JPH11261106A

JPH11261106A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH11261106A
Application number: JP6107898A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsuoka; 隆志松岡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質の半導体発光素子、半導体受光素子、半
導体光変調器、およびこれらの素子を集積化した光集積
回路を安価に提供すること。【解決手段】絶縁性あるいは半絶縁性基板１上に形成さ
れた半導体装置であって、能動素子部の積層構造６〜１
１と、基板１に近い電極１５との間に、電子親和力の小
さい半導体層４と不純物が添加された電子親和力の大き
い半導体層５とよりなる積層構造を有することを特徴と
する半導体装置によって上記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性あるいは半
絶縁性基板を用いた半導体装置、特に、絶縁性あるいは
半絶縁性基板を用いることが必要である場合の素子分離
を簡便にし、基板に平行な電流路の抵抗が低い半導体装
置に関する。さらに詳しくは、本発明は、素子を構成す
る結晶層の成長基板として望まれる導電性・高結晶品質
・大面積の基板を得ることができないために、絶縁ある
いは半絶縁性基板を用いなければならない半導体発光素
子、半導体受光素子、および半導体光変調器などの半導
体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、絶縁性あるいは半絶縁性基板を用
いた半導体装置、すなわち、半導体発光素子、半導体受
光素子、半導体光変調器、およびこれらの素子を集積し
た光集積回路において、ｐ、ｎ両電極のうち、基板に近
い方の金属電極から半導体へのキャリアの注入、あるい
は引き抜きを行うとき、基板近傍の半導体層内をその膜
厚方向と垂直な方向、すなわち面内方向にキャリアが走
行することになる。このとき、半導体は金属に比べて比
抵抗が大きいため、発熱が起こる。このようにして発生
した熱が素子の劣化を早める原因となっていた。また、
発熱による温度上昇が、発光素子や受光素子の電気から
光への、あるいは光から電気へのエネルギの変換効率の
低下を招いていた。さらには、素子の温度特性をも低下
させていた。特に半導体レーザでは、この発熱やエネル
ギ変換効率の低下が、閾値電流の上昇につながってい
た。実際に発明者が作製した半絶縁性ＩｎＰ基板上のＩ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ埋め込みレーザ（T. Matsuoka,
K. Takahei, Y. Noguchi and H.Nagai, "1.5μｍ regio
n InP/GaInAsP buried heterostructure lasers on sem
i-insulating substrates", Electron. Lett., 17(198
1) 12）の場合には、室温連続発振において、絶縁性基
板を用いて基板の片面から電極を取り出した場合と導電
性基板を用いて基板の両面から両電極を取り出した場合
とでは、以下の差異が生じた。すなわち、当時、導電性
基板を用いた場合にはパルス駆動時の閾値電流が５０ｍ
Ａ以下の素子は、ヒートシンク上にマウントすると必ず
室温連続発振した。しかし、絶縁性基板を用いた場合に
は、室温連続発振のためには、パルス駆動時の閾値電流
は４０ｍＡ以下でなければならなかった。

【０００３】基板の片面側からだけから電極を取り出す
ためには、積層された複数の半導体の下部領域の層の電
極を形成しなければならない。そのとき素子特性向上の
ためには電流パスを短くことが必要である。そのため、
基板上面から素子を眺めたとき、この下部領域の電極を
なるべく上部電極に近づける必要がある。しかし、下部
電極の形成時には段差のある構造にプロセスを施すこと
になるため、微細加工が難しくなる。そのため、両電極
を近づけることは、歩留まり低下の原因ともなってい
た。加えて、キャリアの走行路のシート抵抗が高いた
め、キャリアの注入や引き抜きを高速で行えないので、
高速変調にも対応できなかった。

【０００４】さらに、素子を集積化する場合、各素子に
同じ電圧を印加できず、各素子の特性を十分に引き出せ
なかった。

【０００５】上記の従来の技術における問題点の原因
は、全て、ｐ、ｎ両電極それぞれに接続するキャリア走
行路のうち、基板に近い側の電極に接続するキャリア走
行路が、金属より比抵抗の大きい半導体層の面内方向に
あったためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためになされたものであり、その目的は、高
品質の半導体発光素子、半導体受光素子、半導体光変調
器、およびこれらの素子を集積化した光集積回路を安価
に提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、基板に近い側の電極に接続するキャリア
走行路となる導電層を、電子親和力の小さな第１の半導
体層と、不純物を添加した電子親和力の大きな第２の半
導体層とを積層することによって形成することを最も主
要な特徴とする半導体装置を提供する。第１の半導体層
としては、不純物を添加しない電子親和力の小さな半導
体層が使用できる。本発明に係る半導体装置は、従来の
技術に係る半導体装置に比べて、基板に近い側の電極に
接続するキャリア走行路の抵抗が極めて小さくなり、キ
ャリア走行路での発熱量を大幅に低減できる。また、従
来の技術に係る半導体装置に比べて、ｐとｎとの両電極
間距離を大きくしてもキャリア走行路の抵抗が大きくな
らないため、両電極を近づける必要もなく、素子作製の
歩留まりが向上する。

【０００８】本発明に係る半導体装置においては、電子
親和力の小さな第１の半導体層と、不純物を添加した電
子親和力の大きな第２の半導体層との積層を有する構造
を用いることにより、両層の界面近傍に二次元電子ガス
が生じる。二次元電子ガスのキャリア濃度は高く、か
つ、その中でのキャリアの移動度が高い。そのため、二
次元電子ガス領域での電気抵抗は、一種類の材料からな
る従来の半導体キャリア走行路よりも、遥かに低くな
る。そのため、キャリアはこの低抵抗の二次元電子ガス
領域を通るので、キャリア走行路での発熱量を大幅に低
減できる。さらに、従来の技術に係る半導体装置に比べ
て、ｐとｎとの両電極間距離を大きくしてもキャリア走
行路の抵抗が大きくならないため、両電極を近づける必
要もなく、素子作製の歩留まりが向上する。また、キャ
リア走行路の抵抗が小さいため、本キャリア走行路を用
いることにより、高速でキャリアの注入や引き抜きが可
能となり、その結果として本素子による高速変調への対
応も可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。なお本説明は一つの例示であって、本発明の精神
を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得
ることは言うまでもない。

【００１０】実施の形態１図１は本発明の第１の実施の形態を説明する図であっ
て、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振
器の軸に垂直な断面図である。ここでは、基板単結晶と
して厚さ３３０μｍの（０００１）サファイアを用い
た。素子構造は、サファイア（０００１）基板１の表面
に形成した窒化層２（窒化深さ１．２ｎｍ）、膜厚２０
ｎｍのＧａＮバッファ層３、膜厚１μｍのアンドープＧ
ａＮ層４、膜厚２μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ
_0.86Ｎ電子供給層５、膜厚０．５μｍのＳｉドープｎ型
Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６、膜厚０．１μｍのＳｉ
ドープｎ型ＧａＮ導波路層７、膜厚４０ｎｍのＩｎ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎの井戸層と膜厚７ｎｍのＧａＮバリア層３対
からなる多重量子井戸８、膜厚２０ｎｍのＭｇドープｐ
型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ伝導帯エネルギ・ステップ形成層
９、膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ導波路層１
０、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
クラッド層１１、および、膜厚０．１μｍのＭｇドープ
ｐ型ＧａＮコンタクト層１２からなる。ｐ型用の金属電
極１３として、ｐ型ＧａＮ１２上に膜厚５０ｎｍのＰｄ
と膜厚２００ｎｍのＡｕが積層されている。電極注入領
域を制限するために、幅４０μｍの開口窓を有するＳｉ
Ｏ₂電流制限絶縁層１４を用いている。また、ｎ型用の
金属電極１５として、アンドープＧａＮ４上に膜厚５０
ｎｍのＴｉと２００ｎｍのＡｕが積層されている。本素
子において、アンドープＧａＮ層４とＳｉドープｎ型Ａ
ｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ電子供給層５とが、それぞれ、上記電
子親和力の小さな第１の半導体層と不純物を添加した電
子親和力の大きな第２の半導体層とに該当する。

【００１１】次に本素子の作製法を述べる。結晶成長に
は、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用い
た。結晶成長のはじめに、サファイア基板表面を１０５
０℃で窒化した。その後、５５０℃でＧａＮバッファ層
を成長し、１０５０℃で９分間アニールすることにより
バッファ層の単結晶化を図った。次に、１０２０℃でＳ
ｉドープＧａＮ層１２までを成長した。Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎ／ＧａＮ多重量子井戸層８の成長に当たっては、イン
ジウムが取り込まれるようにするために、成長温度を８
００℃とした。また、本多重量子井戸層の保護のため
に、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ伝導帯エネルギ・
ステップ形成層９の成長に当たっても、成長温度を同じ
８００℃とした。その上の各層の成長温度は、全て１０
２０℃とした。結晶成長後、図１に示す形状に結晶層を
エッチングする方法として、塩素ガスを用いたドライエ
ッチング装置を用いた。ここで用いた装置は、高速原子
線反応性エッチング装置である。この装置では、通常フ
ォトリソグラフィ技術に用いられるＡＺ系フォトレジス
トのエッチング速度に対して、ＧａＮ系材料のエッチン
グ速度が１桁以上高い。そのため、垂直性に富んだエッ
チングが可能である。エッチング後、電子ビーム蒸着装
置を用いて、電極金属を蒸着した。電極のパタンニング
には、フォトリソグラフィ技術を用いた。

【００１２】次に、図１の構造の素子の特性について述
べる。Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ電子供給層５
の膜厚が２μｍと十分厚いため、膜厚が１μｍのアンド
ープＧａＮ層４との間の界面に常に二次元電子ガスが存
在している。そのため、ｐ、ｎ両電極間に電流を流すと
き、ｎ型金属電極１５とｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド
層６との間の電気抵抗が低くなる。そのため、電極１５
からｎ型クラッド層６に至るまでのシート抵抗が本素子
のレーザ特性を損なうことがない。そのため、発振閾値
電流の温度特性も、二次元電子ガスを用いない通常の構
造に比べて、大幅に改善された。また、高出力動作のた
めに大電流を流した場合のキャリア走行路でのジュール
熱発生による温度上昇も低減できた。

【００１３】実施の形態２図２は本発明の第２の実施の形態を説明する図であっ
て、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振
器の軸に垂直な断面図である。ここでは、基板単結晶と
して厚さ３３０μｍの（０００１）サファイアを用い
た。素子構造は、サファイア（０００１）基板１６の表
面に形成した窒化層１７（窒化深さ１．２ｎｍ）、膜厚
２０ｎｍのＧａＮバッファ層１８、膜厚１μｍのアンド
ープＧａＮ層１９、膜厚０．１μｍのＳｉドープｎ型Ａ
ｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ電子供給層２０、膜厚０．５μｍのＳ
ｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２１、膜厚
０．１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ導波路層２２、膜厚
４０ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの井戸層と膜厚７ｎｍのＧ
ａＮバリア層３対からなる多重量子井戸２３、膜厚２０
ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ伝導帯エネルギ
・ステップ形成層２４、膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ
型ＧａＮ導波路層２５、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ
型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２６、および、膜厚０．
１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２７からな
る。実施の形態１に比べて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇ
ａ_0.86Ｎ電子供給層２０の膜厚が遥かに薄いのが特徴で
ある。ｐ型用の金属電極２８として、ｐ型ＧａＮ層２７
上に膜厚５０ｎｍのＰｄと膜厚２００ｎｍのＡｕが積層
されている。電極注入領域を制限するために、実施の形
態１と同様のＳｉＯ₂電流制限絶縁層２９を用いてい
る。また、ｎ型用の金属電極３０として、アンドープＧ
ａＮ層１９上に膜厚５０ｎｍのＴｉと２００ｎｍのＡｕ
が積層されている。また、本素子は、実施の形態１には
ないゲート電極３１を有する。その電極材料および膜厚
はｎ型用の金属電極と同様である。本素子において、ア
ンドープＧａＮ層１９とＳｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ
_0.86Ｎ電子供給層２０とが、それぞれ、上記電子親和力
の小さな第１の半導体層と不純物を添加した電子親和力
の大きな第２の半導体層とに該当する。

【００１４】なお、本素子の作製法は実施の形態１と同
様である。

【００１５】次に、図２の構造の素子の特性について述
べる。Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ _0.86Ｎ電子供給層２
０の膜厚が０．１μｍと薄いため、膜厚が１μｍのアン
ドープＧａＮ層１９との間の界面には、ゲート電圧に依
存して、二次元電子ガスが存在する。すなわち、ゲート
電極３１に、ｎ型ＧａＮ用電極３０に対して大きな負の
電圧を加えると、ゲート電極直下から空乏層が広がり、
上記界面には二次元電子ガスも存在しなくなる。そのた
め、ｎ型ＧａＮからｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２
１への電流通路が遮断される。従って、ｐ、ｎ両金属電
極間に一定の電圧を印加しておき、ゲート電極に印加す
る電圧を制御することにより、レーザ発振の出力を制御
したり、レーザ発振をオン・オフすることができる。す
なわち、ゲート電圧に電気信号を入力することにより、
光信号を制御できる。このようにして、電気信号を光信
号に変換することができる。

【００１６】実施の形態３図３は本発明の第３の実施の形態を説明する図であっ
て、結晶成長方向に平行な方向を示す断面図である。こ
こでは、基板単結晶として厚さ３３０μｍの（０００
１）サファイアを用いた。素子構造は、サファイア（０
００１）基板３２の表面に形成した窒化層３３（窒化深
さ１．２ｎｍ）、膜厚２０ｎｍのＧａＮバッファ層３
４、膜厚１μｍのアンドープＧａＮ層３５、膜厚２μｍ
のＳｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ電子供給層３６、
膜厚０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラ
ッド層３７、膜厚４０ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの井戸層
と膜厚７ｎｍのＧａＮバリア層３対からなる多重量子井
戸３８、膜厚０．５μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎクラッド層３９、および、膜厚０．１μｍのＭｇ
ドープｐ型ＧａＮコンタクト層４０からなる。電極構
造、素子形成法は実施の形態１と同様である。また、本
素子にはｐ型用金属電極４１、ＳｉＯ₂電流制限絶縁層
４２、および、ｎ型用の金属電極４３が配置されてい
る。本素子は発光ダイオードを複数配列した構造をも
つ。本素子において、アンドープＧａＮ層３５とＳｉド
ープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ電子供給層３６とが、それ
ぞれ、上記電子親和力の小さな第１の半導体層と不純物
を添加した電子親和力の大きな第２の半導体層とに該当
する。

【００１７】次に、図３の構造の素子の特性について述
べる。実施の形態１と同様にＳｉドープｎ型Ａｌ_0.14Ｇ
ａ_0.86Ｎ電子供給層３６の膜厚が２μｍと十分厚いた
め、膜厚１μｍのアンドープＧａＮ層３５との間の界面
に常に二次元電子ガスが存在している。そのため、ｐ、
ｎ両電極間に電流を流すとき、ｎ型金属電極とｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３７との間の電気抵抗が低くな
る。そのため、本素子のように、同一基板上に複数の素
子が集積され、かつ、ｎ型電極を素子の一端から取り出
すような電極構造であっても、個々の素子は、単体素子
と遜色のない特性を示した。

【００１８】本実施の形態３においては、発光素子を一
次元に配列したが、二次元に配列することも可能であ
る。

【００１９】以上の実施の形態１〜３では、発光素子に
ついて述べたが、本発明は受光素子や光の半導体変調素
子にも適応できることは言うまでもない。もちろん、そ
れらを混合した素子に対しても、本発明の概念を適用で
きる。また、上記においては、ＩｎＧａＡｌＮ系材料を
用いて説明したが、ＧａＡｓ系やＩｎＰなどの他の材料
に本発明を当然適用できる。また、組成はＧａ_1-xＡｌ_x
Ｎ（０≦ｘ≦１）、Ｉｎ_1-y-zＧａ_yＡｌ_zＮ（０≦ｙ，
ｚ，ｙ＋ｚ≦１）の範囲内で適宜選ぶことができる。ま
た、ｎ型金属電極を電子親和力の小さな半導体層上に形
成したが、この電極を電子親和力の大きなｎ型電子供給
層上にわたって形成しても良い。また、基板としては、
絶縁性基板（たとえば上記のサファイア）以外に、半絶
縁性基板（たとえば半絶縁性ＩｎＰ基板）も使用するこ
とができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、絶縁基板上に形成
する半導体素子を構成する場合に必要となるシート状電
流通路を、電子親和力の小さな半導体層と不純物を添加
した電子親和力の大きな半導体層とを積層した構造を用
いることにより、シート状電流通路の抵抗を従来の構造
に比べて、著しく低減できる利点がある。その結果、素
子の温度特性を改善でき、かつ、大電流注入が可能にな
る。また、電気と光の変換効率も向上する。また、ｐと
ｎ両電極間の距離を近づける必要がないため、製作工程
が容易となり、素子作製歩留まりも向上する。また、素
子を集積したときにｎ型電極を基板の一部に形成するだ
けで良いという利点もある。さらには、前記層構造の厚
さを選択することにより、電流通路を遮断状態にした
り、導通状態にしたりすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図で
ある。

【図３】本発明に係る一次元配列半導体発光素子の構造
を示す図である。

【符号の説明】

１…サファイア（０００１）基板、２…窒化層、３…Ｇ
ａＮバッファ層、４…アンドープＧａＮ層、５…Ｓｉド
ープｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ層、６…Ｓｉドープｎ型Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、７…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層、８…
Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮバリア層からなる多重量子井
戸、９…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層、１０…Ｍ
ｇドープｐ型ＧａＮ層、１１…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎ層、１２…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、１３…
ｐ型金属電極、１４…ＳｉＯ₂層、１５…ｎ型金属電
極、１６…サファイア（０００１）基板、１７…窒化
層、１８…ＧａＮバッファ層、１９…アンドープＧａＮ
層、２０…Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0. ₁₄Ｇａ_0.86Ｎ層、２１
…Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、２２…Ｓｉドー
プｎ型ＧａＮ層、２３…Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮから
なる多重量子井戸、２４…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎ層、２５…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、２６…Ｍｇ
ドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、２７…Ｍｇドープｐ型
ＧａＮ層、２８…ｐ型金属電極、２９…ＳｉＯ₂層、３
０…ｎ型金属電極、３１…ゲート電極、３２…サファイ
ア（０００１）基板、３３…窒化層、３４…ＧａＮバッ
ファ層、３５…アンドープＧａＮ層、３６…Ｓｉドープ
ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ層、３７…Ｓｉドープｎ型Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層、３８…Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮから
なる多重量子井戸、３９…Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ層、４０…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層、４１……ｐ
型金属電極、４２…ＳｉＯ₂層、４３…ｎ型金属電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性あるいは半絶縁性基板上に形成さ
れ、横方向にキャリアを走行させるための導電層を素子
部の積層構造の下部に有する半導体装置において、前記
導電層が、電子親和力の小さい第１の半導体層と不純物
が添加された電子親和力の大きい第２の半導体層とをこ
の順に積層してなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】前記第１の半導体層がＧａＮであり、前記
第２の半導体層がＡｌＧａＮであり、前記素子部の積層
構造のうちの少なくとも１層がＩｎＧａＮから成ること
を特徴とする請求項１記載の半導体装置。