JPH10242584A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH10242584A JPH10242584A JP4523297A JP4523297A JPH10242584A JP H10242584 A JPH10242584 A JP H10242584A JP 4523297 A JP4523297 A JP 4523297A JP 4523297 A JP4523297 A JP 4523297A JP H10242584 A JPH10242584 A JP H10242584A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化ガリウム系化合物半導体の成長には一般
的にサファイア基板が用いられているが、エッチングが
ほとんど不可能な為、垂直共振器型面発光レーザを作製
する場合、反射膜を形成するのが困難である。 【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体をシリコン
基板上に成長する事により、基板をエッチングにより除
去する事が可能となり、誘電体多層反射膜を形成する事
が可能なる。 【効果】 本発明のレーザ素子は結晶成長後に反射膜を
形成出来る為、容易に且つ効率良く窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた垂直共振器型レーザダイオードを形成
する事が可能となり、その産業上の利用価値は非常に大
きい。
的にサファイア基板が用いられているが、エッチングが
ほとんど不可能な為、垂直共振器型面発光レーザを作製
する場合、反射膜を形成するのが困難である。 【解決手段】 窒化ガリウム系化合物半導体をシリコン
基板上に成長する事により、基板をエッチングにより除
去する事が可能となり、誘電体多層反射膜を形成する事
が可能なる。 【効果】 本発明のレーザ素子は結晶成長後に反射膜を
形成出来る為、容易に且つ効率良く窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた垂直共振器型レーザダイオードを形成
する事が可能となり、その産業上の利用価値は非常に大
きい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子の
うち、可視から紫外光領域に対応する窒化ガリウム系化
合物半導体（AlxGa1-x-yInyN1-zAsz(0≦x≦1,0≦y≦1,0
≦z≦1,0≦x+y≦1)）よりなる半導体発光素子に関し、
特に半導体層の積層方向に光を放射する所謂面発光型の
発光素子に係る。
うち、可視から紫外光領域に対応する窒化ガリウム系化
合物半導体（AlxGa1-x-yInyN1-zAsz(0≦x≦1,0≦y≦1,0
≦z≦1,0≦x+y≦1)）よりなる半導体発光素子に関し、
特に半導体層の積層方向に光を放射する所謂面発光型の
発光素子に係る。
【０００２】
【従来の技術】デジタルビデオディスクに代表される光
ディスクの大容量化に向けて、半導体レーザの青色から
近紫外領域への短波長化が求められている。また、青や
緑の半導体レーザや高出力発光ダイオードが実現すると
従来の赤色発光素子と合わせて光の三原色が揃う事か
ら、レーザテレビジョンや照明用光源への応用も考えら
れている。これら緑色もしくは青色の光を発するレーザ
ダイオード等の短波長発光素子の研究開発は、現在精力
的に行われている。窒化ガリウム系化合物半導体では、
長寿命・高輝度の青色光(〜2.6eV)及び緑色光(〜2.4eV)
の発光ダイオードが既に実用化され、さらにジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス誌第３
５巻（1996年）L74頁からの記載（Jpn.J.Appl.Phys.,Vo
l.35(1996)ppL74）に示されているように青紫色レーザ
ダイオード(〜3.0eV)の室温パルス発振が達成され、室
温連続発振に至る勢いである。現在開発の進められてい
る窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、サファイア基
板上に成長されており、劈開またはドライエッチングに
よりファブリ・ペロ型共振器ミラーが形成されているス
トライプ状の導波路を有する（ストライプ形の）レーザ
である。
ディスクの大容量化に向けて、半導体レーザの青色から
近紫外領域への短波長化が求められている。また、青や
緑の半導体レーザや高出力発光ダイオードが実現すると
従来の赤色発光素子と合わせて光の三原色が揃う事か
ら、レーザテレビジョンや照明用光源への応用も考えら
れている。これら緑色もしくは青色の光を発するレーザ
ダイオード等の短波長発光素子の研究開発は、現在精力
的に行われている。窒化ガリウム系化合物半導体では、
長寿命・高輝度の青色光(〜2.6eV)及び緑色光(〜2.4eV)
の発光ダイオードが既に実用化され、さらにジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス誌第３
５巻（1996年）L74頁からの記載（Jpn.J.Appl.Phys.,Vo
l.35(1996)ppL74）に示されているように青紫色レーザ
ダイオード(〜3.0eV)の室温パルス発振が達成され、室
温連続発振に至る勢いである。現在開発の進められてい
る窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、サファイア基
板上に成長されており、劈開またはドライエッチングに
よりファブリ・ペロ型共振器ミラーが形成されているス
トライプ状の導波路を有する（ストライプ形の）レーザ
である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】近年、光ディスク用の
コンパクト光源や光インターコネクトを目的とした赤か
ら赤外領域での垂直共振器形面発光半導体レーザ（VCSE
L:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の研究が
盛んに行われている。このレーザ構造では共振器を基板
と垂直方向に形成する為に、一般的に誘電体または半導
体からなる多層反射膜を発光領域を形成する半導体層の
表と裏に直接又は他の半導体層を介して形成する。
コンパクト光源や光インターコネクトを目的とした赤か
ら赤外領域での垂直共振器形面発光半導体レーザ（VCSE
L:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の研究が
盛んに行われている。このレーザ構造では共振器を基板
と垂直方向に形成する為に、一般的に誘電体または半導
体からなる多層反射膜を発光領域を形成する半導体層の
表と裏に直接又は他の半導体層を介して形成する。
【０００４】現在提案されている窒化ガリウム系化合物
半導体を用いたVCSELは、例えば特開平7-335975号公報
に示されているように結晶成長時にAlGaN半導体多層反
射膜を形成する構造である。しかしながら、この構造で
は高品質且つ精度の高い多層構造を形成する必要が有
り、非常に困難である。
半導体を用いたVCSELは、例えば特開平7-335975号公報
に示されているように結晶成長時にAlGaN半導体多層反
射膜を形成する構造である。しかしながら、この構造で
は高品質且つ精度の高い多層構造を形成する必要が有
り、非常に困難である。
【０００５】一方、誘電体反射膜を形成する場合は結晶
成長後に反射膜を蒸着等により形成する。この方法では
表面反射膜は半導体に直接形成し、裏面反射膜はエッチ
ングにより基板を除去して反射膜を形成する。しかしな
がら、一般的に窒化ガリウム系化合物半導体では基板に
化学的、物理的に非常に安定なサファイアを用いている
為に、エッチングにより基板を除去する事が非常に困難
である。また、窒化ガリウム系化合物半導体の成長温度
は1000℃程度であるため、通常のVCSELで用いられてい
るエッチングの容易なGaAsやInP基板は高温により分解
してしまう為、用いる事は出来ない。
成長後に反射膜を蒸着等により形成する。この方法では
表面反射膜は半導体に直接形成し、裏面反射膜はエッチ
ングにより基板を除去して反射膜を形成する。しかしな
がら、一般的に窒化ガリウム系化合物半導体では基板に
化学的、物理的に非常に安定なサファイアを用いている
為に、エッチングにより基板を除去する事が非常に困難
である。また、窒化ガリウム系化合物半導体の成長温度
は1000℃程度であるため、通常のVCSELで用いられてい
るエッチングの容易なGaAsやInP基板は高温により分解
してしまう為、用いる事は出来ない。
【０００６】本発明は、この様な事情を鑑み、耐熱性が
有り且つ容易に制御良くエッチングが可能な成長基板を
用いて、窒化ガリウム系化合物半導体により垂直共振機
形面発光レーザ素子を実現する事にある。
有り且つ容易に制御良くエッチングが可能な成長基板を
用いて、窒化ガリウム系化合物半導体により垂直共振機
形面発光レーザ素子を実現する事にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、エッチングが
容易で且つ１０００℃程度で変質しないシリコンに代表
されるIV族元素から成る基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた垂直共振器形面発光レーザダイオードを
作製し、裏面反射膜は裏面の対応する部分にエッチング
し、そこに誘電体反射膜を形成する事を特徴とする。
容易で且つ１０００℃程度で変質しないシリコンに代表
されるIV族元素から成る基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた垂直共振器形面発光レーザダイオードを
作製し、裏面反射膜は裏面の対応する部分にエッチング
し、そこに誘電体反射膜を形成する事を特徴とする。
【０００８】窒化ガリウム系化合物半導体、即ち、Ａ
ｌ，Ｇａ，Ｉｎ等のIII族元素とＮ，Ｐ，Ａｓ等のＶ族
元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体のうち、構成元素
として少なくともＮを含む材料のうち、緑から紫外に至
る波長領域を発光させるに好適な材料は、ウルツ鉱型の
結晶構造を有する。そのため、これらの半導体層をエピ
タキシャル成長させるに当たって立方晶系の結晶構造を
有する基板材料は適用できないものと考えられてきた。
このため、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子から
なる半導体装置（発光ダイオードやレーザ・ダイオード
等）は、サファイアを始め、ＳｉＣやＺｎＯといった六
方晶系（ウルツ鉱型は六方晶系の一種）の結晶構造を有
する基板材料上に形成されていた。即ち、エピタキシャ
ル成長における基板と半導体層の格子どうしを少しでも
整合させようとする配慮があったためである。しかしな
がら、サファイアを始め、これらの基板材料は化学的、
物理的に非常に安定であり、エッチングによる除去が非
常に困難であるため、上述のようにエッチングで基板を
除去した領域に誘電体反射膜を形成することは事実上不
可能であった。
ｌ，Ｇａ，Ｉｎ等のIII族元素とＮ，Ｐ，Ａｓ等のＶ族
元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体のうち、構成元素
として少なくともＮを含む材料のうち、緑から紫外に至
る波長領域を発光させるに好適な材料は、ウルツ鉱型の
結晶構造を有する。そのため、これらの半導体層をエピ
タキシャル成長させるに当たって立方晶系の結晶構造を
有する基板材料は適用できないものと考えられてきた。
このため、従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子から
なる半導体装置（発光ダイオードやレーザ・ダイオード
等）は、サファイアを始め、ＳｉＣやＺｎＯといった六
方晶系（ウルツ鉱型は六方晶系の一種）の結晶構造を有
する基板材料上に形成されていた。即ち、エピタキシャ
ル成長における基板と半導体層の格子どうしを少しでも
整合させようとする配慮があったためである。しかしな
がら、サファイアを始め、これらの基板材料は化学的、
物理的に非常に安定であり、エッチングによる除去が非
常に困難であるため、上述のようにエッチングで基板を
除去した領域に誘電体反射膜を形成することは事実上不
可能であった。
【０００９】一方、本発明者はサファイア上に窒化ガリ
ウム系の化合物半導体層を積層してなる半導体レーザ素
子にて、従来の即ち閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIII−
Ｖ族化合物半導体からなる発光素子と比較にならない程
の欠陥密度が存在するのにレーザ発振が可能であること
に着眼した。即ち、従来103ｃｍ-2以上の欠陥が活性層
や光導波路に存在するとレーザ発振は事実上不可能とさ
れてきたのにも係わらず、窒化ガリウム系の化合物半導
体からなる半導体レーザ素子においては活性層に光導波
路に1010ｃｍ-2以上程度の結晶欠陥があってもレーザ発
振するのである。そこで、従来の考えとは逆に窒化ガリ
ウム系の化合物半導体のエピタキシャル成長に不利な、
即ち成長すべき半導体層と全く結晶構造の異なる（立方
晶系の）結晶構造を有するシリコン基板を採用すること
を試みた。その結果、成長プロセスにおいてシリコン基
板上に窒化ガリウム系化合物半導体層のアモルファス
（非晶質）層を形成し、この層上に窒化ガリウム系化合
物半導体を結晶成長させれば、発光ダイオードはもとよ
りレーザ・ダイオードをも形成できる結果を得た。
ウム系の化合物半導体層を積層してなる半導体レーザ素
子にて、従来の即ち閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つIII−
Ｖ族化合物半導体からなる発光素子と比較にならない程
の欠陥密度が存在するのにレーザ発振が可能であること
に着眼した。即ち、従来103ｃｍ-2以上の欠陥が活性層
や光導波路に存在するとレーザ発振は事実上不可能とさ
れてきたのにも係わらず、窒化ガリウム系の化合物半導
体からなる半導体レーザ素子においては活性層に光導波
路に1010ｃｍ-2以上程度の結晶欠陥があってもレーザ発
振するのである。そこで、従来の考えとは逆に窒化ガリ
ウム系の化合物半導体のエピタキシャル成長に不利な、
即ち成長すべき半導体層と全く結晶構造の異なる（立方
晶系の）結晶構造を有するシリコン基板を採用すること
を試みた。その結果、成長プロセスにおいてシリコン基
板上に窒化ガリウム系化合物半導体層のアモルファス
（非晶質）層を形成し、この層上に窒化ガリウム系化合
物半導体を結晶成長させれば、発光ダイオードはもとよ
りレーザ・ダイオードをも形成できる結果を得た。
【００１０】窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長
は、上述のとおり１０００℃近くの高温加熱を要するた
め、シリコン基板上に形成した非晶質層が結晶化するこ
ともある。非晶質層は、結晶化の過程において基板と格
子整合が全く取れないために膨大な量の結晶欠陥を発生
し、その上部に成長される窒化ガリウム系化合物半導体
層にこれらの欠陥が延伸することでレーザ・ダイオード
が実現できないと予想したものの、現実にはレーザ発振
できたのである。
は、上述のとおり１０００℃近くの高温加熱を要するた
め、シリコン基板上に形成した非晶質層が結晶化するこ
ともある。非晶質層は、結晶化の過程において基板と格
子整合が全く取れないために膨大な量の結晶欠陥を発生
し、その上部に成長される窒化ガリウム系化合物半導体
層にこれらの欠陥が延伸することでレーザ・ダイオード
が実現できないと予想したものの、現実にはレーザ発振
できたのである。
【００１１】本発明者は、以上の発見に基づき、窒化ガ
リウム系化合物半導体からなる発光素子、特に当該半導
体層の成長方向に光を放出する発光ダイオードや面発光
型レーザ素子において基板材料として立方晶系の結晶構
造を有するＳｉ（ダイヤモンド構造）を始めとするＣ、
Ｇｅ、Ｓｂやこれらの元素を組み合わせてなる（ＳｉＧ
ｅのような）IV族元素の基板材料を利用することを着想
した。
リウム系化合物半導体からなる発光素子、特に当該半導
体層の成長方向に光を放出する発光ダイオードや面発光
型レーザ素子において基板材料として立方晶系の結晶構
造を有するＳｉ（ダイヤモンド構造）を始めとするＣ、
Ｇｅ、Ｓｂやこれらの元素を組み合わせてなる（ＳｉＧ
ｅのような）IV族元素の基板材料を利用することを着想
した。
【００１２】即ち、本発明はIV族元素からなり且つ立方
晶系の結晶構造を有する基体上に窒化ガリウム系の化合
物半導体からなる半導体領域を形成したことを特徴とす
る半導体発光素子を提供するものである。基体の定義
は、例えばＳｉ基板の場合、当該基板は勿論のこと、当
該基板上に形成されるＳｉやＳｉＧｅ等の半導体層をも
含む。当該半導体層の形成は、基板上におけるエピタキ
シャル成長でも、又は多結晶や非晶質として基板上に形
成した後で結晶化させてもよい。基体は、窒化ガリウム
系の化合物半導体が形成される部分において実質的に単
結晶であることが望ましいが、若干の結晶欠陥は許容さ
れるものでもある。また、基体にはドーパントとしてIV
族元素以外の元素を含めてもよい。
晶系の結晶構造を有する基体上に窒化ガリウム系の化合
物半導体からなる半導体領域を形成したことを特徴とす
る半導体発光素子を提供するものである。基体の定義
は、例えばＳｉ基板の場合、当該基板は勿論のこと、当
該基板上に形成されるＳｉやＳｉＧｅ等の半導体層をも
含む。当該半導体層の形成は、基板上におけるエピタキ
シャル成長でも、又は多結晶や非晶質として基板上に形
成した後で結晶化させてもよい。基体は、窒化ガリウム
系の化合物半導体が形成される部分において実質的に単
結晶であることが望ましいが、若干の結晶欠陥は許容さ
れるものでもある。また、基体にはドーパントとしてIV
族元素以外の元素を含めてもよい。
【００１３】本発明による半導体発光素子の限定された
実施態様として、上記半導体領域は、AlxGa1-x-yInyN(0
≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)混晶からなる半導体層、又
はAlxGa1-x-yInyN1-zAsz(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,0≦
x+y≦1)混晶からなる半導体層を含めるとよく、更にこ
れらの混晶組成を変えて複数層複数の半導体結晶層を積
層し、発光に係るキャリア再結合条件を最適化すること
が推奨される。なお、AlxGa1-x-yInyN1-zAsz混晶におけ
るＶ族元素の更に望ましい設定例として、0≦z＜1とす
ることを推奨する。
実施態様として、上記半導体領域は、AlxGa1-x-yInyN(0
≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)混晶からなる半導体層、又
はAlxGa1-x-yInyN1-zAsz(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,0≦
x+y≦1)混晶からなる半導体層を含めるとよく、更にこ
れらの混晶組成を変えて複数層複数の半導体結晶層を積
層し、発光に係るキャリア再結合条件を最適化すること
が推奨される。なお、AlxGa1-x-yInyN1-zAsz混晶におけ
るＶ族元素の更に望ましい設定例として、0≦z＜1とす
ることを推奨する。
【００１４】本発明による半導体発光素子の限定された
別の実施態様として、上記半導体領域を複数の半導体層
を積層して半導体発光素子を形成する場合、当該半導体
層の積層方向にファブリ・ペロー型の共振器構造を形成
して、所謂垂直共振器形面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥ
Ｌ）を構成することができる。ファブリ・ペロー型共振
器の対向し合う反射鏡は、上記半導体領域中に屈折率の
異なる半導体層を交互に積層して形成しても、半導体領
域上面又は下面に誘電体反射膜を形成しても、又は半導
体層の積層構造（前者）と誘電体反射膜（後者）を組み
合わせてもよい。特に後者において（半導体領域下面に
誘電体膜を形成する場合）、本発明の基体を採用するこ
とで半導体領域下面に接合する当該基体を除去しやすく
なる。
別の実施態様として、上記半導体領域を複数の半導体層
を積層して半導体発光素子を形成する場合、当該半導体
層の積層方向にファブリ・ペロー型の共振器構造を形成
して、所謂垂直共振器形面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥ
Ｌ）を構成することができる。ファブリ・ペロー型共振
器の対向し合う反射鏡は、上記半導体領域中に屈折率の
異なる半導体層を交互に積層して形成しても、半導体領
域上面又は下面に誘電体反射膜を形成しても、又は半導
体層の積層構造（前者）と誘電体反射膜（後者）を組み
合わせてもよい。特に後者において（半導体領域下面に
誘電体膜を形成する場合）、本発明の基体を採用するこ
とで半導体領域下面に接合する当該基体を除去しやすく
なる。
【００１５】なお、以上の本発明に関する概要説明にお
いて、窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎ等のIII族元素とＮ，Ｐ，Ａｓ等のＶ族元素からなるI
II−Ｖ族化合物半導体で構成元素として少なくともＮを
含む材料を定義する。また、半導体領域は、実質的に単
結晶の半導体層として形成されることが望ましいが、上
記基体と半導体領域との接合界面において、半導体領域
は非晶質又は多結晶の半導体層が形成されていても、又
は欠陥を含む単結晶層であっても本発明の実施を阻むも
のでない。
いて、窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎ等のIII族元素とＮ，Ｐ，Ａｓ等のＶ族元素からなるI
II−Ｖ族化合物半導体で構成元素として少なくともＮを
含む材料を定義する。また、半導体領域は、実質的に単
結晶の半導体層として形成されることが望ましいが、上
記基体と半導体領域との接合界面において、半導体領域
は非晶質又は多結晶の半導体層が形成されていても、又
は欠陥を含む単結晶層であっても本発明の実施を阻むも
のでない。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、実施例１及び２と関連図面
を参照して、本発明の望ましき実施の態様を説明する。
を参照して、本発明の望ましき実施の態様を説明する。
【００１７】＜実施例１＞本実施例では、活性層にGaIn
N-GaN超格子、基体としてシリコン基板を用いて青色の
光を発する垂直共振器型面発光レーザを作製した。
N-GaN超格子、基体としてシリコン基板を用いて青色の
光を発する垂直共振器型面発光レーザを作製した。
【００１８】図１に構造断面図を示す。図１において、
10はn型(111)シリコン基板（n=5×1018cm-3，d=100μ
ｍ)、11はアモルファスGaNバッファ層（d=20nm)、12はn
型SiドープGaNバッファ層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、
13はn型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層（n=1×1018cm
-3,d=0.5μｍ）、14はノンドープIn0.25Ga0.75N-GaN歪
量子井戸活性層(各膜厚5nm,5周期)、15はp型MgドープAl
0.1Ga0.9Nクラッド層（p=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、16
はp型MgドープGaNキャップ層（p=2×1018cm-3,d=0.2μ
ｍ）である。上記11から16までの層は、有機金属気相成
長装置を用いて基板結晶10の上に連続成長した。原料に
はTMAl(トリメチルアルミニウム)，TMGa(トリメチルガ
リウム)、TMIn(トリメチルインジウム)、NH3、SiH4及び
Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用いた。
成長温度は、アモルファスGaNバッファ11は550℃、InGa
N-GaN歪量子井戸活性層15は850℃、その他の層は1050℃
とした。
10はn型(111)シリコン基板（n=5×1018cm-3，d=100μ
ｍ)、11はアモルファスGaNバッファ層（d=20nm)、12はn
型SiドープGaNバッファ層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、
13はn型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層（n=1×1018cm
-3,d=0.5μｍ）、14はノンドープIn0.25Ga0.75N-GaN歪
量子井戸活性層(各膜厚5nm,5周期)、15はp型MgドープAl
0.1Ga0.9Nクラッド層（p=5×1017cm-3,d=0.5μｍ）、16
はp型MgドープGaNキャップ層（p=2×1018cm-3,d=0.2μ
ｍ）である。上記11から16までの層は、有機金属気相成
長装置を用いて基板結晶10の上に連続成長した。原料に
はTMAl(トリメチルアルミニウム)，TMGa(トリメチルガ
リウム)、TMIn(トリメチルインジウム)、NH3、SiH4及び
Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用いた。
成長温度は、アモルファスGaNバッファ11は550℃、InGa
N-GaN歪量子井戸活性層15は850℃、その他の層は1050℃
とした。
【００１９】成長後、図１に示す様に常法を用いて厚さ
100nmのSiO2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィ技
術により直径7μmの円形マスクを形成して、ハロゲン系
反応性イオンビームエッチング法を用いて高さ0.4μmの
円柱を形成した。次に有機金属気相成長法によりノンド
ープGaN層（n=1×1017cm-3,d=0.4μｍ）17を成長した。
SiO2膜を除去した後、p型MgドープGaN層（n=1×1018cm
-3,d=0.5μｍ）18を成長した。次にその上に電子線蒸着
法によりSiO2-Al2O3からなる反射率99%の多層反射膜19
を堆積し、通常のフォトリソグラフィ技術と溶液エッチ
ングにより先程の円柱に中心を合わせ直径10μmの円形
に形成した。この上にAu/Pt/Ti/Ni電極20を蒸着した。
100nmのSiO2膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィ技
術により直径7μmの円形マスクを形成して、ハロゲン系
反応性イオンビームエッチング法を用いて高さ0.4μmの
円柱を形成した。次に有機金属気相成長法によりノンド
ープGaN層（n=1×1017cm-3,d=0.4μｍ）17を成長した。
SiO2膜を除去した後、p型MgドープGaN層（n=1×1018cm
-3,d=0.5μｍ）18を成長した。次にその上に電子線蒸着
法によりSiO2-Al2O3からなる反射率99%の多層反射膜19
を堆積し、通常のフォトリソグラフィ技術と溶液エッチ
ングにより先程の円柱に中心を合わせ直径10μmの円形
に形成した。この上にAu/Pt/Ti/Ni電極20を蒸着した。
【００２０】次に、裏面のシリコン基板側に電極21を蒸
着し、通常のフォトリソグラフィ技術と溶液エッチング
により先程の円柱に中心を合わせ，電極およびシリコン
基板を除去しGaNバッファ層に達する直径30μmの孔を形
成した。次にその上に電子線蒸着法によりSiO2-Al2O3か
らなる反射率99%の多層反射膜22を堆積し、通常のフォ
トリソグラフィ技術とフッ酸系溶液エッチングにより、
孔の部分以外の多層膜を除去した。窒素雰囲気中にて６
００℃で３０分間アニーリング処理をした後、各素子を
分離し、レーザダイオード・チップを完成させた。
着し、通常のフォトリソグラフィ技術と溶液エッチング
により先程の円柱に中心を合わせ，電極およびシリコン
基板を除去しGaNバッファ層に達する直径30μmの孔を形
成した。次にその上に電子線蒸着法によりSiO2-Al2O3か
らなる反射率99%の多層反射膜22を堆積し、通常のフォ
トリソグラフィ技術とフッ酸系溶液エッチングにより、
孔の部分以外の多層膜を除去した。窒素雰囲気中にて６
００℃で３０分間アニーリング処理をした後、各素子を
分離し、レーザダイオード・チップを完成させた。
【００２１】室温において、ｐ型側をヒートシンク固定
したレーザダイオードに2mAの定電流を流したところ、
青色の440nmでレーザ発振した。
したレーザダイオードに2mAの定電流を流したところ、
青色の440nmでレーザ発振した。
【００２２】＜実施例２＞本実施例では、活性層にGaNA
s-GaN超格子、シリコン基板を用いて緑色の光を発する
垂直共振器型面発光レーザを作製した。
s-GaN超格子、シリコン基板を用いて緑色の光を発する
垂直共振器型面発光レーザを作製した。
【００２３】図１に構造断面図を示す。図１において、
10はn型(111)シリコン基板（n=5×1018cm-3，d=100μ
ｍ)、11はアモルファスGaNバッファ層（d=20nm)、12はn
型SiドープGaNバッファ層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、
13はn型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層（n=1×1018cm
-3,d=1μｍ）、23はノンドープGaN0.94As0.06-GaN歪量
子井戸活性層(各膜厚5nm,5周期)、15はp型MgドープAl
0.1Ga0.9Nクラッド層（p=5×1017cm-3,d=1μｍ）、16は
p型MgドープGaNキャップ層（p=2×1018cm-3,d=0.2μ
ｍ）である。上記11から16,22までの層は、有機金属気
相成長装置を用いて基板結晶10の上に連続成長した。原
料にはTMAl(トリメチルアルミニウム)、TMGa(トリメチ
ルガリウム)、TMIn(トリメチルインジウム)，NH3、As
H3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウ
ム)を用いた。成長温度は、アモルファスGaNバッファ11
は550℃、GaNAs-GaN歪量子井戸活性層23は800℃、その
他の層は1050℃とした。
10はn型(111)シリコン基板（n=5×1018cm-3，d=100μ
ｍ)、11はアモルファスGaNバッファ層（d=20nm)、12はn
型SiドープGaNバッファ層（n=1×1018cm-3,d=3μｍ）、
13はn型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層（n=1×1018cm
-3,d=1μｍ）、23はノンドープGaN0.94As0.06-GaN歪量
子井戸活性層(各膜厚5nm,5周期)、15はp型MgドープAl
0.1Ga0.9Nクラッド層（p=5×1017cm-3,d=1μｍ）、16は
p型MgドープGaNキャップ層（p=2×1018cm-3,d=0.2μ
ｍ）である。上記11から16,22までの層は、有機金属気
相成長装置を用いて基板結晶10の上に連続成長した。原
料にはTMAl(トリメチルアルミニウム)、TMGa(トリメチ
ルガリウム)、TMIn(トリメチルインジウム)，NH3、As
H3、SiH4及びCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウ
ム)を用いた。成長温度は、アモルファスGaNバッファ11
は550℃、GaNAs-GaN歪量子井戸活性層23は800℃、その
他の層は1050℃とした。
【００２４】以上の結晶成長の後、実施例１と同様の工
程を経て、レーザダイオード・チップを完成させた。
程を経て、レーザダイオード・チップを完成させた。
【００２５】室温において、ｐ型側をヒートシンク固定
したレーザダイオードに2mAの定電流を流したところ、
緑色の540nmでレーザ発振した。
したレーザダイオードに2mAの定電流を流したところ、
緑色の540nmでレーザ発振した。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ素
子は結晶成長後に反射膜を形成出来る為、容易に且つ効
率良く窒化ガリウム系化合物半導体を用いた垂直共振器
型レーザダイオードを形成する事が可能となり、その産
業上の利用価値は非常に大きい。
子は結晶成長後に反射膜を形成出来る為、容易に且つ効
率良く窒化ガリウム系化合物半導体を用いた垂直共振器
型レーザダイオードを形成する事が可能となり、その産
業上の利用価値は非常に大きい。
【００２７】また、基体材料としてＳｉ基板を用いるこ
とにより、面発光型のレーザ・ダイオードや発光ダイオ
ードに限らず、端面発光型（半導体層の成長方向に垂直
に光を輻射する構造）の発光素子においても、シリコン
デバイスとのハイブリッド化が可能となる。このため、
窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子において
も発光素子モジュールが実現される。
とにより、面発光型のレーザ・ダイオードや発光ダイオ
ードに限らず、端面発光型（半導体層の成長方向に垂直
に光を輻射する構造）の発光素子においても、シリコン
デバイスとのハイブリッド化が可能となる。このため、
窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子において
も発光素子モジュールが実現される。
【図１】実施例１に示した垂直共振器型半導体レーザの
断面図。
断面図。
【図２】実施例２に示した垂直共振器型半導体レーザの
断面俯瞰図。
断面俯瞰図。
１０…n型(111)シリコン基板、１１…アモルファスGaN
バッファ層、１２…n型SiドープGaNバッファ層、１３…
n型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層、１４…ノンドープ
In0.25Ga0.75N-GaN歪量子井戸活性層、１５…p型Mgドー
プAl0.1Ga0.9Nクラッド層、１６…p型MgドープGaNキャ
ップ層、１７…ノンドープGaN層、１８…p型MgドープGa
N層、１９…SiO2-Al2O3多層反射膜、２０…Au/Pt/Ti/Ni
電極、２１…Au/Pt/Ti/Al、２２…SiO2-Al2O3多層反射
膜、２３…ノンドープGaN0.94As0.06-GaN歪量子井戸活
性層。
バッファ層、１２…n型SiドープGaNバッファ層、１３…
n型SiドープAl0.1Ga0.9Nクラッド層、１４…ノンドープ
In0.25Ga0.75N-GaN歪量子井戸活性層、１５…p型Mgドー
プAl0.1Ga0.9Nクラッド層、１６…p型MgドープGaNキャ
ップ層、１７…ノンドープGaN層、１８…p型MgドープGa
N層、１９…SiO2-Al2O3多層反射膜、２０…Au/Pt/Ti/Ni
電極、２１…Au/Pt/Ti/Al、２２…SiO2-Al2O3多層反射
膜、２３…ノンドープGaN0.94As0.06-GaN歪量子井戸活
性層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 皆川 重量 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (4)
- 【請求項１】IV族元素からなり且つ立方晶系の結晶構造
を有する基体上に窒化ガリウム系の化合物半導体からな
る半導体領域を形成したことを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項２】上記半導体領域は、AlxGa1-x-yInyN(0≦x
≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)混晶からなる半導体層を含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】上記半導体領域は、AlxGa1-x-yInyN1-zAsz
(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,0≦x+y≦1)混晶からなる半
導体層を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に
記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】上記半導体領域は複数の半導体層を積層し
てなり、且つ上記半導体発光素子は該半導体層の積層方
向にファブリ・ペロー型の共振器構造が形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半
導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4523297A JPH10242584A (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4523297A JPH10242584A (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10242584A true JPH10242584A (ja) | 1998-09-11 |
Family
ID=12713524
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4523297A Pending JPH10242584A (ja) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10242584A (ja) |
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| WO2002069410A2 (en) | 2001-02-23 | 2002-09-06 | Nitronex Corporation | Gallium nitride material devices including backside vias and methods of fabrication |
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| US11367674B2 (en) | 2016-08-10 | 2022-06-21 | Macom Technology Solutions Holdings, Inc. | High power transistors |
-
1997
- 1997-02-28 JP JP4523297A patent/JPH10242584A/ja active Pending
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