonia gas (NH 3 ) as a source gas of nitrogen, monosilane gas (SiH 4 ) as a source gas of silicon, and methylbis = cyclopentadienylmagnesium (MeCP 2 Mg) or bis as a source gas of magnesium = Cyclopentadienylmagnesium (CP 2 Mg) can be used respectively.
[0038]
Next, as shown in FIG. 2C, for example, palladium, platinum, and gold are sequentially deposited on the p-type contact layer 26 to form a striped p-side electrode 28. Next, the back surface of the n-type GaN substrate 12 is polished and thinned, and then, for example, titanium, platinum, and gold are sequentially deposited on the back surface of the substrate to form a striped n-side electrode 30. Further, a third electrode 34 is provided in the through hole 32.
The nitride semiconductor laser device 10 shown in FIG. 1 can be completed by cleaving to a predetermined size and forming an end face reflecting film (not shown) on the end face of the resonator.
[0039]
Embodiment 2
The nitride-based compound semiconductor device according to this embodiment is an embodiment in which the nitride-based compound semiconductor device according to the present invention including the third electrode is applied to a nitride-based semiconductor laser device, and FIG. It is sectional drawing which shows the structure of the nitride type semiconductor laser element of the example of this embodiment.
As shown in FIG. 3, the nitride-based semiconductor laser device 40 of the present embodiment is provided with a third electrode 44 in contact with the emission end face 42, that is, the third electrode 44 in chip formation. Has the same configuration as that of the nitride-based semiconductor laser device 10 of the first embodiment except that it is cleaved so as to be in contact with the emission end face 42.
[0040]
In this embodiment, a driving current is supplied from the p-side electrode 28 to the n-side electrode 30, and a small current whose current value is smaller than the driving current is supplied from the p-side electrode 28 to the third electrode 44. 30 and the third electrode 44 are made to function as a tandem electrode, and the optical bistability of the light emitting element is enhanced.
In the laminated structure sandwiched between the p-side electrode 28 and the n-side electrode 30, light is amplified by supplying a current from the p-side electrode 28 to the n-side electrode 30. On the other hand, in the region near the emission end face 42, light is absorbed by the small current supplied from the p-side electrode 28 to the third electrode 44, and becomes a saturable absorber.
When the current supplied to the third electrode 44 is constant and the drive current is supplied from the p-side electrode 28 to the n-side electrode 30 as before, light absorption in the vicinity of the emission end face 42 is large before oscillation, but after oscillation, Since the light absorption in the region near the emission end face 42 is saturated, the threshold current is reduced and hysteresis occurs. Thereby, the optical bistability of a light emitting element can be improved.
[0041]
As long as it is within the technical scope of the present invention, the compound semiconductor layer can be epitaxially grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or the like without depending on the MOCVD method.
Moreover, although the through-hole 32 was mentioned as an example as a hole which opens the core part 12a, it does not necessarily need to be a through-hole and the blind hole drilled to the middle of the board | substrate may be sufficient.
[0042]
In the above-described embodiment, the GaN substrate 76 in which high-density defect regions are arranged in a square lattice shape is used as the GaN substrate. However, the present invention is not limited to this, and for example, as shown in FIG. A GaN substrate 82 in which density defect regions are arranged in a rectangular lattice shape, and a GaN substrate 84 in which high density defect regions are arranged in a hexagonal lattice shape as shown in FIG. 7C can be used.
Furthermore, as shown in FIGS. 8A and 8B, GaN substrates 86 and 88 in which high-density defect regions are linearly arranged can be used. 7 and 8 show the positional relationship between the high-density defect region and the laser stripe. 7 and 8, reference numeral 80 denotes a laser stripe.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, the third electrode is provided in the hole provided so as to penetrate or not penetrate the substrate in the core region having the highest defect density in the high-density defect region of the substrate, By supplying a current between the three electrodes, device characteristics such as wavelength, noise, and optical bistability are controlled.
As a result, a nitride-based compound semiconductor device that has a compact structure and has an unprecedented function of controlling device characteristics and can be manufactured by a simple process is realized.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 1;
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views or perspective views for each step in manufacturing the GaN-based semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
3 is a cross-sectional view showing a configuration of a GaN-based semiconductor laser device according to Embodiment 2. FIG.
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a cross-sectional view of a GaN substrate for explaining a high-density defect region, respectively.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing an array of a rectangular lattice and an array of a hexagonal lattice, respectively.
6 (a) and 6 (b) respectively show an arrangement in which dot-like high-density defect regions are arranged in a line in an intermittent manner, and a high-density defect region is arranged in a line in a continuous manner. FIG.
FIGS. 7 (a) to 7 (c) show sections of GaN-based semiconductor laser elements on GaN substrates in which high-density defect regions are arranged in a square lattice, a rectangular lattice, and a hexagonal lattice, respectively. FIG.
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing sections of a GaN-based semiconductor laser device on a GaN substrate in which high-density defect regions are linearly arranged, respectively.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... GaN-type semiconductor laser element of Example 1, 12 ... n-type GaN substrate, 12a ... Core part, 14 ... Si-doped n-type GaN layer, 16 ... Si-doped n-type AlGaN cladding layer, 18 ...... Si-doped n-type GaN optical waveguide layer, 20... Active layer having a multiple quantum well structure composed of Ga 1-x In x N (well layer) and Ga 1-y In y N (barrier layer), 22. ... Mg-doped p-type GaN optical waveguide layer, 24 ... Mg-doped p-type AlGaN cladding layer, 26 ... Mg-doped p-type GaN contact layer, 28 ... p-side electrode, 30 ... n-side electrode, 32 ... penetrating Hole 34... Third electrode 40... GaN-based semiconductor laser device of Example 2 42... Emitting end face 44... Third electrode 76... GaN substrate 78. Region, 80 ... Laser stripe, 82 ... ... GaN substrate in which high-density defect areas are arranged in a rectangular lattice, 84 ... GaN substrate in which high-density defect areas are arranged in a hexagonal lattice, 86, 88 ... High-density defect areas are arranged in a line GaN substrate.

Claims (7)

半導体結晶基板上に、窒化物系化合物半導体の積層構造を備える窒化物系化合物半導体発光素子であって、
前記半導体結晶基板は低密度欠陥領域と当該低密度欠陥領域内に前記半導体結晶基板面内に周期的に配列された高密度欠陥領域とからなり、
前記高密度欠陥領域は前記半導体結晶基板を貫通し、
第1の電極が前記積層構造上の所定の位置に設けられ、
第2の電極が前記半導体結晶基板の裏面に設けられ、
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設けられた孔に埋め込まれた第3の電極を備え、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に駆動電流を印加し、かつ前記第1の電極と前記第3の電極との間に電流を供給することにより波長、ノイズ又は光双安定性を制御するようにしたことを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
A semiconductor crystal substrate, a nitride-based compound semiconductor light-emitting device comprising a nitride compound semiconductor multilayer structure,
The semiconductor crystal substrate comprises a low density defect region and a high density defect region periodically arranged in the semiconductor crystal substrate surface in the low density defect region,
The high-density defect region penetrates the semiconductor crystal substrate;
A first electrode is provided at a predetermined position on the laminated structure;
A second electrode is provided on the back surface of the semiconductor crystal substrate;
A third electrode embedded in a hole provided so as to penetrate or not penetrate the core region having the highest defect density in the high-density defect region;
By applying a drive current between the first electrode and the second electrode and supplying a current between the first electrode and the third electrode, wavelength, noise or optical bistable A nitride-based compound semiconductor light-emitting device characterized by controlling the properties .
記第1の電極と前記第2の電極との間に駆動電流を印加し、かつ前記第1の電極と前記第3の電極との間に高周波電流を印加して、駆動電流に高周波電流を重畳させることによりノイズを低減するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。The driving current is applied between the front Symbol the first electrode and the second electrode, and a high-frequency current is applied between the third electrode and the first electrode, a high frequency current on the drive current The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein noise is reduced by superimposing the elements. 前記窒化物系化合物半導体発光素子が端面出射型の発光素子であって、出射端面に接して前記第3の電極を設け、前記第1の電極と前記第2の電極との間に駆動電流を、前記第1の電極と前記第3の電極との間に駆動電流より電流値の小さい小電流を供給して、前記第2の電極と前記第3の電極とをタンデム型の電極として機能させ、双安定性を高めるようにしたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系化合物半導体発光素子。The nitride-based compound semiconductor light-emitting element is an edge-emitting type light-emitting element, the third electrode is provided in contact with the emission end face, and a driving current is applied between the first electrode and the second electrode. A small current having a current value smaller than a drive current is supplied between the first electrode and the third electrode so that the second electrode and the third electrode function as a tandem electrode. 2. The nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the optical bistability is enhanced. 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から3のいずれか1項に記載の窒化物系化合物半導体発光素子4. The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the high-density defect regions are periodically scattered on a substrate surface of the semiconductor crystal substrate. 5. 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4に記載の窒化物系化合物半導体発光素子5. The high-density defect region is scattered in any arrangement of a square lattice shape, a rectangular lattice shape, and a hexagonal lattice shape on a substrate surface of the semiconductor crystal substrate. Nitride compound semiconductor light emitting device . 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から3のいずれか1項に記載の窒化物系化合物半導体発光素子4. The high-density defect region is a linear high-density defect region that is periodically and spaced apart from each other on the substrate surface of the semiconductor crystal substrate. The nitride compound semiconductor light-emitting device according to any one of the above. 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6に記載の窒化物系化合物半導体発光素子The linear high-density defect region is a linear high-density defect region in which dot-like high-density defect regions are in contact with each other or intermittently arranged in a line, or a high-density defect region is continuously linear. The nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein the nitride-based compound semiconductor light-emitting device is a high-density defect region extending in the region.
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