JPH09275226A

JPH09275226A - 半導体発光素子、半導体受光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09275226A
Application number: JP900597A
Authority: JP
Inventors: Yuzaburo Ban; 雄三郎伴; Akihiko Ishibashi; 明彦石橋; Nobuyuki Kamimura; 信行上村; Hidemi Takeishi; 英見武石
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1997-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】短い波長領域での感度が高く、しかも大きな
受光電流が得られる窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体
から形成されている半導体受光素子、及び高い歩留まり
で製造できる窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体から形
成されている半導体発光素子を提供する。【解決手段】本発明による半導体受光素子は、基板７
０と、該基板７０上に形成されたＰＮ接合部と、を備え
た半導体受光素子であって、該ＰＮ接合部は、ｎ型Ｒ_x
Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）７３及びｐ型Ｒ_yＧａ_1-yＮ
（０≦_y≦１）７４から形成されており、該Ｒはアルミ
ニウムまたはホウ素を含んでいる。本発明による半導体
発光素子は、シリコン基板６０と、該シリコン基板６０
上に設けられた、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体か
ら形成されている活性層６４と、該活性層６４を挟む、
窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体から形成されている
一対のクラッド層６３、６５と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、青色領域（４００
ｎｍ付近）の半導体発光素子及び受光素子に関してお
り、特に、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体から形成
される発光素子、受光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色より短い波長領域で発光する発光素
子は、フルカラーディスプレーや、高い密度で記録可能
な光ディスク用光源として期待されている。このような
発光素子に用いられる半導体として、窒素（Ｎ）を含む
III−Ｖ族化合物半導体が注目を浴びている。

【０００３】図１３を参照しながら、従来の発光素子と
して、窒素（Ｎ）を含むIII−Ｖ族化合物半導体から形
成される半導体レーザ素子を説明する。この半導体レー
ザ素子は、サファイア（単結晶Ａｌ₂Ｏ₃）基板２００上
に、ＧａＮバッファ層２０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド
層２０２、ＩｎＧａＮ活性層２０３、ｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層２０４、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２０５を
順次積層した構造を備えている。ｐ型ＧａＮコンタクト
層２０５の上には、ｐ側電極（Ａｕ電極）２０７が形成
され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０２の一部露出部分
上に、ｎ側電極（Ａｌ電極）２０８が形成されている。

【０００４】以下に、図１４を参照しながら、従来の受
光素子として、ＰＩＮフォトダイオードを説明する。図
１４に示されるＰＩＮフォトダイオードは、ｎ⁺−Ｓｉ
基板３００と、その上に形成されたｎ−Ｓｉ層３０１
と、ｎ−Ｓｉ層３０１の受光部に形成されたｐ⁺−Ｓｉ
層（不純物拡散層）３０２とを備えている。ｎ−Ｓｉ層
３０１及びｐ⁺−Ｓｉ層３０２の上に、開口部を持った
ＳｉＯ₂層３０３が形成されている。ＳｉＯ₂層３０３上
に、ＳｉＯ₂層３０３の開口部を介してｐ⁺−Ｓｉ層３０
２に接しているｐ側電極３１１が形成されている。ｎ⁺
−Ｓｉ基板３００の裏面の全面には、ｎ側電極が形成さ
れている。

【０００５】図１４に示されるＰＩＮフォトダイオード
は、シリコン（Ｓｉ）から形成されている。ｎ⁺−Ｓｉ
基板３００にｐ型不純物をドーピングすることによって
形成されたｐ⁺−Ｓｉ層３０２とｎ−Ｓｉ層３０１との
間のＰＮ接合で、ダイオードが形成されている。ｐ⁺−
Ｓｉ層３０２及びｎ−Ｓｉ層３０１の厚さ及び不純物濃
度を変えることで、ＰＩＮフォトダイオードの分光感度
特性、周波数応答特性等をある程度変化させることがで
きる。

【０００６】図１５は、図１４の受光素子の代表的な分
光感度を示す。図１５からわかるように、Ｓｉを用いた
ＰＩＮフォトダイオードは、波長８００ｎｍ付近で最も
感度が高い。波長が８００ｎｍより長くあるいは短くな
ればなるほど、感度は小さくなる。

【０００７】分光感度を決定する要因の一つとして吸収
係数がある。図１６は、シリコンの吸収係数の波長依存
性を示す。長い波長側の遮断波長は、シリコンのバンド
ギャップエネルギーで決まる。一方、短い波長側の遮断
波長は、シリコンの吸収係数の大きさによって決まる。
シリコンの短い波長側の吸収係数は、１０⁵ｃｍ^-1とい
う値で、非常に大きい。このため、短い波長の光は、ほ
とんど半導体表面付近で吸収されてしまう。すなわち、
短い波長の光によって励起された電子−正孔対は、ＰＮ
接合部に到達する前に、表面再結合によって消滅してし
まう。このことによって、短い波長側の遮断波長が限定
される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示される従来
の半導体レーザ素子において、次のような問題点があ
る。

【０００９】サファイア基板２００は絶縁性なので、基
板２００の裏面を通して電流を流すことはできない。こ
のため、ｎ側電極２０８を形成するためには、ｎ型Ａｌ
ＧａＮクラッド層２０２、ＩｎＧａＮ活性層２０３、ｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層２０４、及びｐ型ＧａＮコンタ
クト層２０５を、部分的にエッチング除去して、一部が
露出しているｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０２上に、ｎ
側電極２０８を形成する必要があった。このため、製造
工程が複雑になり、コストが向上する。

【００１０】また、図１３の半導体レーザ素子は、サフ
ァイア基板２００上に形成されるため、へき開が困難で
ある。各々の半導体レーザ素子を分離するために、へき
開の代わりに、ドライエッチングを行わなければならな
い。このため、素子に対するダメージが大きく、歩留ま
りが低下する。

【００１１】図１４に示される従来の受光素子におい
て、次のような問題点がある。

【００１２】波長が短くなればなるほど感度が小さくな
るので、短い波長領域の光を用いる機器の実現が困難に
なる。例えば、光ディスクなどの記録媒体の記録密度を
高めるために、光源として用いられる半導体レーザ素子
の発振波長を短く（例えば、４００ｎｍ付近）する傾向
がある。このような短い波長の光を受けて、それを電気
信号に変換する受光素子の感度が低いと、Ｓ／Ｎ比が悪
くなり、高速応答ができなくなる。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的とするところは、(1) へき開により
容易にレーザ出射端面が形成できる半導体レーザ素子、
及び(2)短い波長領域（５００ｎｍ以下）の光に対し
て、高い感度を有する受光素子を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられ
た、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体から形成されて
いる活性層と、該活性層を挟む、窒素を含むIII−Ｖ族
化合物半導体から形成されている一対のクラッド層と、
を備えており、そのことにより上記目的が達成される。
ある実施形態では、前記シリコン基板の表面に、炭化珪
素層が形成されている。ある実施形態では、前記炭化珪
素層の上に、ＡｌＮ層が形成されている。

【００１５】ある実施形態では、前記活性層は、Ｉｎ_ｘ
Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）から形成されており、前記ク
ラッド層は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）から形成さ
れている。

【００１６】ある実施形態では、前記活性層のバンドギ
ャップは、前記クラッド層のバンドギャップより小さ
い。

【００１７】ある実施形態では、前記半導体発光素子
は、半導体レーザ素子である。

【００１８】本発明による半導体受光素子は、基板と、
該基板上に形成されたＰＮ接合部と、を備えた半導体受
光素子であって、該ＰＮ接合部は、ｎ型Ｒ_xＧａ_1-xＮ
（０≦ｘ≦１）及びｐ型Ｒ_yＧａ_1-yＮ（０≦_y≦１）か
ら形成されており、該Ｒはアルミニウムまたはホウ素を
含んでいる、そのことにより上記目的が達成される。

【００１９】ある実施形態では、前記基板は、シリコン
から形成されている。ある実施形態では、前記基板の表
面に、炭化珪素層が形成されている。

【００２０】ある実施形態では、前記基板上に、受光素
子部からの電気信号を増幅する増幅素子が形成されてい
る。

【００２１】ある実施形態では、前記基板の面方位は、
（１１１）面、または（１００）面である。

【００２２】本発明による半導体受光素子の製造方法
は、基板の表面に、第１導電型のＲ_xＧａ_1-xＮ層（０≦
ｘ≦１）を形成する工程と、該第１導電型の該Ｒ_xＧａ
_1-xＮ層の上に、第２導電型のＲ_yＧａ_1-yＮ層（０≦ｙ
≦１）を形成する工程と、を包含しており、該Ｒはアル
ミニウムまたはホウ素を含んでいる、そのことにより上
記目的が達成される。

【００２３】ある実施形態では、前記基板は、シリコン
から形成されており、前記第１の導電型を有する。

【００２４】ある実施形態では、前記基板の表面に、炭
化珪素層を形成する工程をさらに包含する。ある実施形
態では、前記炭化珪素層上に、ＡｌＮ層を形成する工程
をさらに包含する。

【００２５】ある実施形態では、前記基板上に、受光素
子部からの電気信号を増幅する増幅素子を形成する工程
をさらに包含する。

【００２６】ある実施形態では、前記第２導電型の前記
Ｒ_yＧａ_1-yＮ層上に、該第２導電型のコンタクト層を形
成する工程と、該コンタクト層、該Ｒ_yＧａ_1-yＮ層、及
び前記第１導電型の前記Ｒ_xＧａ_1-xＮ層を選択的にエッ
チングする工程と、前記基板上を開口部を持った絶縁膜
で覆う工程と、該絶縁膜上に、該開口部を介して該コン
タクト層に接する第１の電極を形成する工程と、該基板
の裏面に、第２の電極を形成する工程とをさらに包含す
る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を詳細
に説明する。なお、本願明細書において、「窒素及びガ
リウムを含む化合物半導体」、または「窒化ガリウム系
化合物半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）のＧａの
一部あるいは全体が他のIII族元素に置き換えられた半
導体、例えば、Ｉｎ_sＧａ_1-sＮ（０≦ｓ≦１）及びＡｌ
_tＧａ_1-tＮ（０≦ｔ≦１）を含み、各構成原子の一部が
ドーパント原子等に置き換えられた半導体や、他の不純
物が添加された半導体をも含むものとする。Ｉｎ_sＧａ
_1-sＮ及びＡｌ_tＧａ_1-tＮは、それぞれ「ＩｎＧａＮ」
及び「ＡｌＧａＮ」とも略称する。

【００２８】（第１の実施形態）図１を参照しながら、
本発明による窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とし
て、半導体レーザ素子を説明する。本明細書では、「半
導体発光素子」は、発光ダイオードや半導体レーザを含
む。本実施形態では、基板６０として、表面に炭化珪素
（ＳｉＣ）層が形成されたシリコン（Ｓｉ）を用いる。

【００２９】図１は、本実施形態の窒化ガリウム系化合
物半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。この半導体
レーザ素子は、図１に示されるように、ｎ型シリコン基
板６０と、基板６０に形成された炭化珪素層６１と、炭
化珪素層６１上に設けれた半導体積層構造６００と、発
光に必要な電流（駆動電流）を供給するための一対の電
極６８及び６９を備えている。ｎ型炭化珪素層６１は、
zinc-blende型立方晶構造を有する（ポリタイプは３Ｃ
構造である）。

【００３０】半導体積層構造体６００は、基板６０に近
い側から順番に、ｎ型ＡｌＮバッファ層６２、ｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６３、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層
６４、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６５、及びｐ型
ＧａＮコンタクト層６６を含んでいる。次に、図１の半
導体レーザ素子の製造方法を説明する。

【００３１】まず、ｎ型シリコン基板６０の表面に、ｎ
型炭化珪素（ＳｉＣ）層６１を形成する工程を説明す
る。ｎ型炭化珪素層６１の成長に、表面制御エピタキシ
ー法を用いる。より詳しくは、シリコン（Ｓｉ）と炭素
（Ｃ）とを原料として、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ
法）で数千Åの炭化珪素薄膜を成長する。その後、ＣＶ
Ｄ法を用いて、ＳｉＨ₄とＣ₃Ｈ₈とを原料として、炭化
珪素薄膜を数μｍに成長させ、図１に示されるようなｎ
型炭化珪素層６１を形成する。このように形成される炭
化珪素層６１は、良好なzinc-blende型立方晶構造を有
する単結晶である。炭化珪素層６１をｎ型にするために
は、例えば、窒素（Ｎ）を炭化珪素層６１にドーピング
すればよい。

【００３２】以下に、表面に炭化珪素層６１が形成され
たシリコン基板６０の上に、半導体積層構造６００を堆
積させる工程を説明する。本実施形態において、半導体
層の堆積に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用
いる。

【００３３】まず、表面に炭化珪素層６１がエピタキシ
ャル成長したシリコン基板６０を、炭素を含む面を表に
して、不図示のＭＯＶＰＥ装置の反応炉内の炭素製基板
ホルダ上に設置する。次に、ターボ分子ポンプ等を用い
て、装置内を高真空に排気した後、７６Ｔｏｒｒの水素
及びモノシランの混合雰囲気中で、基板温度を室温から
１１００℃程度までに昇温する。加熱方法としては、高
周波加熱または抵抗加熱が用いられる。炭素製基板ホル
ダーを加熱し、熱伝導により基板６０は加熱される。こ
の状態を３０分間保持して熱処理を行う。これによっ
て、炭化珪素層６１の炭素面にあるダングリングボンド
の一部は、水素またはモノシランが分解して生じた水素
原子によって終端される。

【００３４】次に、基板温度を１０３０℃程度に降温し
た後、装置内をアンモニア及び水素の混合ガス雰囲気に
切り替える。この時、炭化珪素層６１と炭化珪素層６１
の上に形成すべきＡｌＮ層との間の格子不整合でエピタ
キシャル成長しないダングリングボンドは、水素により
終端されたままである。このため、炭化珪素層６１の上
に、配向性が低下されない、高品質なＡｌＮのエピタキ
シャル成長層が得られる。

【００３５】その後、トリメチルアルミニウム（ＴＭ
Ａ）を約２０μモル／分の流量で追加供給し、ｎ型Ａｌ
Ｎ層６２を２μm程度成長する。ｎ型ドーパントとして
シリコン（Ｓｉ）を用い、モノシランを原料とする。ア
ンモニアの流量は、３L／分である。

【００３６】次に、基板温度を１０３０℃程度のままに
維持し、ＴＭＡの供給量を約２μモル／分に変更すると
同時に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を約１８μモル
／分供給して、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６３を
０．５μm成長する。

【００３７】次に、ＴＭＡ及びＴＭＧの供給を同時に中
止しＡｌＧａＮの成長を停止した後、基板温度を８００
℃程度に降温した後、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム
(ＴＭＩ)をそれぞれ約１μモル／分、１０μモル／分の
レートで供給し、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４を１０ｎ
ｍ程度成長する。

【００３８】次に、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止した
後、アンモニア及び水素の混合ガスの雰囲気中で再び基
板温度を１０３０℃程度に昇温し、この状態を３０分保
持して熱処理を行う。Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４は、
８００℃の低温で成長したため結晶性が悪い。Ｉｎ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４を成長させた後、１０３０℃程度
の高温で熱処理することにより、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性
層６４の結晶性が向上する。図２は、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
活性層６４の室温フォトルミネッセンス強度と、Ｉｎ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４に対する熱処理時間との関係を
示す。熱処理時間の増加に伴って、発光強度が著しく増
大し、発光効率が向上することが分かる。

【００３９】次に、ＴＭＡ及びＴＭＧをそれぞれ約２μ
モル／分、１８μモル／分供給して、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎクラッド層６５を０．５μm程度成長する。ｐ型ド
ーパントとしては、ＭｇまたはＣが用いられ、それぞれ
シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、及
びプロパンを原料とする。

【００４０】次に、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供
給量を約２０μモル／分に変更し、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層６６を１μm程度成長する。

【００４１】その後、基板温度を７００℃程度に降温
し、１気圧の窒素雰囲気中で１時間熱処理を施す。この
熱処理によって、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６５
及びｐ型ＧａＮコンタクト層６６中のＭｇアクセプター
は活性化される。

【００４２】最後に、図１に示すように、ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層６６上にｐ側電極（Ａｕ）６８、基板６０の
裏面にｎ側電極（Ｔｉ）６９を形成する。基板６０に対
して、Ｃ軸方向にへき開を施し、レーザ光出射端面を形
成する。

【００４３】本実施形態において、基板６０としてシリ
コンを用いるので、基板６０の上に立方晶の3Ｃ-ＳｉＣ
が形成できる。このため、基板６０の上に、良好な結晶
性を有する半導体積層構造６００が形成できる。

【００４４】また、基板６０としてシリコンを用いるた
め、へき開により容易にレーザ出射端面が形成でき、発
振波長が約４００ｎｍ帯の立方晶窒化ガリウム系半導体
レーザ素子が容易に作製できる。

【００４５】ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６３及び
ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６５のＡｌ組成は、０
以上であれば、注入キャリアの閉じ込め効果は得られ
る。Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４のバンドギャップは、
ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６３及びｐ型Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６５のバンドギャップより小さ
い。

【００４６】また、図３に示すように、レーザ発振の際
に光導波をより効率的にするために、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
活性層６４の上下に、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４を挟
むようなＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）ガイド層６７０
及び６７１を設けた方が好ましい。Ａｌ_xＧａ_1-xＮガイ
ド層６７０及び６７１のＡｌ組成（ｘ）は、ｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６３及びｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
クラッド層６５のＡｌ組成より小さければ良い。

【００４７】さらに、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層６４は、
クラッド層６３、６５よりもＡｌ組成の低いＡｌ_yＧａ
_1-yＮとＧａＮとによって形成される多重量子井戸であ
っても良い。この場合、ＭＯＶＰＥ法を用いて、結晶成
長中に成長温度を変化させることなく、容易にレーザ構
造を作製できる。多重量子井戸型レーザは、Ｉｎ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎ活性層６４を用いた半導体レーザよりさらに短
い波長の３６０ｎｍ帯で発振できる。このため、多重量
子井戸型レーザは、高い記録密度の光ディスク用光源と
して応用できる。

【００４８】なお、以上の説明では、半導体レーザは立
方晶の半導体結晶層から形成されているが、本発明はこ
れに限定されない。ｎ型シリコン基板上にwurzite型六
方晶のｎ型ＳｉＣ（ポリタイプは６Ｈまたは４Ｈであ
る）をエピタキシャル成長し、その上に、六方晶系の窒
化ガリウム系半導体で、図１及び図３に示すような半導
体レーザ素子を作製することも可能である。この場合、
例えば、塩素系ガスを用いてドライエッチングを行うこ
とによって、レーザ光出射端面を形成することができ
る。また、酸あるいはアルカリ水溶液に、半導体レーザ
構造を成長した基板を浸し、紫外光照射や電気分解等で
ウエットエッチングを行うことによって、レーザ光出射
端面を形成することもできる。

【００４９】なお、本実施形態の製造方法は、発光ダイ
オードの製造にも適用できる。この場合、図１及び図３
に示すような構造に共振器端面を形成する必要はない。

【００５０】（第２の実施形態）以下に、図４を参照し
ながら、本発明による受光素子の実施形態を説明する。

【００５１】図４は、本実施形態の受光素子の断面を摸
式的に示す。この受光素子は、図４に示されるように、
ｎ型シリコン（１１１）基板７０と、ｎ型炭化珪素層７
１と、ｎ型ＡｌＮバッファ層７２と、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ層（０≦ｘ≦１）７３と、ｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層（０
≦ｙ≦１）７４と、ｐ型Ｉｎ_zＧａ_1-zＮ層（０＜ｚ＜
１）７５と、開口部を持った保護膜７６と、一対の電極
７８及び７９とを備えている。

【００５２】上記構造では、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層７３
とｐ型Ａｌ_yＧａ_1-yＮ層７４とによって、ＰＮ接合が形
成されている。ｐ型Ｉｎ_zＧａ_1-zＮ層７５は、ＰＮ接合
にｐ型コンタクトを形成するための層である。保護膜７
６は、ＳｉＯ₂から形成されており、保護膜７６の開口
部を介して、ｐ側電極（Ａｕ／Ｎｉ）７８がｐ型Ｉｎ _z
Ｇａ_1-zＮ層７５に接続している。ｎ側電極（Ａｌ）
は、基板７０の裏面の全面に形成されている。

【００５３】ＰＮ接合部を構成するＡｌＧａＮのＡｌ組
成を変えることによって、すなわち、Ａｌ組成を増加さ
せることによって、分光感度（量子効率）のピーク位置
（量子効率が最大となる波長）が短い波長側へ移動す
る。これによって、短い波長領域で高い感度の素子特性
が得られる。

【００５４】分光感度のピーク位置は、ＰＮ接合部に用
いられる材料のバンドギャップエネルギー付近に対応す
る。ＰＮ接合部の材料（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）として、例え
ば、ＧａＮ（ｘ＝０）が用いられる場合、分光感度のピ
ーク位置は３６０ｎｍ、ＡｌＮ（ｘ＝１）が用いられる
場合、ピーク位置は２００ｎｍ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜
ｘ＜１）が用いられる場合は、ピーク位置は２００ｎｍ
〜３６０ｎｍの間となる。このことから、短い波長領域
では、Ｓｉを用いてＰＮ接合を形成する場合に比べて、
窒化ガリウム系半導体によってＰＮ接合を形成する方
が、より高い感度を有する受光素子が得られる。

【００５５】ＧａＮに添加する元素として、Ａｌの代わ
りにホウ素（Ｂ）を用いても、分光感度のピーク位置を
短い波長側に移動させることができる。

【００５６】また、基板７０の表面に形成された炭化珪
素層７１とその上に形成されるＡｌＧａＩｎＮ系結晶と
の間の格子定数差は約１％程度と小さいため、基板７０
上に、暗電流の原因となる欠陥が少なく、高い品質を有
する半導体結晶が形成できる。

【００５７】図５は、図４の受光素子の分光感度特性を
示す。図５から分かるように、５００ｎｍ以下の波長領
域で、シリコンを用いた受光素子の量子効率は６０〜７
０％程度であるのに対して、窒化ガリウム系半導体を用
いた受光素子の量子効率は９０％以上になっている。す
なわち、本実施形態による受光素子は、紫色から青色ま
での短い波長領域の光を効率よく受光することができ
る。

【００５８】なお、本実施形態では、基板としてシリコ
ンが用いられるが、本発明はこのことに限定されない。
窒化ガリウム系半導体によって形成されているＰＮ接合
部を、シリコン基板の代わりにサファイア基板上に設け
ても、本発明による上記効果は得られる。

【００５９】以下に、図６（ａ）〜（ｅ）を参照しなが
ら、図４の受光素子の製造方法を説明する。

【００６０】まず、ｎ型シリコン（１１１）基板７０上
に、ｎ型炭化珪素層７１を成長させる。ｎ型炭化珪素
層７１の成長に、表面制御エピタキシー法を用いる。表
面制御エピタキシー法でＳｉ基板７０上に高い品質のＳ
ｉＣエピタキシャル薄膜を形成し、その後、ＣＶＤ法で
ＳｉＣ薄膜を所望の厚さに成長させる。より詳しくは、
次のようである。

【００６１】シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを原料と
して、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）で数千Åの炭
化珪素薄膜を成長する。その後、ＣＶＤ法を用いて、Ｓ
ｉＨ₄とＣ₃Ｈ₈とを原料として、炭化珪素薄膜を成長さ
せ、図６（ａ）に示されるようなｎ型炭化珪素層７１
（厚さ：０．１〜３μm程度）を形成する。

【００６２】次に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
法）によって、図６（ｂ）に示されるように、ｎ型炭化
珪素層７１の上に、ｎ型ＡｌＮバッファ層７２（厚さ：
０．１〜０．５μm程度）、ｎ型ＡｌＧａＮ層７３（厚
さ：２〜４μm程度）、ｐ型ＡｌＧａＮ層７４（厚さ：
０．５〜２μm程度）、及びｐ型ＩｎＧａＮ層７５（厚
さ：０．５〜１μm程度）を順次エピタキシャル成長す
る。なお、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎの原料として、それぞ
れトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガ
リウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ
ｎ）、及びアンモニア（ＮＨ₃）を用いる。ｎ型不純物
及びｐ型不純物の原料として、それぞれモノシラン（Ｓ
ｉＨ₄）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２
Ｍｇ）を用いる。

【００６３】次に、図６（ｃ）に示されるように、Ｓｉ
Ｏ₂をマスクとして、Ｃ_l2とＨ₂の混合ガスを用いて、Ｅ
ＣＲ−ＲＩＢＥ法により、受光部以外の部分をｎ型Ａｌ
ＧａＮ層７３の層内までドライエッチングする。ｎ型Ａ
ｌＧａＮ層７３の層内までドライエッチングするのは、
ＰＮ接合部を保護するためである。ＰＮ接合部の側面
は、後に形成されるＳｉＯ₂膜で覆われる。

【００６４】次に、図６（ｄ）に示されるように、開口
部を持ったＳｉＯ₂保護膜７６を形成する。最後に、図
６（ｅ）に示されるように、Ｓｉ基板７０の裏面にＡｌ
でｎ側電極７９、保護膜７６の上に、保護膜７６の開口
部を介してｐ型ＩｎＧａＮ層７５に接するように、ｐ側
電極（Ａｕ／Ｎｉ）７８を形成する。以上の説明で、Ｓ
ｉ基板７０の面方位として、（１１１）面が用いられ
た。これは、ＡｌＧａＩｎＮ系結晶は六方晶系のウルツ
ァイト構造が最も安定であるからである。（１００）面
のＳｉ基板を用いても本実施形態は実現可能であり、そ
の場合、基板のへき開が容易であるため、高い歩留まり
で受光素子を製造できる。

【００６５】さらに、基板７０として、（１００）オフ
基板あるいは（１１１）オフ基板を用いてもよい。
「（１００）オフ基板」及び「（１１１）オフ基板」と
は、それぞれ（００１）面及び（１１１）面から、ある
角度で傾斜するように研磨した基板を指す。オフ基板を
用いることによって、炭化珪素層上に成長するＡｌＧａ
ＩｎＮ系半導体層の結晶性、及び光学的、電気的特性
は、（１００）ジャスト基板や（１１１）ジャスト基板
を用いる場合に比べて、格段に向上する。このため、受
光素子の暗電流が減少し、Ｓ／Ｎ比が向上する。ここ
で、「（１００）ジャスト基板」及び「（１１１）ジャ
スト基板」とは、それぞれ（００１）面及び（１１１）
面から、いずれの方向にも傾斜していない基板を指す。

【００６６】また、本実施形態において、バッファー層
としてＡｌＮ層を用いたのは、ＡｌＧａＩｎＮ系結晶の
なかで、ＡｌＮのＳｉＣとの格子定数差が最も小さいか
らである。さらに、ｐ型コンタクト層として用いられる
ＩｎＧａＮ層のＩｎの組成は、成長温度、及び原料ガス
の供給量比、すなわちＴＭＩｎとＴＭＧａの比によって
制御できる。

【００６７】（第３の実施形態）以下に、図７を参照し
ながら、本発明による受光素子の他の実施形態を説明す
る。より詳しくは、受光素子部と受光素子部からの電気
信号を増幅する増幅回路部とが、同一のシリコン基板上
に形成された増幅回路一体型受光素子を説明する。本実
施形態の受光素子部は、実質的に、上記第２の実施形態
の受光素子と同一である。

【００６８】図７は、本実施形態の増幅回路一体型受光
素子の断面を摸式的に示す。この増幅回路一体型受光素
子は、図７に示されるように、受光素子部Ａと増幅回路
部Ｂを備えている。

【００６９】受光素子部Ａは、ｎ側電極８７９が形成さ
れる位置の点で、図４の受光素子と異なる。ｎ側電極８
７９は、ｎ型ＡｌＧａＮ層７３の露出部上に形成されて
いる。これは、受光素子部Ａの横に形成される増幅回路
部Ｂと接続するためである。なお、受光素子部Ａと増幅
回路部Ｂとを接続するワイヤーなどは、図７に示されて
いない。ｎ側電極８７９以外の構成は、第２の実施形態
の場合と同様であり、その説明を省略する。

【００７０】増幅回路部Ｂは、増幅回路８００を有して
おり、受光素子部Ａの近傍のシリコン基板７０の表面領
域に形成されている。増幅回路８００は、シリコン基板
７０の表面領域に形成される代わりに、ｎ型炭化珪素層
７１上に形成されてもよい。増幅回路８００は、シリコ
ン基板７０上に形成された場合に比べて、ｎ型炭化珪素
層７１上に形成された方が、高温まで動作が可能であ
り、より実用性が高い。

【００７１】本実施形態によると、受光素子部Ａと増幅
回路部Ｂとがモノリシックに一体化されているので、受
光素子部Ａからの信号は、すぐに増幅回路部Ｂによって
増幅できる。受光素子部Ａでの受光量の強度が小さくて
も、増幅回路部Ｂにより受光量は増幅されるので、Ｓ／
Ｎ比の大きい信号が得られる。

【００７２】図８は、本実施形態による受光素子の分光
感度を示す。図１４に示されるようなシリコンでＰＮ接
合を形成している従来の受光素子によると、４００ｎｍ
付近で、量子効率１００％の場合でも０．１Ａ／Ｗ程度
の分光感度しか得られない。本実施形態によると、受光
素子部Ａのすぐ横に一体化された増幅素子で電流を増幅
できるので、図８に示されるように、４００ｎｍ付近で
０．３Ａ／Ｗ以上の分光感度が容易に得られる。このた
め、本実施形態による受光素子は、現行のＣＤ等の光デ
ィスクに適用できる。

【００７３】以下に、図９（ａ）〜（ｇ）を参照しなが
ら、図７の受光素子の製造方法を説明する。

【００７４】受光素子部Ａの形成は、第２の実施形態で
説明した方法と同様な方法を用いる。

【００７５】まず、図９（ａ）に示されるように、シリ
コン（１１１）基板７０上に、ｎ型炭化珪素層７１を成
長させる。

【００７６】その後、図９（ｂ）に示されるように、Ｍ
ＯＶＰＥ法によって、ｎ型炭化珪素層７１の上に、ｎ型
ＡｌＮバッファ層７２、ｎ型ＡｌＧａＮ層７３、ｐ型Ａ
ｌＧａＮ層７４、及びｐ型ＩｎＧａＮ層７５を順次エピ
タキシャル成長させる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、及びＮの原
料としては、第２の実施形態と同様に、それぞれトリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム
（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、及
びアンモニア（ＮＨ₃）が用いられる。また、ｎ型不純
物及びｐ型不純物の原料として、それぞれモノシラン
（ＳｉＨ₄）及びシクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ２Ｍｇ）が用いられる。

【００７７】次に、図９（ｃ）に示されるように、Ｓｉ
Ｏ₂をマスクとして、Ｃ_l2とＨ₂の混合ガスを用いて、Ｅ
ＣＲ−ＲＩＢＥ法により、受光素子部Ａ以外の部分、す
なわち増幅回路部Ｂを形成すべき部分を、基板７０が露
出するまで選択的にドライエッチングする。

【００７８】次に、図９（ｄ）に示されるように、受光
素子部Ａの受光部以外の部分をｎ型ＡｌＧａＮ層７３の
層内までドライエッチングする。

【００７９】次に、図９（ｅ）に示されるように、基
板７０上に、開口部を持ったＳｉＯ₂保護膜７６を形成
する。その後、図９（ｆ）に示されるように、ｎ型Ａｌ
ＧａＮ層７３の露出部上にＡｌでｎ側電極８７９、保護
膜７６の上に、保護膜７６の開口部を介してｐ型ＩｎＧ
ａＮ層７５に接するように、Ａｕ／Ｎｉでｐ側電極７８
を形成する。最後に、図９（ｇ）に示されるように、受
光素子部Ａの右側のＳｉ基板７０上に増幅回路８００を
形成する。

【００８０】ＡｌＧａＩｎＮ系半導体材料は耐高温性に
優れた材料であるため、通常のＳｉプロセス温度では、
増幅回路８００を最後に形成しても、受光素子部Ａを構
成する半導体層の結晶性等への影響はない。

【００８１】また、第２の実施形態と同様に、Ｓｉ基板
として、（１１１）ジャスト基板以外に（１００）ジャ
スト基板、（１１１）オフ基板、または（１００）オフ
基板を用いても、本発明による上記効果は得られる。

【００８２】（第４の実施形態）図１０〜１２を参照し
ながら、本発明による受光素子のさらに他の実施形態を
説明する。本実施形態の受光素子は、実質的に、上記第
３の実施形態の増幅回路一体型受光素子と同一である。
本実施形態において、増幅回路は、電界効果トランジス
タ９００によって形成されている。

【００８３】図１０は、本実施形態の増幅回路一体型受
光素子の斜視図である。図１１は、図１０の線１１−１
１に沿った断面を示す。この増幅回路一体型受光素子
は、図１０及び１１に示されるように、受光素子部Ａと
増幅回路部Ｂを備えている。受光素子部Ａは、実質的に
第３の実施形態の受光素子部Ａと同一であり、その説明
を省略する。以下に、増幅回路部Ｂのみについて説明す
る。

【００８４】増幅回路部Ｂは、図１１に示されるよう
に、電界効果トランジスタ９００を有する。電界効果ト
ランジスタ９００は、ｎ型基板７０の表面領域に形成さ
れたｐ型領域８０１内に位置するソース領域８０３とド
レイン領域８０２、ソース領域８０３とドレイン領域８
０２との間のｎ型チャネル８０４、ソース領域８０３に
接するソース電極８０６、ドレイン領域８０２に接する
ドレイン電極８０５、及びＳｉＯ₂絶縁膜８０７を介し
てｎ型チャネル８０４の上に形成されたゲート電極８０
８を備えている。

【００８５】電界効果トランジスタ９００は、受光素子
部Ａと同一の基板７０上にモノリシックに集積化されて
いる。図１０に示されるように、ゲート電極８０８を除
く受光素子部Ａ及び増幅回路部Ｂの表面及び周りは、Ｓ
ｉＯ₂保護膜７６によって覆われている。保護膜７６の
上に、配線メタル８０９が形成されており、受光素子部
Ａのｐ側電極（Ａｕ／Ｎｉ）７８と電界効果トランジス
タ９００のゲート電極８０８を接続している。ドレイン
電極８０５、ソース電極８０６及び配線メタル８０９
は、それぞれドレイン電極パット８１５、ソース電極パ
ット８１６及びゲート電極パット８１８によって外部に
接続されている。

【００８６】基板７０とドレイン領域８０２とは、ｐ型
領域８０１内に形成されたｎ型領域８１２を介して電気
的に接続されている。受光素子部Ａのｎ型ＡｌＧａＮ層
７３は、ｎ型ＡｌＮバッファ層７２、ｎ型炭化珪素層７
１、ｎ型シリコン基板７０、及びｎ型領域８１２を通し
て、ドレイン領域８０２に電気的に接続されている。

【００８７】上記のように受光素子部Ａと電界効果トラ
ンジスタ９００とを接続する代わりに、ｎ型ＡｌＧａＮ
層７３の露出部にｎ側電極を設けて、このｎ側電極と、
電界効果トランジスタ９００のゲート電極を配線メタル
で接続してもよい。

【００８８】図１２は、図１１の増幅回路一体型受光素
子の等価回路を示す。図１２に示されるように、受光素
子Ａは、電界効果トランジスタのソースとドレインの間
に接続されている。

【００８９】本実施形態において、電界効果トランジス
タ９００は、受光素子部Ａの近傍のシリコン基板７０の
表面領域に形成されている。このことについても、第３
の実施形態の場合と同様に、電界効果トランジスタ９０
０を、基板７０の表面領域に形成する代わりに、ｎ型炭
化珪素層７１上に形成してもよい。

【００９０】また、以上の説明では、増幅回路として電
界効果トランジスタ９００が用いられていたが、電界効
果トランジスタ９００の代わりに、トランジスタの集積
度がさらに高い他の高級な増幅回路を用いてもよい。

【００９１】

【発明の効果】本発明の半導体発光素子によると、次の
ような効果が得られる。

【００９２】基板としてシリコンを用いるので、基板上
に立方晶の３Ｃ−ＳｉＣ層が形成できる。このため、基
板の上に、良好な結晶性を有する半導体積層構造が形成
できる。しかも、へき開により容易にレーザ出射端面が
形成でき、発振波長が約４００ｎｍ帯の立方晶窒化ガリ
ウム系半導体レーザ素子が容易に作製できる。

【００９３】導電性を有するシリコン基板が用いられる
ので、基板の裏面に直接ｎ側電極を形成できる。このた
め、発光素子の製造において、工程を大幅に簡素化でき
る。

【００９４】また、本発明の受光素子によると、次のよ
うな効果が得られる。

【００９５】シリコン基板上に、窒化ガリウム系半導体
（ＡｌＧａＩｎＮ）によって受光部のＰＮ接合が形成さ
れているため、５００ｎｍ以下の短い波長領域において
も高い量子効率を有し、暗電流の小さい受光素子が得ら
れる。

【００９６】シリコン基板、またはシリコン基板上に成
長した炭化珪素層の上に、増幅回路部を形成し、受光素
子部とモノリシックに一体化できるため、素子からは大
きな信号電流が得られる。このため、本発明による受光
素子は、短い波長領域で使用する受光素子として非常に
実用性が高い。このような受光素子は、発振波長５００
ｎｍ以下のレーザ光を用いる高い記録密度の光ディスク
に使用でき、ハイビジョン用の光ディスク等の実現に大
きく寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体レーザ素子の断面図

【図２】本発明による半導体レーザ素子に対して熱処理
を行う効果を示す図

【図３】本発明による他の半導体レーザ素子の断面図

【図４】本発明による受光素子の実施形態の断面図

【図５】本発明による受光素子の分光感度特性を示す図

【図６】（ａ）から（ｅ）は、図４の受光素子の製造方
法を示す工程断面図

【図７】本発明による受光素子の他の実施形態の断面図

【図８】本発明による受光素子の分光感度特性を示す図

【図９】（ａ）から（ｇ）は、図７の受光素子の製造方
法を示す工程断面図

【図１０】本発明による受光素子のさらに他の実施形態
の斜視図

【図１１】図１０の受光素子の断面図

【図１２】図１０の受光素子の等価回路図

【図１３】従来の半導体レーザ素子の断面図

【図１４】従来のシリコンＰＩＮフォトダイオードの断
面図

【図１５】従来のシリコンＰＩＮフォトダイオードの分
光感度を示す図

【図１６】シリコンの吸収係数の波長依存性を示す図

【符号の説明】

７０ｎ型シリコン基板７１ｎ型炭化珪素層７２ｎ型ＡｌＮバッファ層７３ｎ型ＡｌＧａＮ層７４ｐ型ＡｌＧａＮ層７５ｐ型ＩｎＧａＮ層７６ＳｉＯ₂保護膜７８ｐ側電極（Ａｕ/Ｎｉ）７９ｎ側電極（Ａｌ）８００増幅回路８７９ｎ側電極（Ａｌ）３００ｎ⁺−Ｓｉ基板３０１ｎ−Ｓｉ層３０２ｐ⁺−Ｓｉ層３０３ｐ側電極３１０ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武石英見大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、該シリコン基板上に設けられた、窒素を含むIII−Ｖ族
化合物半導体から形成されている活性層と、該活性層を挟む、窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体か
ら形成されている一対のクラッド層と、を備えた半導体
発光素子。
【請求項２】前記シリコン基板の表面に、炭化珪素層
が形成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記炭化珪素層の上に、ＡｌＮ層が形成
されている請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記活性層は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ
≦１）から形成されており、前記クラッド層は、Ａｌ_y
Ｇａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）から形成されている、請求項
１から３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記活性層のバンドギャップは、前記ク
ラッド層のバンドギャップより小さい請求項１から４の
いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記半導体発光素子は、半導体レーザ素
子である請求項１から５のいずれかに記載の半導体発光
素子。
【請求項７】基板と、該基板上に形成されたＰＮ接合
部と、を備えた半導体受光素子であって、該ＰＮ接合部は、ｎ型Ｒ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）及び
ｐ型Ｒ_yＧａ_1-yＮ（０≦_y≦１）から形成されており、
該Ｒはアルミニウムまたはホウ素を含んでいる、半導体
受光素子。
【請求項８】前記基板は、シリコンから形成されてい
る請求項７に記載の半導体受光素子。
【請求項９】前記基板の表面に、炭化珪素層が形成さ
れている請求項８に記載の半導体受光素子。
【請求項１０】前記基板上に、受光素子部からの電気
信号を増幅する増幅素子が形成されている、請求項８ま
たは９に記載の半導体受光素子。
【請求項１１】前記基板の面方位は、（１１１）面、
または（１００）面である請求項８から１０のいずれか
に記載の半導体受光素子。
【請求項１２】基板の表面に、第１導電型のＲ_xＧａ
_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）を形成する工程と、該第１導電型の該Ｒ_xＧａ_1-xＮ層の上に、第２導電型の
Ｒ_yＧａ_1-yＮ層（０≦ｙ≦１）を形成する工程と、を包
含しており、該Ｒはアルミニウムまたはホウ素を含んで
いる、半導体受光素子の製造方法。
【請求項１３】前記基板は、シリコンから形成されて
おり、前記第１の導電型を有する請求項１２に記載の半
導体受光素子の製造方法。
【請求項１４】前記基板の表面に、炭化珪素層を形成
する工程をさらに包含する、請求項１３に記載の半導体
受光素子の製造方法。
【請求項１５】前記炭化珪素層上に、ＡｌＮ層を形成
する工程をさらに包含する、請求項１４に記載の半導体
受光素子の製造方法。
【請求項１６】前記基板上に、受光素子部からの電気
信号を増幅する増幅素子を形成する工程をさらに包含す
る、請求項１３から１５のいずれかに記載の半導体受光
素子の製造方法。
【請求項１７】前記第２導電型の前記Ｒ_yＧａ_1-yＮ層
上に、該第２導電型のコンタクト層を形成する工程と、該コンタクト層、該Ｒ_yＧａ_1-yＮ層、及び前記第１導電
型の前記Ｒ_xＧａ_1-xＮ層を選択的にエッチングする工程
と、前記基板上を開口部を持った絶縁膜で覆う工程と、該絶縁膜上に、該開口部を介して該コンタクト層に接す
る第１の電極を形成する工程と、該基板の裏面に、第２の電極を形成する工程と、をさら
に包含する請求項１３から１６のいずれかに記載の半導
体受光素子の製造方法。