JP7545142B2 - Optical Devices - Google Patents
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Description
本発明は、光デバイスに関する。 The present invention relates to an optical device.
レーザダイオードと、レーザダイオードの出力をモニタする光検出器を備えたレーザ装置が特許文献1に記載されている。また、非特許文献1および2には紫外線のレーザダイオードについて記載されている。
受光素子を用いてレーザダイオードの出力をリアルタイムでモニタリングし、そのモニタリング結果に基づいてレーザダイオードの駆動条件等を調整することは、レーザダイオードの安定した発光動作において重要である。特に、安価かつ量産性に優れた形態にするためには、レーザダイオードと受光素子を同一基板上にモノリシックに備えることが望まれる。 Monitoring the output of a laser diode in real time using a photodetector and adjusting the operating conditions of the laser diode based on the monitoring results is important for the stable light emission operation of the laser diode. In particular, to achieve a configuration that is inexpensive and suitable for mass production, it is desirable to have the laser diode and photodetector monolithically mounted on the same substrate.
非特許文献1および2に記載されている紫外レーザダイオード構造はpn接合によって形成される空乏層が活性層に一致しない。このため、非特許文献1および2に記載されている紫外レーザダイオード構造をそのまま受光素子として用いた場合、活性層で受光して生成された電子・正孔対は電界が印加されていないため、光電流として取り出す前に再結合して消滅してしまう。そのため、レーザダイオードの出力を受光素子でモニタリングすることが出来ないという問題がある。
In the ultraviolet laser diode structures described in
すなわち本開示の目的は、受光素子を用いてレーザダイオードの出力をリアルタイムでモニタリングすることができる光デバイスを提供することにある。 In other words, the objective of this disclosure is to provide an optical device that can monitor the output of a laser diode in real time using a light receiving element.
上記目的を達成するために、本発明の一態様よる光デバイスは、アルミニウムを含む窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成され、第1窒化物半導体積層体を有するレーザダイオードと、前記窒化物半導体基板上に形成され、第2窒化物半導体積層体を有する受光素子と、を備え、前記第1窒化物半導体積層体および前記第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、第1導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に配置され、1つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体層で形成された活性層と、前記活性層上に配置され、第2導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層と、前記第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層と、を有し、前記レーザダイオードは、前記第1窒化物半導体積層体の前記第1導電型クラッド層の露出された領域の一部に配置された第1導電型コンタクト電極と、前記第1窒化物半導体積層体の前記第2導電型コンタクト層上に配置された第2導電型コンタクト電極とを有し、前記受光素子は、前記第2窒化物半導体積層体の前記第2導電型コンタクト層に接する第1電極と第2電極を少なくとも有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。 In order to achieve the above object, an optical device according to one aspect of the present invention includes a nitride semiconductor substrate containing aluminum, a laser diode formed on the nitride semiconductor substrate and having a first nitride semiconductor stack, and a light-receiving element formed on the nitride semiconductor substrate and having a second nitride semiconductor stack, each of the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack including a first conductive type cladding layer including a nitride semiconductor layer having a first conductive type conductivity, an active layer disposed on the first conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor layer including one or more quantum wells, and a second conductive type cladding layer disposed on the active layer and formed of a nitride semiconductor layer including one or more quantum wells. and a second conductivity type contact layer arranged on the second conductivity type cladding layer, the laser diode having a first conductivity type contact electrode arranged in a portion of an exposed region of the first conductivity type cladding layer of the first nitride semiconductor stack, and a second conductivity type contact electrode arranged on the second conductivity type contact layer of the first nitride semiconductor stack, and the light receiving element has at least a first electrode and a second electrode in contact with the second conductivity type contact layer of the second nitride semiconductor stack, and at least one of the first electrode and the second electrode is a Schottky electrode.
本発明の一態様によれば、受光素子を用いてレーザダイオードの出力をリアルタイムでモニタリングすることができる。 According to one aspect of the present invention, the output of a laser diode can be monitored in real time using a light receiving element.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention will be described below through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.
<光デバイス>
本実施形態による光デバイスは、アルミニウム(Al)を含む窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成され、第1窒化物半導体積層体を有するレーザダイオードと、前記窒化物半導体基板上に形成され、第2窒化物半導体積層体を有する受光素子と、を備え、前記第1窒化物半導体積層体および前記第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、第1導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、前記第1導電型クラッド層上に配置され、1つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体層で形成された活性層と、前記活性層上に配置され、第2導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層と、前記第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層と、を有し、前記レーザダイオードは、前記第1窒化物半導体積層体の前記第1導電型クラッド層の露出された領域の一部に配置された第1導電型コンタクト電極と、前記第1窒化物半導体積層体の前記第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト電極とを有し、前記受光素子は、前記第2窒化物半導体積層体の前記第2導電型コンタクト層上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。前記第1窒化物半導体積層体の前記第1導電型クラッド層から前記第2導電型コンタクト層までの構造と、前記第2窒化物半導体積層体の前記第1導電型クラッド層から前記第2導電型コンタクト層までの構造とは同一である。
<Optical Devices>
The optical device according to the present embodiment includes a nitride semiconductor substrate including aluminum (Al), a laser diode formed on the nitride semiconductor substrate and having a first nitride semiconductor stack, and a light receiving element formed on the nitride semiconductor substrate and having a second nitride semiconductor stack, each of the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack including a first conductive type cladding layer including a nitride semiconductor layer having a first conductive type conductivity, an active layer disposed on the first conductive type cladding layer and formed of a nitride semiconductor layer including one or more quantum wells, and a second conductive type cladding layer disposed on the active layer and having a second conductive type conductivity. the laser diode has a first conductivity type contact electrode arranged in a part of an exposed region of the first conductivity type cladding layer of the first nitride semiconductor stack and a second conductivity type contact electrode arranged on the second conductivity type cladding layer of the first nitride semiconductor stack, and the light receiving element has at least a first electrode and a second electrode on the second conductivity type contact layer of the second nitride semiconductor stack, and at least one of the first electrode and the second electrode is a Schottky electrode. A structure from the first conductivity type cladding layer to the second conductivity type contact layer of the first nitride semiconductor stack is identical to a structure from the first conductivity type cladding layer to the second conductivity type contact layer of the second nitride semiconductor stack.
(基板)
本実施形態による光デバイスに備えられる基板は、Alを含む窒化物半導体を含んでいる。Alを含む窒化物半導体は、例えば窒化アルミニウム(AlN)である。すなわち、基板は、AlN単結晶基板であることが好ましい。Alを含む窒化物半導体は、AlNに限定されず、例えば窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)であってもよい。例えば、基板がAlN、AlGaN等の窒化物半導体単結晶基板である場合、基板と当該基板の上側に形成される窒化物半導体層との格子定数差が小さくなり、窒化物半導体層を格子整合系で成長させることができる。これにより、基板の貫通転位を少なくできる。基板の貫通転位密度は5×104cm-2以下であることが好ましい。特に発振電流閾値の低減の観点から1×103cm-2以上1×104cm-2以下がより好ましい。
(substrate)
The substrate provided in the optical device according to the present embodiment includes a nitride semiconductor containing Al. The nitride semiconductor containing Al is, for example, aluminum nitride (AlN). That is, the substrate is preferably an AlN single crystal substrate. The nitride semiconductor containing Al is not limited to AlN, and may be, for example, aluminum gallium nitride (AlGaN). For example, when the substrate is a nitride semiconductor single crystal substrate such as AlN or AlGaN, the difference in lattice constant between the substrate and the nitride semiconductor layer formed on the substrate becomes small, and the nitride semiconductor layer can be grown in a lattice matching system. This reduces threading dislocations in the substrate. The threading dislocation density of the substrate is preferably 5×10 4 cm −2 or less. In particular, from the viewpoint of reducing the oscillation current threshold, it is more preferable that the density is 1×10 3 cm −2 or more and 1×10 4 cm −2 or less.
ここで、「基板は…窒化物半導体を含む」という表現における「含む」とは、窒化物半導体を主に層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量(例えばガリウム(Ga)(Gaが主元素でない場合)、インジウム(In)、砒素(As)、リン(P)、またはアンチモン(Sb)等の元素を数%以下)加える等して、窒化物半導体層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成の表現においても、「含む」という文言は、同様の意味を有する。また、含まれる少量元素については前述の限りではない。 Here, the "comprises" in the expression "the substrate comprises... a nitride semiconductor" means that the layer mainly contains a nitride semiconductor, but this expression also includes cases where other elements are included. Specifically, this expression also includes cases where the composition of the nitride semiconductor layer is slightly changed by adding small amounts of other elements (for example, a few percent or less of elements such as gallium (Ga) (when Ga is not the main element), indium (In), arsenic (As), phosphorus (P), or antimony (Sb)). In expressions regarding the composition of other layers, the wording "comprises" has a similar meaning. Furthermore, the small amount of elements contained is not limited to the above.
また、基板は、ドナー不純物またはアクセプタ不純物によって、n型またはp型にドーピングされてよい。また、基板は、AlN等の窒化物半導体と、サファイア(Al2O3)、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ガリウム(Ga2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化ガリウム(GaN)または窒化インジウム(InN)との混晶であってもよい。 The substrate may be doped n-type or p-type with a donor impurity or an acceptor impurity, or may be a mixed crystal of a nitride semiconductor such as AlN and sapphire ( Al2O3 ), silicon (Si), silicon carbide (SiC), magnesium oxide (MgO), gallium oxide ( Ga2O3 ), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN), or indium nitride ( InN ).
基板は、一例として100μm以上600μm以下の層厚を有することが好ましい。また、基板の面方位は、c面(0001)、a面(11-20)、m面(10-10)などが挙げられるが、c面(0001)基板がより好ましい。さらに、c面(0001)法線方向からいくらかの角度に傾いた(例えば-4°~4°、好ましくは-0.4°~0.4°)面上にレーザダイオード及び受光素子を形成することができるが、これに限らない。 As an example, the substrate preferably has a layer thickness of 100 μm or more and 600 μm or less. The surface orientation of the substrate may be c-plane (0001), a-plane (11-20), m-plane (10-10), etc., with a c-plane (0001) substrate being more preferable. Furthermore, the laser diode and the light receiving element can be formed on a surface tilted at some angle (for example, -4° to 4°, preferably -0.4° to 0.4°) from the normal direction of the c-plane (0001), but this is not limited thereto.
(第1導電型クラッド層)
本実施形態による光デバイスに設けられた第1導電型クラッド層は、AlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。第1導電型クラッド層は、基板上に形成される。ここで、例えば「第1導電型クラッド層は基板上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板の上に第1導電型クラッド層が形成されることを意味する。また、基板と第1導電型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合も上述の表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。例えば、p型導波路層上に電子ブロック層を介して第2導電型クラッド層が形成される場合も、「第2導電型クラッド層はp型導波路層上に形成される」という表現に含まれる。
(First Conductive Type Cladding Layer)
The first conductive cladding layer provided in the optical device according to the present embodiment is a layer of a nitride semiconductor containing Al and Ga. The first conductive cladding layer is formed on a substrate. Here, for example, the word "on" in the expression "the first conductive cladding layer is formed on a substrate" means that the first conductive cladding layer is formed on the substrate. The above expression also includes the case where another layer exists between the substrate and the first conductive cladding layer. The word "on" has the same meaning in the relationship between other layers. For example, the case where the second conductive cladding layer is formed on the p-type waveguide layer via an electron block layer is also included in the expression "the second conductive cladding layer is formed on the p-type waveguide layer".
また、本実施形態の説明において、「第1導電型」および「第2導電型」は、それぞれ異なる導電型を示す半導体であることを意味し、例えば、「第1導電型」および「第2導電型」のうちの一方がn型導電性である場合は、「第1導電型」および「第2導電型」のうちの他方がp型導電性となる。特に制限されないが、第1導電型クラッド層は、例えばAlaGa(1-a)N(0<a<1)により形成される。これにより、深紫外領域のバンドギャップエネルギーに対応する材料を活性層として形成する場合に、活性層の結晶性を高め、発光効率を向上させることが可能となる。高い発光効率を実現する観点から、第1導電型クラッド層を構成する窒化物半導体は、AlNおよびGaNの混晶であることが好ましい。 In addition, in the description of this embodiment, the "first conductivity type" and the "second conductivity type" mean semiconductors exhibiting different conductivity types, and for example, when one of the "first conductivity type" and the "second conductivity type" is n-type conductivity, the other of the "first conductivity type" and the "second conductivity type" is p-type conductivity. Although not particularly limited, the first conductivity type cladding layer is formed of, for example, Al a Ga (1-a) N (0<a<1). This makes it possible to increase the crystallinity of the active layer and improve the luminous efficiency when a material corresponding to the band gap energy in the deep ultraviolet region is formed as the active layer. From the viewpoint of realizing high luminous efficiency, the nitride semiconductor constituting the first conductivity type cladding layer is preferably a mixed crystal of AlN and GaN.
また、基板に対して完全歪で成長させる観点から、第1導電型クラッド層は、AlaGa(1-a)N(0.6≦a≦0.8)により形成されることがより好ましい。第1導電型クラッド層がn型導電性半導体層の場合は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、炭素(C)、水素(H)、フッ素(F)、酸素(O)、マグネシウム(Mg)、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。 From the viewpoint of growing with complete strain on the substrate, the first conductivity type cladding layer is more preferably formed of Al a Ga (1-a) N (0.6≦a≦0.8). When the first conductivity type cladding layer is an n-type conductive semiconductor layer, impurities such as Group V elements other than N, such as P, As, Sb, carbon (C), hydrogen (H), fluorine (F), oxygen (O), magnesium (Mg), and Si may be mixed in, but the types of impurity elements are not limited to these.
電気抵抗を低減する観点および原料の入手難易度の観点から、第1導電型クラッド層に含まれる不純物はSiであることが好ましく、不純物濃度は5×1018cm-3以上5×1019cm-3であることが好ましい。 From the viewpoints of reducing electrical resistance and the ease of obtaining raw materials, the impurity contained in the first conductivity type cladding layer is preferably Si, and the impurity concentration is preferably 5×10 18 cm −3 or more and 5×10 19 cm −3 or less.
第1導電型クラッド層は、緩和の観点と膜抵抗の観点から、200nm以上800nm以下の層厚を有することが好ましく、300nm以上750nm以下の層厚を有することがより好ましく、300nm以上500nm以下であることが更に好ましい。 From the viewpoints of relaxation and film resistance, the first conductivity type cladding layer preferably has a layer thickness of 200 nm or more and 800 nm or less, more preferably 300 nm or more and 750 nm or less, and even more preferably 300 nm or more and 500 nm or less.
第1導電型クラッド層は、その縦伝導率を制御する目的などから、Al組成比を基板から遠ざかる方向に対して増加させるような傾斜層であって良い。この場合、上記のAl組成比に対する限定は、第1導電型クラッド層内、各膜厚方向位置におけるAl組成比を第1導電型クラッド層の膜厚で平均したAl組成比として、同様の実施形態を取ることができる。 The first conductivity type cladding layer may be a gradient layer in which the Al composition ratio increases in the direction away from the substrate, for the purpose of controlling its longitudinal conductivity. In this case, the above-mentioned limitation on the Al composition ratio can be the Al composition ratio averaged over the thickness of the first conductivity type cladding layer at each thickness direction position in the first conductivity type cladding layer, and a similar embodiment can be adopted.
(導波路層)
本実施形態による光デバイスでは、光閉じ込めの観点から、第1窒化物半導体積層体および第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、第1導電型クラッド層と活性層との間に配置されて、活性層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層と、第2導電型クラッド層と活性層との間に配置されて、活性層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、を有していても良い。
(Waveguide layer)
In the optical device according to the present embodiment, from the viewpoint of light confinement, each of the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack may have a first conductivity type waveguide layer disposed between the first conductivity type cladding layer and the active layer and confining light in the active layer, and a second conductivity type waveguide layer disposed between the second conductivity type cladding layer and the active layer and confining light in the active layer.
導波路層は、活性層を挟み込むように上下に形成され、活性層から放出された光を活性層内に閉じ込める効果をもつ。すなわち、導波路層は活性層に対して第1導電型クラッド層側の部分(第1導電型導波路層)と、活性層に対して第2導電型クラッド層側(第2導電型導波路層)の2層から構成される。 The waveguide layers are formed above and below the active layer, sandwiching it between them, and have the effect of confining the light emitted from the active layer within the active layer. In other words, the waveguide layer is composed of two layers: a portion on the first conductivity type cladding layer side of the active layer (first conductivity type waveguide layer), and a portion on the second conductivity type cladding layer side of the active layer (second conductivity type waveguide layer).
導波路層は、光閉じ込めの観点から、活性層よりエネルギーの高いバンドギャップを持つAlおよびGaの少なくとも1つを含む窒化物半導体であることが好ましい。導波路層は、デバイス内で定在する光の電界強度分布と活性層との重なりを増大させることが可能なAl組成比及び膜厚を有することが好ましい。特に、第1導電型導波路層と第2導電型導波路層の膜厚比は、活性層への光閉じ込めと、第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層におけるAlGaNのAl組成比とによってさまざまに取りうる。活性層へのキャリア閉じ込めの観点から、活性層をAlbGa(1-b)N(0<b<1)とし、導波路層をAlcGa(1-c)N(0<c<1)としたとき、Al組成比は、b<cであり、c≧b+0.05であることがより好ましい。たとえば発光波長が265nmの活性層を例とした場合、b=0.52であり、cは0.57以上であることが好ましい。また、光閉じ込めおよび層抵抗の観点から、第1導電型導波路層と第2導電型導波路層のそれぞれの膜厚は70~150nmであることが好ましい。 From the viewpoint of light confinement, the waveguide layer is preferably a nitride semiconductor containing at least one of Al and Ga having a band gap with a higher energy than that of the active layer. The waveguide layer preferably has an Al composition ratio and a film thickness that can increase the overlap between the electric field intensity distribution of light standing in the device and the active layer. In particular, the film thickness ratio of the first conductive type waveguide layer and the second conductive type waveguide layer can be variously taken depending on the light confinement in the active layer and the Al composition ratio of AlGaN in the first conductive type cladding layer and the second conductive type cladding layer. From the viewpoint of carrier confinement in the active layer, when the active layer is Al b Ga (1-b) N (0<b<1) and the waveguide layer is Al c Ga (1-c) N (0<c<1), it is more preferable that the Al composition ratio is b<c, and c≧b+0.05. For example, in the case of an active layer having an emission wavelength of 265 nm, it is preferable that b=0.52 and c is 0.57 or more. From the viewpoints of light confinement and layer resistance, it is preferable that the thickness of each of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer is 70 to 150 nm.
第1導電型導波路層と第2導電型導波路層のAl組成比は、膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。第2導電型コンタクト上に存在する金属への光吸収を回避するために、第2導電型導波路層のAl組成比が第1導電型導波路層のAl組成比より高くてもよい。同様の目的で、第2導電型導波路層の膜厚が第1導電型導波路の膜厚より厚くてもよい。 The Al composition ratio of the first conductivity type waveguide layer and the second conductivity type waveguide layer is preferably uniform in the film thickness direction, but is not limited to this. In order to avoid light absorption by the metal present on the second conductivity type contact, the Al composition ratio of the second conductivity type waveguide layer may be higher than the Al composition ratio of the first conductivity type waveguide layer. For the same purpose, the film thickness of the second conductivity type waveguide layer may be thicker than the film thickness of the first conductivity type waveguide.
第1導電型導波路層がn型導電性半導体層の場合は、第1導電型クラッド層と同じ伝導型を得る目的などからNの他にP、As、Sb等のN以外のV族元素,H、C、O、F、Mg、Si等の不純物が混入していて良いが、この限りではない。 When the first conductive type waveguide layer is an n-type conductive semiconductor layer, impurities such as P, As, Sb, and other Group V elements other than N, H, C, O, F, Mg, and Si may be mixed in addition to N in order to obtain the same conductivity type as the first conductive type cladding layer, but this is not limited to the above.
(活性層)
活性層は、第1導電型導波路層と第2導電型導波路層によって挟まれたAlおよびGaを含む窒化物半導体の層である。活性層に含まれる窒化物半導体は、高い発光効率を実現する観点から、例えばAlN、GaNの混晶であることが好ましく、例えばAlbGa(1-b)N(0<b<1)により形成される。活性層には、Nの他に、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、この限りではない。
(Active layer)
The active layer is a layer of a nitride semiconductor containing Al and Ga sandwiched between a first conductivity type waveguide layer and a second conductivity type waveguide layer. From the viewpoint of realizing high light emission efficiency, the nitride semiconductor contained in the active layer is preferably a mixed crystal of, for example, AlN and GaN, and is formed, for example, of Al b Ga (1-b) N (0<b<1). In addition to N, the active layer may contain impurities such as P, As, Sb, and other group V elements other than N, and C, H, F, O, Mg, and Si, but is not limited thereto.
また、活性層は、多重量子井戸構造および単層量子井戸構造のいずれの構造も取り得る。第1導電型クラッド層および第2導電型クラッド層のそれぞれの縦伝導率によって異なるが、量子井戸構造の数は好ましくは1から3のいずれかである。活性層の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、活性層の一部または全てにSi,Sb,Pなどの元素が1×1015cm-3以上の不純物濃度で含まれていても良い。 The active layer may have either a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. The number of quantum well structures is preferably 1 to 3, depending on the longitudinal conductivity of the first and second conductive cladding layers. For the purpose of reducing the influence of crystal defects in the active layer, a part or the whole of the active layer may contain elements such as Si, Sb, P, etc. at an impurity concentration of 1×10 15 cm -3 or more.
(第2導電型クラッド層)
第2導電型クラッド層は、活性層および導波路層上に形成され、第2導電型の導電性を有するAlおよびGaを含む窒化物半導体層である。第2導電型クラッド層は、例えばAdGa(1-d)N(0<d<1)を含む。これにより、このような第2導電型クラッド層は、導波路層に対して格子整合が容易であり、貫通転位密度の抑制が可能となる。
(Second Conductive Type Cladding Layer)
The second conductivity type cladding layer is formed on the active layer and the waveguide layer, and is a nitride semiconductor layer having second conductivity type conductivity, containing Al and Ga. The second conductivity type cladding layer contains, for example, A d Ga (1-d) N (0<d<1). This allows the second conductivity type cladding layer to easily lattice match with the waveguide layer, and makes it possible to suppress threading dislocation density.
第2導電型クラッド層は、正孔を活性層へ注入するに足りる導電性を有しており、光デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と活性層との重なりを増大させる(すなわち光閉じ込めを増大させる)ことが可能であれば、特に限定はされない。たとえば、Mgをドーピングしたp型AlGaNであってよい。また、第2導電型クラッド層がp型導電性半導体層の場合は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、C、H、F、O、Mg、Si等の不純物が混入していてよいが、不純物元素の種類としてはこの限りではない。 The second conductive cladding layer is not particularly limited as long as it has sufficient conductivity to inject holes into the active layer and can increase the overlap between the electric field intensity distribution of the optical mode present in the optical device and the active layer (i.e., increase the optical confinement). For example, it may be p-type AlGaN doped with Mg. In addition, when the second conductive cladding layer is a p-type conductive semiconductor layer, it may contain impurities such as group V elements other than N, such as P, As, and Sb, and C, H, F, O, Mg, and Si, but the types of impurity elements are not limited to these.
より正孔を効率よく活性層へ注入する観点から、第2導電型クラッド層は、Al組成比eが基板の上面から遠ざかる方向へ減少する(すなわち基板から遠ざかるにつれてAl組成比が小さくなる)様に組成傾斜したAleGa(1-e)Nで形成された組成傾斜層(第2導電型縦伝導層(例えばp型縦伝導層)と、AlfGa(1-f)N(0<f≦1)を含む第2導電型横伝導層(例えばp型横伝導層)とを有することが好ましい。第2導電型縦伝導層におけるAl組成比fのプロファイル(傾斜)は、連続的に減少してもよいし、断続的に減少してもよい。ここで、「断続的に減少する」とは、第2導電型縦伝導層の膜中にAl組成比eが同じになっている部分を含むことを意味する。つまり、第2導電型縦伝導層には、基板から遠ざかる方向にAl組成比eが減少しない部分が含まれていてもよいが、増加する部分は含まれていない。また、第2導電型縦伝導層は、0.5μm未満の膜厚を有していてもよい。 From the viewpoint of more efficient hole injection into the active layer, the second conductive type cladding layer is a compositionally graded layer (a second conductive type vertical conductive layer (e.g., a p-type vertical conductive layer) and a compositionally graded layer (a second conductive type vertical conductive layer (e.g., a p-type vertical conductive layer)) formed of Al e Ga (1-e) N having a compositional gradient such that the Al compositional ratio e decreases in the direction away from the upper surface of the substrate (i.e., the Al compositional ratio decreases as it moves away from the substrate ) . N (0<f≦1), and a second-conductivity-type lateral conduction layer (e.g., a p-type lateral conduction layer). The profile (slope) of the Al composition ratio f in the second-conductivity-type vertical conduction layer may decrease continuously or may decrease intermittently. Here, "intermittently decreasing" means that the second-conductivity-type vertical conduction layer includes a portion in which the Al composition ratio e is the same. In other words, the second-conductivity-type vertical conduction layer may include a portion in which the Al composition ratio e does not decrease in the direction away from the substrate, but does not include a portion in which the Al composition ratio e increases. The second-conductivity-type vertical conduction layer may have a thickness of less than 0.5 μm.
受光素子において効率的に光を電子・正孔対に変換する観点から、第2導電型縦伝導層は、少なくとも活性層よりも狭いバンドギャップを有しているとよい。つまり、当該観点から、第2導電型縦伝導層は、AleGa(1-e)N(0.1≦e≦b)で形成されて活性層のバンドギャップよりも少なくとも小さい層であることが好ましい。 From the viewpoint of efficiently converting light into electron-hole pairs in the light receiving element, the second conductivity type vertical conductive layer should have a band gap narrower than that of the active layer, i.e., the second conductivity type vertical conductive layer is preferably made of AleGa (1-e) N (0.1≦e≦b) and has a band gap at least smaller than that of the active layer.
第2導電型縦伝導層は、格子整合の観点から、500nm以下であることが好ましい。また、第2導電型縦伝導層は、光閉じ込めの観点とキャリア注入の観点から、250nm以上かつ450nm以下であることがより好ましく、さらに好ましくは300nm以上400nm以下である。 From the viewpoint of lattice matching, the second conductive type vertical conductive layer is preferably 500 nm or less. From the viewpoint of light confinement and carrier injection, the second conductive type vertical conductive layer is more preferably 250 nm or more and 450 nm or less, and even more preferably 300 nm or more and 400 nm or less.
第2導電型縦伝導層は、不純物の拡散を抑制する目的などから、第2導電型導波路層に近い領域においてH、Mg、Be、Zn、Si、B等の不純物を意図的に混入しないことが好ましく、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。つまり、第2導電型縦伝導層は、第2導電型クラッド層の膜厚方向において第2導電型導波路層との界面を含む一定の範囲にアンドープ領域を有していてもよい。ここで、「アンドープ」という文言は、対象の層を形成する過程で元素として上記の元素が意図的に当該対象の層に供給されないことを意味するが、原料、製造装置由来の元素が、例えば1016cm-3以下の範囲で混入される場合は、この限りではない。また、第2導電型縦伝導層のアンドープの状態とする領域は、少なくとも第2導電型導波路層との境界を含むが、その大きさは限定されない。例えば、第2導電型縦伝導層の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、第2導電型縦伝導層のうち、第2導電型クラッド層の膜厚方向において第2導電型横伝導層よりも第2導電型導波路層に近い50%の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、第2導電型縦伝導層のうち、第2導電型クラッド層の膜厚方向において第2導電型導波路層に近い約10%の領域がアンドープの状態であってもよい。このようにアンドープの状態であっても分極によって第2導電型縦伝導層には正孔が生成される。 For the purpose of suppressing the diffusion of impurities, it is preferable that the second-conductivity-type vertical conduction layer is not intentionally mixed with impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, B, etc. in the region close to the second-conductivity-type waveguide layer, that is, it is preferable that the second-conductivity-type vertical conduction layer is in an undoped state. That is, the second-conductivity-type vertical conduction layer may have an undoped region in a certain range including the interface with the second-conductivity-type waveguide layer in the thickness direction of the second-conductivity-type cladding layer. Here, the term "undoped" means that the above-mentioned elements are not intentionally supplied to the target layer as elements in the process of forming the target layer, but this does not apply when elements derived from raw materials and manufacturing equipment are mixed in, for example, in a range of 10 16 cm -3 or less. In addition, the region of the second-conductivity-type vertical conduction layer that is in an undoped state includes at least the boundary with the second-conductivity-type waveguide layer, but the size of the region is not limited. For example, the entire region of the second-conductivity-type vertical conduction layer may be in an undoped state. As another example, 50% of the second-conductivity-type vertical conduction layer may be undoped, the region being closer to the second-conductivity-type waveguide layer than the second-conductivity-type lateral conduction layer in the thickness direction of the second-conductivity-type cladding layer. As another example, about 10% of the second-conductivity-type vertical conduction layer may be undoped, the region being closer to the second-conductivity-type waveguide layer in the thickness direction of the second-conductivity-type cladding layer. Even in this undoped state, holes are generated in the second-conductivity-type vertical conduction layer due to polarization.
第2導電型横伝導層は、第2導電型縦伝導層上に形成され、AlfGa(1-f)N(0<f≦1)を含む層である。第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の縦抵抗率を制御する目的などからH、Mg、Be、Zn、Si、B等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、第2導電型横伝導層の表面および内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、1×1019cm-3以上5×1021cm-3であってよい。 The second-conductivity-type transverse conduction layer is a layer formed on the second-conductivity-type vertical conduction layer and contains Al f Ga (1-f) N (0<f≦1). The second-conductivity-type transverse conduction layer may be intentionally doped with impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B for the purpose of controlling the longitudinal resistivity of the second-conductivity-type transverse conduction layer. The amount of the doped impurity may be, for example, 1×10 19 cm −3 to 5×10 21 cm −3 depending on the amount of net electric field induced on the surface and inside of the second-conductivity-type transverse conduction layer.
第2導電型横伝導層は、貫通するキャリアの量子透過を容易とする観点から、20nm以下の膜厚を有していることが好ましく、より好ましくは10nm以下の膜厚を有していてもよく、さらに好ましくは5nm以下の膜厚を有していてもよい。 From the viewpoint of facilitating quantum transmission of the penetrating carriers, the second conductivity type lateral conduction layer preferably has a thickness of 20 nm or less, more preferably a thickness of 10 nm or less, and even more preferably a thickness of 5 nm or less.
第2導電型横伝導層は、第2導電型縦伝導層との隣接面(すなわち界面)において、Al組成比fが第2導電型縦伝導層におけるAl組成比eの最小値よりも大きくてよい。さらに、第2導電型横伝導層は、基板に対して完全歪であることが好ましい。このような第2導電型横伝導層は、第2導電型横伝導層の表面および表面付近の内部に蓄積される正味内部電界が負となって、界面に正孔が誘積されることで横伝導率を向上させることができる。 The second-conductivity-type lateral conduction layer may have an Al composition ratio f greater than the minimum value of the Al composition ratio e in the second-conductivity-type vertical conduction layer at the adjacent surface (i.e., interface) with the second-conductivity-type vertical conduction layer. Furthermore, the second-conductivity-type lateral conduction layer is preferably completely distorted with respect to the substrate. Such a second-conductivity-type lateral conduction layer can improve the lateral conductivity by induced holes at the interface as the net internal electric field accumulated on the surface and inside near the surface of the second-conductivity-type lateral conduction layer becomes negative.
第1窒化物半導体積層体および第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間に配置されて、AlgGa1-gN(0<g≦1.0)層を有していてもよい。第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層の間(例えば中間)に設けられるAlgGa1-gN(0<g≦1.0)層で形成された中間層は、基板の上面から遠ざかる方向へAl組成比gが増加するように構成されていてもよい。当該中間層がこのようなAl組成比gを有することにより、第2導電型縦伝導層および第2導電型導波路層の間の伝導率を向上ことができるという効果と、第2導電型横伝導層および第2導電型コンタクト層を完全歪で形成させることができるという効果との少なくとも一方を得ることができる。第2導電型縦伝導層と第2導電型導波路層との間に設けられる中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップでない混晶であって良く、さらに50nm以下の膜厚を有していることが好ましく、アンドープの層であって良い。 Each of the first nitride semiconductor laminate and the second nitride semiconductor laminate may have an Al g Ga 1-g N (0<g≦1.0) layer disposed between the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type waveguide layer. The intermediate layer formed of the Al g Ga 1-g N (0<g≦1.0) layer provided between (for example, in the middle) the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type waveguide layer may be configured so that the Al composition ratio g increases in the direction away from the upper surface of the substrate. By the intermediate layer having such an Al composition ratio g, at least one of the effects of improving the conductivity between the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type waveguide layer and the effect of forming the second conductivity type lateral conduction layer and the second conductivity type contact layer with complete distortion can be obtained. The intermediate layer provided between the second conductivity type vertical conduction layer and the second conductivity type waveguide layer may be a non-bandgap mixed crystal that does not absorb light of the desired emission wavelength, and further preferably has a thickness of 50 nm or less, and may be an undoped layer.
第2導電型縦伝導層は、分極ドーピング効果により正孔を生成させて、正孔を効率良く活性層内の活性層に注入する作用を有する。このため、第2導電型縦伝導層が活性層と第2導電型コンタクト層との間に設けられることで、レーザダイオードのキャリア注入効率を高め、閾値電圧を低減することができる。第2導電型横伝導層は電極下部に集中する電界によって狭められる正孔分布を横方向に広げる効果を有する。この効果によって第2導電型縦伝導層と同様にキャリア注入効率を高めることができる。 The second conductivity type vertical conductive layer has the effect of generating holes by the polarization doping effect and efficiently injecting the holes into the active layer within the active layer. Therefore, by providing the second conductivity type vertical conductive layer between the active layer and the second conductivity type contact layer, the carrier injection efficiency of the laser diode can be increased and the threshold voltage can be reduced. The second conductivity type horizontal conductive layer has the effect of spreading the hole distribution in the horizontal direction, which is narrowed by the electric field concentrated under the electrode. This effect can increase the carrier injection efficiency in the same way as the second conductivity type vertical conductive layer.
(第2導電型コンタクト層)
本実施形態による光デバイスの窒化物半導体積層体は、第2導電型クラッド層上に配置される第2導電型コンタクト層を更に備えていても良い。第2導電型コンタクト層を構成する窒化物半導体は、例えばGaN、AlNまたはInNおよび、それらを含む混晶で形成される。第2導電型コンタクト層は、P、As、Sb等のN以外のV族元素、炭素(C)、水素(H)、フッ素(F)、酸素(O)、Mg、Si、ベリリウム(Be)等の不純物が混入していてよい。原料ガスの汎用性から、第2導電型コンタクト層に含まれる不純物がMgであることが好ましい。第2導電型コンタクト層と第2導電型クラッド層とのコンタクト抵抗低減の観点から、Mgの濃度が8×1019cm-3以上5×1021cm-3以下であることが好ましい。より好ましくは含まれるMgの濃度が5×1020cm-3以上5×1021cm-3以下であるとよい。
(Second Conductive Type Contact Layer)
The nitride semiconductor laminate of the optical device according to the present embodiment may further include a second conductive contact layer disposed on the second conductive cladding layer. The nitride semiconductor constituting the second conductive contact layer is formed of, for example, GaN, AlN, or InN, and a mixed crystal containing them. The second conductive contact layer may contain impurities such as V group elements other than N, such as P, As, and Sb, carbon (C), hydrogen (H), fluorine (F), oxygen (O), Mg, Si, and beryllium (Be). From the viewpoint of versatility of the raw material gas, it is preferable that the impurity contained in the second conductive contact layer is Mg. From the viewpoint of reducing the contact resistance between the second conductive contact layer and the second conductive cladding layer, it is preferable that the concentration of Mg is 8×10 19 cm −3 or more and 5×10 21 cm −3 or less. More preferably, the concentration of Mg contained is 5×10 20 cm −3 or more and 5×10 21 cm −3 or less.
また、第2導電型コンタクト層の層厚が1nm以上20nm以下となっている。第2導電型コンタクト層の層厚が薄いほどレーザダイオードのキャリア注入効率が向上し、第2導電型コンタクト層の層厚が厚いほどレーザダイオードのキャリア注入効率が低下する。 The thickness of the second conductive contact layer is 1 nm or more and 20 nm or less. The thinner the second conductive contact layer, the more efficient the carrier injection of the laser diode. The thicker the second conductive contact layer, the more efficient the carrier injection of the laser diode.
(電子ブロック層)
本実施形態による光デバイスの窒化物半導体積層体は、第2導電型導波路層の内部、第2導電型導波路層と活性層との間(例えば中間)、第2導電型導波路層と第2導電型縦伝導層との間(例えば中間)、または第2導電型導波路層の一部において、バンドギャップが第2導電型導波路層より大きい電子ブロック層を更に有していても良い。電子ブロック層の膜厚は、電子ブロック層を正孔が量子貫通しやすいように、30nm以下であることが好ましく、より好ましくは20nm以下であり、さらに好ましくは15nm以下である。
(Electron Blocking Layer)
The nitride semiconductor stack of the optical device according to this embodiment may further include an electron blocking layer having a band gap larger than that of the second conductivity type waveguide layer, inside the second conductivity type waveguide layer, between the second conductivity type waveguide layer and the active layer (for example, at the middle), between the second conductivity type waveguide layer and the second conductivity type vertical conductive layer (for example, at the middle), or in a part of the second conductivity type waveguide layer. The film thickness of the electron blocking layer is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less, and even more preferably 15 nm or less so that holes can easily quantum penetrate the electron blocking layer.
(メサ構造)
本実施形態による光デバイスは、第1窒化物半導体積層体を有するレーザダイオードにおいては第2導電型層と第1導電型層を電気的に分離するために形成される第1メサ構造と、第1窒化物半導体積層体と第2窒化物半導体積層体とをそれぞれ分離するためにそれぞれ形成される第2メサ構造とを有している。
(Mesa structure)
The optical device according to this embodiment has a first mesa structure formed to electrically isolate a second conductivity type layer and a first conductivity type layer in a laser diode having a first nitride semiconductor stack, and a second mesa structure formed to isolate the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack, respectively.
第1メサ構造は、レーザの電流狭窄および端面における反射による増幅の観点から、平面視において矩形であり、長辺と短辺をそれぞれ有し、長辺が<1-100>方向に平行であることが好ましい。第1メサ構造の長辺が<1-100>方向に平行であることが好ましいのは、劈開法やエッチング法などさまざまな方法によってレーザ共振器の共振ミラー端面を得る場合に、原子的に平坦な(1-100)面が最も容易に形成できるためである。つまり、第1メサ構造が窒化物半導体基板の結晶方位に対して平面視において(1-100)面に並行なメサ端面を共振ミラー端面とする共振器を有し、レーザダイオードが<1-100>方向に光を射出する端面発光型レーザダイオードであることが好ましい。 From the viewpoint of current confinement of the laser and amplification by reflection at the end facet, the first mesa structure is preferably rectangular in plan view, has long and short sides, and the long sides are preferably parallel to the <1-100> direction. The reason why the long sides of the first mesa structure are preferably parallel to the <1-100> direction is that when obtaining the resonator mirror end facet of the laser resonator by various methods such as cleavage and etching, the atomically flat (1-100) plane is the easiest to form. In other words, it is preferable that the first mesa structure has a resonator in which the resonator mirror end facet is a mesa end face that is parallel to the (1-100) plane in plan view with respect to the crystal orientation of the nitride semiconductor substrate, and the laser diode is an edge-emitting laser diode that emits light in the <1-100> direction.
窒化物半導体積層体は、複数のメサ構造を有していても良い。すなわち、窒化物半導体積層体は、非連続な側面を複数有する形態であっても良い。活性層へ効率的に電力を注入する観点から、第2電極の近傍を除いて、第2導電型コンタクト層、または第2導電型コンタクト層と第2導電型クラッド層の一部または全てを除去したメサ構造(リッジ部とも称される)を有することが好ましい場合がある。この場合、リッジ部は第1導電型クラッド層を露出するためのメサ構造とは異なるものであり、例えばリッジ部の側面はメサ構造の側面と異なると解される。 The nitride semiconductor laminate may have multiple mesa structures. That is, the nitride semiconductor laminate may have multiple discontinuous side surfaces. From the viewpoint of efficiently injecting power into the active layer, it may be preferable to have a mesa structure (also called a ridge portion) in which the second conductivity type contact layer, or the second conductivity type contact layer and the second conductivity type cladding layer are partially or entirely removed except for the vicinity of the second electrode. In this case, the ridge portion is different from the mesa structure for exposing the first conductivity type cladding layer, and for example, the side surface of the ridge portion is understood to be different from the side surface of the mesa structure.
第2メサ構造は、第1窒化物半導体積層体と第2窒化物半導体積層体とを電気的に分離することができれば、特に制限はされない。第1窒化物半導体積層体から生じた熱による影響を低減する観点から、少なくともnクラッドの一部が露出していることが好ましい。より好ましくは基板の一部が露出していることである。すなわち、第1メサ構造を先に形成してから積層体の一部を保護層によって覆ったのちに第2メサ構造を形成することもでき、先に第2メサ構造を形成したのちに、一部を保護層によって覆うことで第1メサ構造を形成することもできる。光デバイスが、このような第1メサ構造及び第2メサ構造を有することにより、レーザダイオードと、受光素子とは、窒化物半導体基板および第1導電型クラッド層(n型クラッド層の一例)の一部以外は電気的に分離されている。 The second mesa structure is not particularly limited as long as it can electrically separate the first nitride semiconductor laminate and the second nitride semiconductor laminate. From the viewpoint of reducing the influence of heat generated from the first nitride semiconductor laminate, it is preferable that at least a part of the n-clad is exposed. More preferably, a part of the substrate is exposed. That is, the first mesa structure can be formed first, and then a part of the laminate can be covered with a protective layer, and then the second mesa structure can be formed, or the first mesa structure can be formed by forming the second mesa structure first and then covering a part of it with a protective layer. By having such a first mesa structure and a second mesa structure in the optical device, the laser diode and the light receiving element are electrically separated from each other except for a part of the nitride semiconductor substrate and the first conductive clad layer (an example of an n-type clad layer).
第2メサ構造は、第1窒化物半導体積層体から照射されたレーザ光の強度をモニタする観点から、レーザが照射される面の反対側に設置され、反射の漏れ光を受光することが好ましい。また、第2メサ構造は、レーザ光をより多く受光する観点から、レーザが照射される方向に長い矩形であることが好ましい。第2メサ構造は、チップ歩留まりの観点から、レーザダイオードのメサ構造と同じ幅であることが好ましいが、これに限定されない。また、第2メサ構造は、側面にレーザ光を吸収しやすくするための材質または、形状加工がされていてもよい。第1メサ構造と第2メサ構造との距離は、レーザ光の吸収の観点から、1μm以上1000μm以下であることが好ましい。すなわち、レーザダイオードと受光素子との距離は、1μm以上1000μm以下であってもよい。この場合の距離は、第1メサ構造に含まれるレーザ照射面の反対に位置する反射面から水平に測定した際の第2メサ構造までの最短距離のことを意味する。 From the viewpoint of monitoring the intensity of the laser light irradiated from the first nitride semiconductor stack, the second mesa structure is preferably installed on the opposite side of the surface irradiated with the laser and receives the leakage light of the reflection. From the viewpoint of receiving more laser light, the second mesa structure is preferably a rectangle long in the direction of laser irradiation. From the viewpoint of chip yield, the second mesa structure is preferably the same width as the mesa structure of the laser diode, but is not limited thereto. In addition, the second mesa structure may have a material or shape processed on the side to facilitate absorption of the laser light. From the viewpoint of absorption of the laser light, the distance between the first mesa structure and the second mesa structure is preferably 1 μm or more and 1000 μm or less. In other words, the distance between the laser diode and the light receiving element may be 1 μm or more and 1000 μm or less. In this case, the distance means the shortest distance from the reflection surface located opposite the laser irradiation surface included in the first mesa structure to the second mesa structure when measured horizontally.
(電極)
本実施形態による光デバイスに対する電気的接触は、第1窒化物半導体積層体においては、第2導電型クラッド層上に配置された第4電極と、第1導電型クラッド層に接触するように配置された第3電極とによって実現される。例えば、当該電気的接触は、基板の裏側に電極を配置することで成し得る。または、当該電気的接触は、第2導電型クラッド層の近傍の1つ以上の領域において、第1導電型クラッド層が露出するようにレーザダイオードの様々な上部の層を、例えば化学エッチング又はドライエッチングによって除去し、露出した第1導電型クラッド層上に電極を配置することで成し得る。
(electrode)
Electrical contact to the optical device according to the present embodiment is achieved in the first nitride semiconductor stack by a fourth electrode disposed on the second conductivity type cladding layer and a third electrode disposed in contact with the first conductivity type cladding layer. For example, the electrical contact can be made by disposing an electrode on the back side of the substrate. Alternatively, the electrical contact can be made by removing, for example by chemical or dry etching, various upper layers of the laser diode to expose the first conductivity type cladding layer in one or more regions adjacent the second conductivity type cladding layer, and disposing an electrode on the exposed first conductivity type cladding layer.
第1導電型クラッド層がn型クラッド層の場合、第3電極は、Al、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、Zr等の金属、これらの混晶、または、酸化インジウム(ITO)もしくはGa2O3等の導電性酸化物等により形成される。 When the first conductive type cladding layer is an n-type cladding layer, the third electrode is formed of a metal such as Al, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), cobalt (Co), rhodium (Rh), iridium (Ir), nickel (Ni), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as indium oxide (ITO) or Ga2O3 .
第2導電型クラッド層がp型クラッド層の場合、第4電極は、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の金属、これらの混晶、または、ITOもしくはGa2O3等の導電性酸化物等により形成される。 When the second conductive type cladding layer is a p-type cladding layer, the fourth electrode is formed of a metal such as Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, or a mixed crystal thereof, or a conductive oxide such as ITO or Ga2O3 .
電極の配置領域および形状は第1導電型クラッド層と第2導電型コンタクト層のそれぞれと電気的接触が得られていれば限定はされない。内部ロスの観点から、第3電極は平面視においてメサ構造の側面から5μm以上離れた第2導電型クラッド層上の領域に配置されることが好ましい。 The arrangement area and shape of the electrode are not limited as long as electrical contact is obtained with each of the first conductivity type cladding layer and the second conductivity type contact layer. From the viewpoint of internal loss, it is preferable that the third electrode be arranged in an area on the second conductivity type cladding layer that is 5 μm or more away from the side of the mesa structure in a plan view.
受光素子は、第2窒化物半導体積層体の第2導電型コンタクト層上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。このため、第2窒化物半導体積層体に対する電気的接触は、第2導電型コンタクト層上に形成された少なくとも1つ以上のショットキー電極(例えば第1電極)と、第1電極と対向して形成された電極(例えば第2電極)とによってなされる。ここでいうショットキー電極とは、2つの電極間における電圧-電流特性を測定した際に、変化が最も直線となる箇所における傾きから外挿した際に得られる電圧が1V以上であることを意味する。 The light receiving element has at least a first electrode and a second electrode on the second conductive contact layer of the second nitride semiconductor laminate, and at least one of the first electrode and the second electrode is a Schottky electrode. Therefore, electrical contact with the second nitride semiconductor laminate is made by at least one Schottky electrode (e.g., a first electrode) formed on the second conductive contact layer and an electrode (e.g., a second electrode) formed opposite the first electrode. The term "Schottky electrode" here means that when the voltage-current characteristics between two electrodes are measured, the voltage obtained by extrapolating from the slope at the point where the change is most linear is 1V or more.
第1電極および第2電極の少なくとも一方がショットキー電極であることを前提に、第1電極および第2電極は以下の(1)から(4)のいずれかの組み合わせであることが好ましい。
(1)第1電極と第2電極の少なくとも一方は、第1導電型電極である。または、第1電極と第2電極の双方は、第1導電型電極である。例えば、第1電極がn型ショットキー電極であり、第2電極がn型ショットキー電極である。
(2)第1電極が第1導電型電極であり、第2電極が第2導電型のオーミック電極である。例えば、第1電極がn型ショットキー電極であり、第2電極がp型オーミック電極である。
(3)第1電極と第2電極の少なくとも一方は、第2導電型電極である。または、第1電極と第2電極の双方は、第2導電型電極である。例えば、第1電極がp型ショットキー電極であり、第2電極がp型ショットキー電極である。
(4)第1電極が第2導電型電極であり、第2電極が第2導電型のオーミック電極である。例えば、第1電極がp型ショットキー電極であり、第2電極がp型オーミック電極である。
On the premise that at least one of the first electrode and the second electrode is a Schottky electrode, the first electrode and the second electrode are preferably any combination of the following (1) to (4).
(1) At least one of the first electrode and the second electrode is a first conductivity type electrode. Or, both the first electrode and the second electrode are first conductivity type electrodes. For example, the first electrode is an n-type Schottky electrode, and the second electrode is an n-type Schottky electrode.
(2) The first electrode is a first conductivity type electrode, and the second electrode is a second conductivity type ohmic electrode, for example, the first electrode is an n-type Schottky electrode, and the second electrode is a p-type ohmic electrode.
(3) At least one of the first electrode and the second electrode is a second conductivity type electrode. Or, both the first electrode and the second electrode are second conductivity type electrodes. For example, the first electrode is a p-type Schottky electrode, and the second electrode is a p-type Schottky electrode.
(4) The first electrode is a second conductivity type electrode, and the second electrode is a second conductivity type ohmic electrode. For example, the first electrode is a p-type Schottky electrode, and the second electrode is a p-type ohmic electrode.
このとき、n型電極の材料として、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zr等の合金であることが好ましく、より好ましくは、Ti、Al、Au、Ni、V、MoおよびZrのいずれか2つを含む合金である。つまり、ショットキー電極は、Ti、Al、Au、Ni、V、MoおよびZrのうちの少なくとも2つを含むn型(第1導電型の一例)電極であってもよい。 In this case, the material of the n-type electrode is preferably an alloy of Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zr, etc., and more preferably an alloy containing any two of Ti, Al, Au, Ni, V, Mo, and Zr. In other words, the Schottky electrode may be an n-type (an example of a first conductivity type) electrode containing at least two of Ti, Al, Au, Ni, V, Mo, and Zr.
また、p型電極の材料として、Ni、Au、Pt、Ag、Rh、Pd、Pt、Cu、Al、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Co、Ir、Zr等の合金であることが好ましく、より好ましくは、NiまたはAuを含む合金である。このため、例えば、第2導電型コンタクト電極は、NiまたはAuを少なくとも含んでいてもよい。p型電極の場合は、合金化の過程で熱処理温度を800℃以上にする、窒素雰囲気下で熱処理などを行うことによって、p型クラッド層に対してショットキー電極を得ることができる。 The material of the p-type electrode is preferably an alloy of Ni, Au, Pt, Ag, Rh, Pd, Pt, Cu, Al, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Co, Ir, Zr, etc., and more preferably an alloy containing Ni or Au. Therefore, for example, the second conductivity type contact electrode may contain at least Ni or Au. In the case of a p-type electrode, a Schottky electrode can be obtained for the p-type cladding layer by setting the heat treatment temperature to 800°C or higher during the alloying process and performing heat treatment in a nitrogen atmosphere.
光電流を効率よく取り出す観点から、第1電極と第2電極との間の距離は、2μm以上20μm以下であることが好ましい。第1電極および第2電極のそれぞれの形状は、特に限定されず、円形、四角形、櫛形などに限定されない。第1電極および第2電極の数も電極の間に電圧が印加できれば特に限定されず、複数の第1電極および第2電極を直列に接続するなどしてもよい。製造工程の観点から、1個の第1電極と1個の第2電極とを対向して配置することが好ましい。 From the viewpoint of efficiently extracting the photocurrent, the distance between the first electrode and the second electrode is preferably 2 μm or more and 20 μm or less. The shape of each of the first electrode and the second electrode is not particularly limited, and is not limited to a circular, rectangular, comb-shaped, etc. The number of first electrodes and second electrodes is also not particularly limited as long as a voltage can be applied between the electrodes, and multiple first electrodes and second electrodes may be connected in series. From the viewpoint of the manufacturing process, it is preferable to arrange one first electrode and one second electrode opposite each other.
(受光素子)
本実施形態による光デバイスに備えられた受光素子は、第2導電型クラッド層上に2つ以上の第2導電型コンタクト電極を有する。一般的なレーザダイオードや発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)では、p型層とn型層に挟まれた活性層に空乏層が形成されることが多い。そのため、同一基板上に同一のレーザダイオードを2つ以上並べ、そのうちの1つを受光素子として運用することができる。つまり、レーザダイオードにはpn接合間に電流を注入し、受光素子と使用するレーザダイオードにはpn接合間に電圧を印加しておくことで、レーザダイオードから照射された光を受光し、光電流として取り出すことができる。一方で、本実施形態による光デバイスは、第2導電型クラッド層に組成傾斜層を保有する構造を有するため、空乏層が活性層ではなく、第2導電型クラッド層側に形成される。レーザダイオードから照射される光は活性層のバンドギャップに相当する光のため、空乏層が活性層に形成されない場合は、活性層で受光し、生成された電子・正孔対は光電流として取り出されることなく、再結合して消滅する。第2導電型コンタクト層上に少なくとも1つのショットキー電極を含む複数の電極を配置し、これらの電極間に電圧を印加した場合、第2導電型クラッド層を含むコンタクト層とショットキー電極との界面には空乏層が形成され、空乏層には電圧に比例した電界が印加される。この空乏層に活性層から光が照射されたとき、第2導電型コンタクト層は活性層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有し、第2導電型クラッド層は組成傾斜層であり活性層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する。このため、空乏層内で励起された電子・正孔対が発生する。電子・正孔対は電界によってそれぞれの電極から電流として取り出され、光電流として読み出すことができる。つまり、電極間に生じる起電流をモニタする金属-半導体-金属(MSM:Metal Semiconductor Metal)型の受光素子として使用することができる。すなわち、受光素子は、MSM型センサである。
(Light receiving element)
The light receiving element provided in the optical device according to this embodiment has two or more second conductive type contact electrodes on the second conductive type cladding layer. In general laser diodes and light emitting diodes (LEDs), a depletion layer is often formed in the active layer sandwiched between a p-type layer and an n-type layer. Therefore, two or more identical laser diodes can be arranged on the same substrate, and one of them can be used as a light receiving element. In other words, by injecting a current into the pn junction of the laser diode and applying a voltage between the pn junction of the laser diode used as the light receiving element, the light irradiated from the laser diode can be received and extracted as a photocurrent. On the other hand, the optical device according to this embodiment has a structure having a composition gradient layer in the second conductive type cladding layer, so that the depletion layer is formed on the second conductive type cladding layer side, not the active layer. Since the light emitted from the laser diode corresponds to the band gap of the active layer, if a depletion layer is not formed in the active layer, the light is received by the active layer, and the generated electron-hole pairs are recombined and disappear without being extracted as a photocurrent. When a plurality of electrodes including at least one Schottky electrode are arranged on the second-conductivity-type contact layer and a voltage is applied between these electrodes, a depletion layer is formed at the interface between the contact layer including the second-conductivity-type cladding layer and the Schottky electrode, and an electric field proportional to the voltage is applied to the depletion layer. When the depletion layer is irradiated with light from the active layer, the second-conductivity-type contact layer has a band gap narrower than the band gap of the active layer, and the second-conductivity-type cladding layer is a composition-graded layer and has a band gap narrower than the band gap of the active layer. Therefore, electron-hole pairs are excited in the depletion layer and are generated. The electron-hole pairs are extracted as a current from each electrode by the electric field, and can be read out as a photocurrent. That is, it can be used as a metal-semiconductor-metal (MSM) type light receiving element that monitors an electromotive current generated between electrodes, that is, the light receiving element is an MSM type sensor.
受光素子とレーザダイオードが同一基板上に形成されることによって、製造上のコストは著しく低減することが可能となる。また、受光素子とレーザダイオードをモノリシックに備える光デバイスにおいて重要となるレーザダイオードと受光素子の位置決めに関しても、プロセス時のフォトマスクで一義的に決定されるため、非常に簡易である。さらに、温度特性に関しても、同一基板上に形成されるため、オフセット処理等による修正が簡易に行える利点がある。 By forming the light receiving element and the laser diode on the same substrate, it is possible to significantly reduce manufacturing costs. Furthermore, the positioning of the laser diode and the light receiving element, which is important in optical devices that have a light receiving element and a laser diode monolithically, is also very simple, as it is uniquely determined by the photomask during processing. Furthermore, with regard to temperature characteristics, since they are formed on the same substrate, there is the advantage that corrections can be easily made using offset processing, etc.
(光デバイスの製造方法)
本実施形態による光デバイスは、基板上に各層を形成する工程を経て製造される。
基板は、昇華法、ハイドライド気相成長(HVPE:Hydride Vapor Phase Epitaxy)法等の気相成長法および液相成長法等の一般的な基板成長法により形成される。
(Method of manufacturing optical devices)
The optical device according to this embodiment is manufactured through the process of forming each layer on a substrate.
The substrate is formed by a general substrate growth method such as a vapor phase growth method, such as a sublimation method or a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, or a liquid phase growth method.
基板上に各層を形成する工程は、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、ハイドライド気相成長(HVPE)法または有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等で行うことができる。 The process of forming each layer on the substrate can be carried out by, for example, molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE), or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
ここで、基板上に形成された各層のうち窒化物半導体の層は、例えばトリメチルアルミニウム(TMAl)を含むAl原料、例えばトリメチルガリウム(TMGa)またはトリエチルガリウム(TEGa)等を含むGa原料、例えばアンモニア(NH3)を含むN原料を用いて形成することができる。 Here, among the layers formed on the substrate, the nitride semiconductor layer can be formed using, for example, an Al source containing trimethylaluminum (TMAl), a Ga source containing, for example, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa), or an N source containing, for example, ammonia (NH 3 ).
光デバイスは、基板上に形成された各層に対して、不要部分をエッチングによって除去する工程を経て製造される。この工程は、例えば誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング等で行うことができる。 Optical devices are manufactured through a process in which unnecessary parts of each layer formed on a substrate are removed by etching. This process can be carried out, for example, by inductively coupled plasma (ICP) etching.
また、光デバイスは、電極を形成する工程を経て製造され得る。この工程は、例えば電子線蒸着(EB)法によって金属を蒸着させる等の種々の方法で行うことができる。 Optical devices can also be manufactured through a process of forming electrodes. This process can be carried out in a variety of ways, for example by evaporating metal using the electron beam deposition (EB) method.
ここで、光デバイスは、上記の工程を経て各層が形成された基板をダイシングにより個片へと分割して製造される。 Here, optical devices are manufactured by dividing the substrate, on which each layer has been formed through the above process, into individual pieces by dicing.
電極は、抵抗加熱蒸着、電子銃蒸着またはスパッタ等により形成されるが、これら方法には限定されない。電極は、単層で形成してもよく、複数層積層して形成してもよい。また、電極は、層の形成後に酸素、窒素または空気雰囲気等で熱処理が行われてもよい。 The electrodes are formed by resistance heating deposition, electron gun deposition, sputtering, or the like, but are not limited to these methods. The electrodes may be formed as a single layer or as a multi-layer laminate. After the layers are formed, the electrodes may be heat-treated in an oxygen, nitrogen, or air atmosphere.
次に、図面を用いて本実施形態による光デバイスをより具体的に説明する。 Next, the optical device according to this embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態による光デバイス1Aの断面模式図である。レーザダイオード10は、窒化物半導体基板100上に第1窒化物半導体積層体11を備える。受光素子20Aは、窒化物半導体基板100上に第2窒化物半導体積層体21を備える。第1窒化物半導体積層体11と第2窒化物半導体積層体21は、互いに同じ層構成を有している。
First Embodiment
1 is a schematic cross-sectional view of an optical device 1A according to a first embodiment of the present invention. A
第1窒化物半導体積層体11は、n型(第1導電型の一例)の導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層111と、n型クラッド層111上に配置され、1つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体層で形成された活性層113と、活性層113上に配置され、p型(第2導電型の一例)の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層115と、p型クラッド層115上に配置されたp型コンタクト層116とを有する。
The first
また、第1窒化物半導体積層体11は、n型クラッド層111と活性層113との間に配置されて、活性層113に光を閉じ込めるn型導波路層112と、p型クラッド層115と活性層113との間に配置されて、活性層113に光を閉じ込めるp型導波路層114とを有している。n型導波路層112とp型導波路層114は第1窒化物半導体積層体11をレーザダイオードの一部として動作させるための好適な構成である。
The first
第2窒化物半導体積層体21は、n型の導電性を有する窒化物半導体層を含むn型クラッド層211と、n型クラッド層211上に配置され、1つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体層で形成された活性層213と、活性層213上に配置され、p型の導電性を有する窒化物半導体層を含むp型クラッド層215と、p型クラッド層215上に配置されたp型コンタクト層216とを有する。
The second
また、第2窒化物半導体積層体21は、n型クラッド層211と活性層213との間に配置されて、活性層213に光を閉じ込めるn型導波路層212と、p型クラッド層215と活性層213との間に配置されて、活性層213に光を閉じ込めるp型導波路層214とを有している。第1窒化物半導体積層体11がn型導波路層112およびp型導波路層114を有さない場合は、第2窒化物半導体積層体21もn型導波路層212およびp型導波路層214を有さない。
The second
n型クラッド層111,211は、上述の第1導電型クラッド層に相当する。n型導波路層112,212は、上述の第1導電型導波路層に相当する。活性層113,213は、上述の活性層に相当する。p型導波路層114,214は、上述の第2導電型導波路層に相当する。p型クラッド層115,215は、上述の第2導電型クラッド層に相当する。p型コンタクト層116,216は、上述の第2導電型コンタクト層に相当する。
The n-type cladding layers 111 and 211 correspond to the first conductivity type cladding layers described above. The n-type waveguide layers 112 and 212 correspond to the first conductivity type waveguide layers described above. The
レーザダイオード10は、第1窒化物半導体積層体11のn型クラッド層111の露出された領域の一部に配置されたn型コンタクト電極12と、第1窒化物半導体積層体11のp型クラッド層115上に配置されたp型コンタクト電極13とを有している。n型コンタクト電極12は、上述の第3電極に相当し、p型コンタクト電極13は、上述の第4電極に相当する。
The
受光素子20Aは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上にn型ショットキー電極23a(第1電極の一例)と、n型ショットキー電極23b(第2電極の一例)と有する。このように、受光素子20Aは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。また、第1実施形態では、第1電極および第2電極の少なくとも一方はn型電極である。より具体的には、第1電極および第2電極の双方は、n型電極(すなわち、n型ショットキー電極23a,23b)であり、n型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bは、対向して配置されている。
The
レーザダイオード10は、n型コンタクト電極12とp型コンタクト電極13との間にバイアスを印加することにより、活性層113に電子と正孔が供給されて再結合し、活性層113のバンドギャップに応じた波長の光を生成する。レーザダイオード10の活性層113で生成された光は、誘導放出を生じせ、共振器構造内で増幅して発振する。
By applying a bias between the n-
p型クラッド層215には、1×1018cm-3程度の成功が存在している。このため、n型ショットキー電極23a,23bをp型コンタクト層216上に例えば蒸着により形成すると、n型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bのそれぞれと、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層が形成される。これら空乏層には、電圧による電界がかかっている。レーザダイオード10から出射した光が受光素子20Aのp型コンタクト層216およびp型クラッド層215に入射すると、これらの空乏層内で電子と正孔が発生し、これによりn型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bの間に光電流が流れる。図1に示すように、例えばn型ショットキー電極23aよりもn型ショットキー電極23bに高い電圧を印加している場合、当該空乏層内で発生した電子はn型ショットキー電極23bに向かい、当該空乏層で発生した正孔はn型ショットキー電極23aに向かう。このため、n型ショットキー電極23aからn型ショットキー電極23bに向かう光電流が流れる。この光電流の電流量の変化からレーザダイオード10の出力をモニタリングすることが可能になる。
The p-
<第2実施形態>
図2は、第2実施形態による光デバイス1Bの断面模式図である。光デバイス1Bは、受光素子20Bがp型コンタクト層216上に1つのn型ショットキー電極23と1つのp型オーミック電極24を備える点を除いて、第1実施形態による光デバイス1Aと同様の構成を有している。
Second Embodiment
2 is a schematic cross-sectional view of an
受光素子20Bは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上にn型ショットキー電極23(第1電極の一例)と、p型オーミック電極24(第2電極の一例)を有する。このように、受光素子20Bは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。また、第2実施形態では、第1電極がn型電極(すなわちn型ショットキー電極23)であり、第2電極がp型のオーミック電極(すなわちp型オーミック電極24)である。n型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24は、対向して配置されている。
The
p型クラッド層215には、1×1018cm-3程度の成功が存在している。このため、n型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24をp型コンタクト層216上に例えば蒸着により形成すると、n型ショットキー電極23と、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層が形成される。一方、p型オーミック電極24と、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層は形成されない。n型ショットキー電極23側に形成された空乏層には、電圧による電界がかかっている。レーザダイオード10から出射した光が受光素子20Bのp型コンタクト層216およびp型クラッド層215に入射すると、当該空乏層内で電子と正孔が発生し、これによりn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に光電流が流れる。図2に示すように、例えばn型ショットキー電極23よりもp型オーミック電極24に高い電圧を印加している場合、当該空乏層内で発生した電子はp型オーミック電極24に向かい、当該空乏層で発生した正孔はn型ショットキー電極23に向かう。このため、n型ショットキー電極23からp型オーミック電極24に向かう光電流が流れる。この光電流の電流量の変化からレーザダイオード10の出力をモニタリングすることが可能になる。
The p-
<第3実施形態>
図3は、本発明の第3実施形態による光デバイス1Cの断面模式図である。光デバイス1Cは、受光素子20Cがp型コンタクト層216上に2つのp型ショットキー電極25a(第1電極の一例)およびp型ショットキー電極25b(第2電極の一例)を備える点を除いて、第1実施形態による光デバイス1Aと同様の構成を有している。
Third Embodiment
3 is a schematic cross-sectional view of an
受光素子20Cは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上にp型ショットキー電極25a(第1電極の一例)と、p型ショットキー電極25b(第2電極の一例)と有する。このように、受光素子20Cは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。また、第3実施形態では、第1電極および第2電極の少なくとも一方はp型電極である。より具体的には、第1電極および第2電極の双方は、p型電極(すなわち、p型ショットキー電極25a,25b)であり、p型ショットキー電極25aおよびp型ショットキー電極25bは、対向して配置されている。
The
p型クラッド層215には、1×1018cm-3程度の成功が存在している。このため、p型クラッド層215とはキャリア濃度の異なるp型ショットキー電極25a,25bをp型コンタクト層216上に例えば蒸着により形成すると、p型ショットキー電極25aおよびp型ショットキー電極25bのそれぞれと、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層が形成される。これら空乏層には、電圧による電界がかかっている。レーザダイオード10から出射した光が受光素子20Cのp型コンタクト層216およびp型クラッド層215に入射すると、これらの空乏層内で電子と正孔が発生し、これによりp型ショットキー電極25aおよびp型ショットキー電極25bの間に光電流が流れる。図3に示すように、例えばp型ショットキー電極25aよりもp型ショットキー電極25bに高い電圧を印加している場合、当該空乏層内で発生した電子はp型ショットキー電極25bに向かい、当該空乏層で発生した正孔はp型ショットキー電極25aに向かう。このため、p型ショットキー電極25aからp型ショットキー電極25bに向かう光電流が流れる。この光電流の電流量の変化からレーザダイオード10の出力をモニタリングすることが可能になる。
The p-
<第4実施形態>
図4は、第4実施形態による光デバイス1Dの断面模式図である。光デバイス1Dは、受光素子20Dがp型コンタクト層216上に1つのp型ショットキー電極25(第1電極の一例)と1つのp型オーミック電極24(第2電極の一例)を備える点を除いて、第1実施形態による光デバイス1Aと同様の構成を有している。
Fourth Embodiment
4 is a schematic cross-sectional view of an
受光素子20Dは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上にp型ショットキー電極25(第1電極の一例)と、p型オーミック電極24(第2電極の一例)を有する。このように、受光素子20Cは、第2窒化物半導体積層体21のp型コンタクト層216上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。また、第4実施形態では、第1電極がp型電極(すなわちp型ショットキー電極25)であり、第2電極がp型のオーミック電極(すなわちp型オーミック電極24)である。p型ショットキー電極25およびp型オーミック電極24は、対向して配置されている。
The
p型クラッド層215には、1×1018cm-3程度の成功が存在している。このため、p型クラッド層215とはキャリア濃度の異なるp型ショットキー電極25と、p型オーミック電極24とをp型コンタクト層216上に例えば蒸着により形成すると、p型ショットキー電極25と、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層が形成される。一方、p型オーミック電極24と、p型コンタクト層216およびp型クラッド層215との間には、空乏層は形成されない。p型ショットキー電極25側に形成された空乏層には、電圧による電界がかかっている。レーザダイオード10から出射した光が受光素子20Dのp型コンタクト層216およびp型クラッド層215に入射すると、当該空乏層内で電子と正孔が発生し、これによりp型ショットキー電極25およびp型オーミック電極24の間に光電流が流れる。図4に示すように、例えばp型ショットキー電極25よりもp型オーミック電極24に低い電圧を印加している場合、当該空乏層内で発生した正孔はp型オーミック電極24に向かい、当該空乏層で発生した電子はp型ショットキー電極25に向かう。このため、p型オーミック電極24からp型ショットキー電極25に向かう光電流が流れる。この光電流の電流量の変化からレーザダイオード10の出力をモニタリングすることが可能になる。
The p-
(不純物濃度およびドーピング濃度の測定)
光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれに備えられた窒化物半導体基板100および第1窒化物半導体積層体11および第2窒化物半導体積層体21のそれぞれを構成する各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、二次イオン質量分析法(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)により測定することができる。
(Measurement of impurity and doping concentrations)
The concentrations of dopants and impurities contained in each layer constituting the
当該各層に含まれるドーパントや不純物の濃度を、光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれに加工された後にSIMSで測定する場合は、化学的なエッチングや物理研磨によりn型コンタクト電極12、p型コンタクト電極13、第1電極および第2電極を除去した状態で行うことができる。また、当該各層に含まれるドーパントや不純物の濃度は、窒化物半導体基板100の両面のうちのn型コンタクト電極12、p型コンタクト電極13、第1電極および第2電極が形成されていない表面側からスパッタして測定することもできる。
When the concentration of dopants and impurities contained in each layer is measured by SIMS after processing into each of the
具体的には、エバンス・アナリティカル・グループ(EAG)社が提供する測定条件によりSIMS測定を実施する。測定時の試料のスパッタには、14.5keVのエネルギーを有したセシウム(Cs)イオンビームを用いる。 Specifically, SIMS measurements are performed under the measurement conditions provided by Evans Analytical Group (EAG). A cesium (Cs) ion beam with an energy of 14.5 keV is used to sputter the sample during the measurements.
(層厚の測定方法)
光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれを構成する各層の層厚は、窒化物半導体基板100に垂直な所定断面を切り出して、この断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)により観察し、TEMの測長機能を使用することで測定できる。測定方法としては、先ず、TEMを用いて、光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれの窒化物半導体基板100の主面(すなわち第1窒化物半導体積層体11および第2窒化物半導体積層体21などが形成された面)に対して垂直な断面を観察する。具体的には、例えば、光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれの窒化物半導体基板100の主面に対して垂直な断面を示すTEM画像内の、窒化物半導体基板100の主面に対して平行な方向において2μm以上の範囲を観察幅とする。この観察幅の範囲において、組成の異なる2層の界面にはコントラストが観察されるので、この界面までの厚さを、幅200nmの連続する観察領域で観察する。この200nm幅の観察領域内に含まれる各層の厚さの平均値を、上述した2μm以上の観察幅から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層の層厚を得ることができる。
(Method of measuring layer thickness)
The thickness of each layer constituting each of the
(各層の原子濃度の測定方法)
光デバイス1A,1B,1C,1Dのそれぞれを構成する各層およびヒロックに含まれる原子濃度を測定する方法としては、X線回折(XRD:X-Ray Diffraction)法による逆格子マッピング測定(RSM:Reciprocal Space Mapping)が挙げられる。具体的には、非対称面を回折面として得られる回折ピーク近傍の逆格子マッピングデータを解析することにより、下地に対する格子緩和率とAl組成が得られる。回折面としては、例えば(10-15)面や(20-24)面が挙げられる。
(Method of measuring atomic concentration of each layer)
A method for measuring the atomic concentration in each layer and hillock constituting each of the
また、活性層113,213、p型クラッド層115,215のそれぞれに含まれる組成傾斜層およびヒロックなどのXRDで十分な反射強度が得られない層については、X線光電分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)、および電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy-Loss Spectroscopy)によって層厚を測定することができる。
For layers that do not provide sufficient reflection intensity by XRD, such as the compositionally graded layers and hillocks contained in the
EELSでは、電子線が試料を透過する際に失うエネルギーを測定することで、試料の組成を分析する。具体的には、例えば、TEM観察等で使用する薄片化試料において、透過電子線の強度のエネルギー損失スペクトルを測定・解析する。そして、エネルギー損失量20eV付近に現れるピークのピーク位置が、各層の組成に応じて変化することを利用し、ピーク位置から組成を求めることができる。 In EELS, the composition of a sample is analyzed by measuring the energy lost when an electron beam passes through the sample. Specifically, for example, the energy loss spectrum of the intensity of the transmitted electron beam is measured and analyzed for a thin-sectioned sample used in TEM observations. The position of the peak that appears near the energy loss of 20 eV changes depending on the composition of each layer, and the composition can be determined from the peak position.
上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。 In the same manner as the layer thickness calculation method using TEM observation described above, the Al composition of each layer is obtained by calculating the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm from five points arbitrarily selected from an observation area of 2 μm or more.
EDXでは、上述のTEM観察等で使用する薄片化試料において電子線によって発生する特性X線を測定・解析する。上述のTEM観察による層厚算出方法と同様にして、観察幅200nmにおけるAl組成の平均値を、2μm以上の観察領域から任意に抽出した5箇所から算出することで、各層のAl組成を得る。 In EDX, characteristic X-rays generated by an electron beam in a thin-sectioned sample used in the above-mentioned TEM observation are measured and analyzed. In the same manner as the method for calculating layer thickness using TEM observation described above, the Al composition of each layer is obtained by calculating the average value of the Al composition in an observation width of 200 nm from five points arbitrarily selected from an observation area of 2 μm or more.
XPSでは、イオンビームを用いたスパッタエッチングを行いながらXPS測定を行うことで、深さ方向の評価が可能である。イオンビームには一般的にAr+が用いられるが、XPS装置に搭載されたエッチング用イオン銃で照射できるイオンであれば、例えばArクラスターイオンなどの他のイオン種でもよい。Al、Ga、NのXPSピーク強度を測定・解析して各層のAl組成の深さ方向分布を得る。スパッタエッチングの代わりに、窒化物半導体基板100の主面に対して垂直な断面が拡大されて露出されるようにレーザダイオードを斜め研磨して、露出断面をXPSで測ってもよい。
In XPS, the depth direction can be evaluated by performing XPS measurement while performing sputter etching using an ion beam. Although Ar+ is generally used as the ion beam, other ion species such as Ar cluster ions can be used as long as they can be irradiated with an etching ion gun mounted on the XPS device. The XPS peak intensities of Al, Ga, and N are measured and analyzed to obtain the depth direction distribution of the Al composition of each layer. Instead of sputter etching, the laser diode can be polished at an angle so that a cross section perpendicular to the main surface of the
XPSだけでなくオージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)を用いても各層の組成を測定できる。この場合、スパッタエッチングあるいは斜め研磨により露出させた断面においてオージェ電子分光法による測定を行うことで、組成を測定できる。また、斜め研磨により露出させた断面に対するSEM-EDX測定によっても、各層の組成を測定できる。 The composition of each layer can be measured not only by XPS but also by Auger Electron Spectroscopy (AES). In this case, the composition can be measured by performing Auger Electron Spectroscopy on a cross section exposed by sputter etching or oblique polishing. The composition of each layer can also be measured by SEM-EDX measurement of a cross section exposed by oblique polishing.
(光デバイスの適用分野)
本実施形態による光デバイス1A,1B,1C,1Dは、例えば、医療・ライフサイエンス分野、環境分野、産業・工業分野、生活・家電分野、農業分野、その他分野の装置に適用可能である。光デバイスは、薬品または化学物質の合成・分解装置、液体・気体・固体(容器、食品、医療機器等)殺菌装置、半導体等の洗浄装置、フィルム・ガラス・金属等の表面改質装置、半導体・FPD・PCB・その他電子品製造用の露光装置、印刷・コーティング装置、接着・シール装置、フィルム・パターン・モックアップ等の転写・成形装置、紙幣・傷・血液・化学物質等の測定・検査装置に適用可能である。
(Optical device application fields)
The
液体殺菌装置の例としては、冷蔵庫内の自動製氷装置・製氷皿および貯氷容器・製氷機用の給水タンク、冷凍庫、製氷機、加湿器、除湿器、ウォーターサーバの冷水タンク・温水タンク・流路配管、据置型浄水器、携帯型浄水器、給水器、給湯器、排水処理装置、ディスポーザ、便器の排水トラップ、洗濯機、透析用水殺菌モジュール、腹膜透析のコネクタ殺菌器、災害用貯水システム等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of liquid sterilization devices include, but are not limited to, automatic ice makers, ice trays and ice storage containers in refrigerators, water tanks for ice makers, freezers, ice makers, humidifiers, dehumidifiers, cold water tanks, hot water tanks and flow pipes of water servers, freestanding water purifiers, portable water purifiers, water supply units, hot water heaters, wastewater treatment devices, garbage disposers, toilet drain traps, washing machines, dialysis water sterilization modules, peritoneal dialysis connector sterilizers, disaster water storage systems, etc.
気体殺菌装置の例としては、空気清浄器、エアコン、天井扇、床面用または寝具用の掃除機、布団乾燥機、靴乾燥機、洗濯機、衣類乾燥機、室内殺菌灯、保管庫の換気システム、靴箱、タンス等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of gas sterilization devices include, but are not limited to, air purifiers, air conditioners, ceiling fans, floor or bedding vacuum cleaners, futon dryers, shoe dryers, washing machines, clothes dryers, indoor germicidal lamps, storage ventilation systems, shoe boxes, chests of drawers, etc.
固体殺菌装置(表面殺菌装置を含む)の例としては、真空パック器、ベルトコンベヤ、医科用・歯科用・床屋用・美容院用のハンドツール殺菌装置、歯ブラシ、歯ブラシ入れ、箸箱、化粧ポーチ、排水溝のふた、便器の局部洗浄器、便器フタ等が挙げられるが、この限りではない。 Examples of solid sterilization equipment (including surface sterilization equipment) include, but are not limited to, vacuum packing machines, belt conveyors, hand tool sterilization equipment for medical/dental use, barber shops/beauty salons, toothbrushes, toothbrush holders, chopstick cases, cosmetic pouches, drain covers, toilet spot cleaners, toilet lids, etc.
次に、第1実施形態から第4実施形態の光デバイス1A,1B,1C,1Dのいずれかに係る実施例および比較例について説明する。表1は、光デバイス1A,1B,1C,1Dのいずれかに係る実施例1から9並びに比較例1および2の要部をまとめた一覧表である。
Next, examples and comparative examples relating to any of the
[実施例1]
窒化物半導体基板100として、厚さが550μmの(0001)面のAlN単結晶基板を、有機金属気相成長(MOCVD)装置を用いてアニール処理を行った。アニール処理は、AlN単結晶基板を1300℃の環境下において、NH3雰囲気中での5分間のアニールおよびH2雰囲気中での5分間のアニールを1セットとして、2セットの処理を行った。
[Example 1]
An annealing process was performed using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus on an AlN single crystal substrate having a thickness of 550 μm as the
次に、AlN単結晶基板上に、ホモエピタキシャル層であるAlN層を形成した。AlN層は、1200℃の環境下において500nmの厚さで形成した。このとき、III族元素原料ガスの供給レートと窒素原料ガスの供給レートとの比率(V/III比)は50とした。また、アニールを行ったチャンバーの真空度を50mbarとした。また、AlN層の成長レートは0.5μm/hrとした。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)が用いられた。また、N原料としてアンモニア(NH3)が用いられた。 Next, an AlN layer, which is a homoepitaxial layer, was formed on the AlN single crystal substrate. The AlN layer was formed to a thickness of 500 nm in an environment of 1200° C. At this time, the ratio (V/III ratio) of the supply rate of the group III element source gas to the supply rate of the nitrogen source gas was set to 50. The degree of vacuum of the chamber in which the annealing was performed was set to 50 mbar. The growth rate of the AlN layer was set to 0.5 μm/hr. Trimethylaluminum (TMAl) was used as the Al source. Ammonia (NH 3 ) was used as the N source.
上述したように形成したAlN層上に、最終的に一部分がn型クラッド層111,211になる第1導電型クラッド層を形成した。第1導電型クラッド層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:70%、すなわちAl0.70Ga0.30N層)とした。第1導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で350nmの厚さで形成した。このときの第1導電型クラッド層の成長レートは、0.4μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。また、Si原料としてモノシラン(SiH4)を用いた。
On the AlN layer formed as described above, a first conductive type cladding layer, a part of which will eventually become the n-
続いて、第1導電型クラッド層上に、最終的に一部分がn型導波路層112,212になる第1導電型導波路層を形成した。第1導電型クラッド層は、Siをドーパント不純物として用いたn型AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。第1導電型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さで形成した。このときの第1導電型クラッド層の成長レートは、0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。また、N原料としてアンモニア(NH3)を用いた。
Next, a first-conductivity-type waveguide layer, a part of which will eventually become the n-
続いて、第1導電型クラッド層上に最終的に一部分が活性層113,213となる発光層を形成した。活性層は、量子井戸層とバリア層とを3周期積層させた多重量子井戸構造を有するように成膜して形成した。ここで、量子井戸層は、3.0nmの厚さを有するAlGaN層(Al:52%、すなわちAl0.52Ga0.48N層)とした。また、6.0nmの厚さを有するバリア層は、AlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。
Next, a light-emitting layer, a part of which will eventually become the
活性層は、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの量子井戸層の成長レートは0.18μm/hrであった。また、バリア層の成長レートは0.15μm/hrであった。 The active layer was formed under conditions of a vacuum of 50 mbar and a V/III ratio of 4000. The growth rate of the quantum well layer was 0.18 μm/hr. The growth rate of the barrier layer was 0.15 μm/hr.
続いて、活性層上に、最終的に一部分がp型導波路層114,214となる第2導電型導波路層を形成した。第2導電型導波路層は、ドーパントを含まないAlGaN層(Al:63%、すなわちAl0.63Ga0.37N層)とした。第2導電型導波路層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で60nmの厚さとなるように形成した。このときの第2導電型導波路層の成長レートは、0.35μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。
Next, a second conductive type waveguide layer, a part of which will eventually become the p-
続いて、第2導電型導波路層上に、最終的に一部分がp型クラッド層115,215になる第2導電型クラッド層(グレーデッド層)を形成した。第2導電型クラッド層は、AlN単結晶基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=0.63から1.0まで変化する20nmの厚みを有するAlGaN層と、AlN単結晶基板から遠ざかる方向にAl組成が分布をもち、Al=1.0から0.3まで変化する350nmの厚みを有するAlGaN層の積層構造を有する。第2導電型クラッド層は、1080℃の温度で、真空度を50mbarに設定し、V/III比を4000とした条件で形成した。このときの第2導電型クラッド層の成長レートは、0.3~0.5μm/hrであった。また、Al原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用いた。また、Ga原料としてトリエチルガリウム(TEGa)を用いた。
Next, a second-conductivity-type cladding layer (graded layer), a part of which will eventually become the p-
続いて、第2導電型クラッド層上に、最終的に一部分がp型コンタクト層116,216となるp型の導電性を有する窒化物半導体層(p型コンタクト層)を形成した。ここで、p型コンタクト層は、Mgをドーパント不純物として用いたAl=0.7から0.4まで変化する30nmの厚みを有するAlGaN層と、10nmの厚さを有するGaN層(すなわちAl:0%)との積層構造を有する層とした。 Next, a nitride semiconductor layer having p-type conductivity (p-type contact layer) was formed on the second conductivity type cladding layer, a portion of which would eventually become the p-type contact layers 116, 216. Here, the p-type contact layer had a laminated structure of a 30 nm thick AlGaN layer in which Mg was used as a dopant impurity and Al varied from 0.7 to 0.4, and a 10 nm thick GaN layer (i.e., Al: 0%).
p型コンタクト層は、950℃の温度で、真空度を150mbarに設定し、V/III比を3650とした条件で形成した。このときのp型コンタクト層の成長レートは0.2μm/hrであった。 The p-type contact layer was formed at a temperature of 950°C, with a degree of vacuum set to 150 mbar and a V/III ratio of 3650. The growth rate of the p-type contact layer at this time was 0.2 μm/hr.
以上のようにして、AlN単結晶基板上に、最終的に一部分が第1窒化物半導体積層体11および第2窒化物半導体積層体21となる窒化物半導体積層体が形成された。この窒化物半導体積層体に対してXRDによる逆格子マッピング測定を実施したところ、第1導電型クラッド層からp型コンタクト層まで緩和のないシュードモルフィック成長をしていることが分かった。
In this manner, a nitride semiconductor stack was formed on the AlN single crystal substrate, a portion of which would eventually become the first
上記のように作製された窒化物半導体積層体は、N2雰囲気中、700℃で10分以上アニーリングが行われることによって、p型コンタクト層が更に低抵抗化された。 The nitride semiconductor laminate fabricated as described above was annealed in an N 2 atmosphere at 700° C. for 10 minutes or more, whereby the resistance of the p-type contact layer was further reduced.
ICPを用いてCl2を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形の領域内において、第1導電型クラッド層を露出させた第1メサ構造を有する第1窒化物半導体積層体11を形成した。形成された第1メサ構造は<1-100>方向の長さが600μmであり、<11-20>方向の長さが40μmであった。第1メサ構造に対して80℃に加熱したTMAH溶液により、端面の処理を実施した。この処理によって第1メサ構造の端面はAlN単結晶基板に対して、90°±3°の角度に形成された。
A first
次に第1メサ構造をマスクで保護した状態で、ICPを用いてCl2を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形の領域内において、AlN単結晶基板を露出させた第2メサ構造を有する第2窒化物半導体積層体21を形成した。このとき第1メサ構造および第2メサ構造の距離は20μmであった。
Next, with the first mesa structure protected by a mask, dry etching was performed with a gas containing Cl2 using ICP to form a second
第1メサ構造におけるp型コンタクト層116上に、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のNiまたはAuを含む電極金属領域(第4電極)がp型コンタクト電極13として形成された。このとき、第4電極の幅は5μmであり、長さは600μmであった。
On the p-
また、第2メサ構造におけるp型コンタクト層216上に、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のV、Al、MoおよびAuを含むn型ショットキー電極23a(第1電極)およびn型ショットキー電極23b(第2電極)が対向して形成された。このときn型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bの幅はそれぞれ15μmであり、長さは500μmであり、n型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bの間の距離は5μmであった。
In addition, on the p-
また、第1導電型クラッド層が露出した領域において、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のV、Al、Ni、TiまたはAuを形成材料とする電極金属(第3電極)がn型コンタクト電極12として複数形成された。
In addition, in the area where the first conductive type cladding layer is exposed, multiple rectangular electrode metals (third electrodes) made of V, Al, Ni, Ti or Au and parallel to the <1-100> direction and elongated in the <1-100> direction are formed as n-
このようにして、レーザダイオード10と同じ構造を有するレーザダイオード構造と、受光素子20Aと同じ構造を有するセンサ構造とをモノリシックに持つ、第1実施形態に係る実施例1による光デバイス1Aを得た。
In this way, an optical device 1A according to Example 1 of the first embodiment was obtained, which has a monolithic laser diode structure having the same structure as the
得られた光デバイス1Aに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき受光素子20Aに設けられたn型ショットキー電極23aおよびn型ショットキー電極23bの間には20Vの電圧を印加した。また、受光素子20Aはあらかじめ発光強度の分かっているXeランプと分光器を用いて、電流値と受光感度の校正が実施されている。
The end face emission intensity of the obtained optical device 1A was measured by injecting a current into the
表1に示すように、実施例1による光デバイス1Aでは、レーザを発振していない状態では暗電流は1×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は1×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。ピーク発光強度は、あらかじめ校正されたパワーメータを使用し、レーザダイオード10のレーザ照射面から出射された光と、当該レーザ照射面と反対に位置する反射面からの漏れ光との相関をそれぞれ検量線として得たものから換算した。さらに、表1に示すように、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1×104であった。このように、実施例1による光デバイス1Aは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Aによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
As shown in Table 1, in the optical device 1A according to Example 1, the dark current was 1×10 −10 A when the laser was not oscillating. When the injection current density was 15 kA/cm 2 , the photocurrent was 1×10 −6 A (see Table 1), and the converted peak emission intensity was 10 mW. The peak emission intensity was calculated from the correlation between the light emitted from the laser irradiation surface of the
[実施例2]
第2実施形態に係る実施例2による光デバイス1Bは、第2メサ構造におけるp型コンタクト層上に、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のV、Al、MoおよびAuを含むn型ショットキー電極23(第1電極)とNiおよびAuを含むp型オーミック電極24(第2電極)が対向して形成されたこと以外は、実施例1と同様にして形成された。
[Example 2]
The
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、実施例2による光デバイス1Bでは、レーザを発振していない状態では暗電流は5×10-10Aであった。また、注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は9×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1.8×104であった(表1参照)。このように、実施例2による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The obtained
[実施例3]
第3実施形態に係る実施例3による光デバイス1Cは、第2メサ構造におけるp型コンタクト層上に、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のNiおよびAuを含むp型ショットキー電極25a(第1電極)およびp型ショットキー電極25b(第2電極)が対向して形成されたこと以外は、実施例1と同様にして形成された。
[Example 3]
An
得られた光デバイス1Cに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Cに設けられたp型ショットキー電極25aおよびp型ショットキー電極25bの間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、実施例3による光デバイス1Cでは、レーザを発振していない状態では暗電流は1×10-10Aであった。また、注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は9×10-7Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、9×103であった(表1参照)。このように、実施例3による光デバイス1Cは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Cによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The end face emission intensity of the obtained
[実施例4]
第4実施形態に係る実施例4による光デバイス1Dは、第2メサ構造におけるp型コンタクト層上に、<1-100>方向に平行であって、<1-100>方向に長い矩形のNiおよびAuを含むp型ショットキー電極25(第1電極)とNiおよびAuを含むp型オーミック電極24(第2電極)が対向して形成されたこと以外は、実施例1と同様にして形成された。
[Example 4]
An
得られた光デバイス1Dに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Dに設けられたp型ショットキー電極25およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、実施例4による光デバイス1Dでは、レーザを発振していない状態では暗電流は4×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は7×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1.8×104であった(表1参照)。このように、実施例4による光デバイス1Aは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Aによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The obtained
[実施例5]
第2実施形態に係る実施例5による光デバイス1Bは、第1メサ構造および第2メサ構造の間の距離が50μmであったこと以外は、実施例2と同様にして形成された。
[Example 5]
An
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、実施例5による光デバイス1Bでは、レーザを発振していない状態では暗電流は5×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は2×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、4×103であった(表1参照)。このように、実施例5による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The end face emission intensity of the obtained
[実施例6]
第2実施形態に係る実施例6による光デバイス1Bは、第1メサ構造および第2メサ構造の間の距離が5μmであったこと以外は、実施例2と同様にして形成された。
[Example 6]
An
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。レーザを発振していない状態では暗電流は5×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は1×10-5Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、2×104であった(表1参照)。このように、実施例6による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The end face emission intensity of the obtained
[実施例7]
第2実施形態に係る実施例7による光デバイス1Bは、n型ショットキー電極23(第1電極)およびp型オーミック電極24(第2電極)の間の距離が1μmであったこと以外は、実施例2と同様にして形成された。
[Example 7]
The
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、レーザを発振していない状態では暗電流は7×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は1×10-5Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1.4×104であった(表1参照)。このように、実施例7による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The end face emission intensity of the obtained
[実施例8]
第2実施形態に係る実施例8による光デバイス1Bは、n型ショットキー電極23(第1電極)およびp型オーミック電極24(第2電極)の間の距離が10μmであったこと以外は、実施例2と同様にして形成された。
[Example 8]
The
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、レーザを発振していない状態では暗電流は5×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は4×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、8×103であった(表1参照)。このように、実施例8による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The edge emission intensity of the obtained
[実施例9]
第2実施形態に係る実施例8による光デバイス1Bは、n型ショットキー電極23(第1電極)およびp型オーミック電極24(第2電極)の間の距離が20μmであったこと以外は、実施例2と同様にして形成された。
[Example 9]
The
得られた光デバイス1Bに対してレーザダイオード10へ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子20Bに設けられたn型ショットキー電極23およびp型オーミック電極24の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、レーザを発振していない状態では暗電流は5×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流は2×10-6Aであり(表1参照)、換算されたピーク発光強度は10mWであった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、4×103であった(表1参照)。このように、実施例9による光デバイス1Bは、レーザダイオード10の出力を受光素子20Bによってリアルタイムでモニタリングすることができた。
The end face emission intensity of the obtained
[比較例1]
比較例1による光デバイスは、第1メサ構造及び第2メサ構造が同一の形状であり、第2メサ構造が各実施形態における第1メサ構造と同様に第3電極および第4電極を備えること以外は、実施例1と同様にして形成された。つまり、比較例1による光デバイスは、n型クラッド層の一部が露出し、n型クラッド層の露出部分に配置された第3電極と、受光素子のp型コンタクト電極上に配置された1つの第4電極とを有する。
[Comparative Example 1]
The optical device according to Comparative Example 1 was formed in the same manner as Example 1, except that the first mesa structure and the second mesa structure had the same shape, and the second mesa structure had a third electrode and a fourth electrode like the first mesa structure in each embodiment. That is, the optical device according to Comparative Example 1 has a part of the n-type cladding layer exposed, a third electrode arranged on the exposed part of the n-type cladding layer, and one fourth electrode arranged on the p-type contact electrode of the light receiving element.
得られた光デバイスに対してレーザダイオードへ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子に設けられた第3電極および第4で極の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、レーザを発振していない状態では暗電流は1×10-10Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流も1×10-10Aであり(表1参照)、ピーク発光強度を検出することができなかった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1.0であった(表1参照)。このように、比較例1による光デバイスは、レーザダイオードの出力をリアルタイムでモニタリングすることができなかった。 The edge emission intensity of the obtained optical device was measured by injecting a current into the laser diode. At this time, a voltage of 5 V was applied between the third electrode and the fourth electrode provided on the light receiving element. As shown in Table 1, the dark current was 1×10 −10 A when the laser was not oscillating. When the injection current density was 15 kA/cm 2 , the photocurrent was also 1×10 −10 A (see Table 1), and the peak emission intensity could not be detected. Furthermore, the ratio of the photocurrent to the dark current (S/N ratio) was 1.0 (see Table 1). Thus, the optical device according to Comparative Example 1 was unable to monitor the output of the laser diode in real time.
[比較例2]
比較例2による光デバイスは、第2メサ構造に設けられたp型コンタクト層上に、<1-100>方向に平行であって<1-100>方向に長い矩形のNiおよびAuを含み、各実施形態における第3電極および第4電極に対応する2つのオーミック電極金属領域が対向して形成されたこと以外は、実施例1と同様にして形成された。
[Comparative Example 2]
The optical device of Comparative Example 2 was formed in the same manner as Example 1, except that a p-type contact layer provided in the second mesa structure contained rectangular Ni and Au that were parallel to the <1-100> direction and elongated in the <1-100> direction, and two ohmic electrode metal regions corresponding to the third electrode and fourth electrode in each embodiment were formed facing each other.
得られた光デバイスに対してレーザダイオードへ電流注入することによる端面発光強度測定を実施した。このとき、受光素子に設けられた2つのオーミック電極金属領域の間に5Vの電圧を印加した。表1に示すように、レーザを発振していない状態では暗電流は1×10-3Aであった。注入電流密度が15kA/cm2のとき、光電流も1×10-3Aであり(表1参照)、ピーク発光強度を検出することができなかった。さらに、光電流と暗電流との比(S/N比)は、1.0であった(表1参照)。このように、比較例2による光デバイスは、レーザダイオードの出力をリアルタイムでモニタリングすることができなかった。 The edge emission intensity of the obtained optical device was measured by injecting a current into the laser diode. At this time, a voltage of 5 V was applied between two ohmic electrode metal regions provided on the light receiving element. As shown in Table 1, the dark current was 1×10 −3 A when the laser was not oscillating. When the injection current density was 15 kA/cm 2 , the photocurrent was also 1×10 −3 A (see Table 1), and the peak emission intensity could not be detected. Furthermore, the ratio of the photocurrent to the dark current (S/N ratio) was 1.0 (see Table 1). Thus, the optical device according to Comparative Example 2 was unable to monitor the output of the laser diode in real time.
以上説明したように、第1実施形態から第4実施形態および実施例1から9による光デバイスは、Alを含む窒化物半導体基板100と、窒化物半導体基板100上に形成されて第1窒化物半導体積層体11を有するレーザダイオード10と、窒化物半導体基板100上に形成されて第2窒化物半導体積層体21を有する受光素子20A~20Dのいずれか1つとを備えている。受光素子20A~20Dはそれぞれ、第2窒化物半導体積層体20のp型コンタクト層216上に第1電極と第2電極を少なくとも有し、第1電極と第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である。
As described above, the optical devices according to the first to fourth embodiments and examples 1 to 9 include a
これにより、第1実施形態から第4実施形態および実施例1から9による光デバイスは、受光素子20A~20Dを用いてレーザダイオード10の出力をリアルタイムでモニタリングすることができる。
As a result, the optical devices according to the first to fourth embodiments and examples 1 to 9 can monitor the output of the
1A,1B,1C,1D 光デバイス
10 レーザダイオード
11 第1窒化物半導体積層体
12 n型コンタクト電極
13 p型コンタクト電極
20 第2窒化物半導体積層体
20A,20B,20C,20D 受光素子
21 第2窒化物半導体積層体
23,23a,23b n型ショットキー電極
24 p型オーミック電極
25,25a,25b p型ショットキー電極
100 窒化物半導体基板
111,211 n型クラッド層
112,212 n型導波路層
113,213 活性層
114,214 p型導波路層
115,215 p型クラッド層
116,216 p型コンタクト層
Claims (21)
前記窒化物半導体基板上に形成され、第1窒化物半導体積層体を有するレーザダイオードと、
前記窒化物半導体基板上に形成され、第2窒化物半導体積層体を有する受光素子と、
を備え、
前記第1窒化物半導体積層体および前記第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、
第1導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第1導電型クラッド層と、
前記第1導電型クラッド層上に配置され、1つ以上の量子井戸を含む窒化物半導体層で形成された活性層と、
前記活性層上に配置され、第2導電型の導電性を有する窒化物半導体層を含む第2導電型クラッド層と、
前記第2導電型クラッド層上に配置された第2導電型コンタクト層と、を有し、
前記レーザダイオードは、前記第1窒化物半導体積層体の前記第1導電型クラッド層の露出された領域の一部に配置された第1導電型コンタクト電極と、前記第1窒化物半導体積層体の前記第2導電型コンタクト層上に配置された第2導電型コンタクト電極とを有し、
前記受光素子は、前記第2窒化物半導体積層体の前記第2導電型コンタクト層に接する第1電極と第2電極を少なくとも有し、
前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一方はショットキー電極である
光デバイス。 a nitride semiconductor substrate containing aluminum;
a laser diode formed on the nitride semiconductor substrate and having a first nitride semiconductor stack;
a light receiving element formed on the nitride semiconductor substrate and having a second nitride semiconductor stack;
Equipped with
Each of the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack is
a first conductivity type cladding layer including a nitride semiconductor layer having a first conductivity type;
an active layer formed of a nitride semiconductor layer including one or more quantum wells and disposed on the first conductive type cladding layer;
a second conductive type cladding layer disposed on the active layer and including a nitride semiconductor layer having a second conductive type conductivity;
a second conductive type contact layer disposed on the second conductive type cladding layer;
the laser diode has a first conductivity type contact electrode disposed in a part of an exposed region of the first conductivity type cladding layer of the first nitride semiconductor stack, and a second conductivity type contact electrode disposed on the second conductivity type contact layer of the first nitride semiconductor stack,
the light receiving element has at least a first electrode and a second electrode in contact with the second conductivity type contact layer of the second nitride semiconductor stack,
At least one of the first electrode and the second electrode is a Schottky electrode.
請求項1に記載の光デバイス。 2. The optical device according to claim 1, wherein the laser diode and the light receiving element are electrically isolated from each other except for the nitride semiconductor substrate and a part of the first conductivity type cladding layer.
請求項1または2に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein at least one of the first electrode and the second electrode is an electrode of a first conductivity type.
前記第1電極と前記第2電極は、対向して配置されている
請求項1から3のいずれか一項に記載の光デバイス。 both the first electrode and the second electrode are first conductivity type electrodes;
The optical device according to claim 1 , wherein the first electrode and the second electrode are disposed opposite to each other.
請求項1から4のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein the Schottky electrode is a first conductivity type electrode containing at least two of titanium, aluminum, gold, nickel, vanadium, molybdenum, and zirconium.
請求項1または2に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein at least one of the first electrode and the second electrode is an electrode of a second conductivity type.
前記第1電極と前記第2電極は、対向して配置されている
請求項1,2または6に記載の光デバイス。 both the first electrode and the second electrode are second conductivity type electrodes;
The optical device according to claim 1 , 2 or 6 , wherein the first electrode and the second electrode are disposed opposite to each other.
請求項6または7のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 6 , wherein the second conductivity type contact electrode contains at least nickel or gold.
前記第2電極が第2導電型のオーミック電極である
請求項1または2に記載の光デバイス。 the first electrode is a first conductivity type electrode,
The optical device according to claim 1 , wherein the second electrode is an ohmic electrode of a second conductivity type.
前記第2電極が第2導電型のオーミック電極である
請求項1または2に記載の光デバイス。 the first electrode is a second conductivity type electrode,
The optical device according to claim 1 , wherein the second electrode is an ohmic electrode of a second conductivity type.
請求項1から10のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein the light receiving element is a metal-semiconductor-metal type sensor.
請求項1から11のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein the distance between the first electrode and the second electrode is not less than 2 μm and not more than 20 μm.
請求項1から12のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein the distance between the laser diode and the light receiving element is not less than 1 μm and not more than 1000 μm.
請求項1から13のいずれか一項に記載の光デバイス。 The optical device according to claim 1 , wherein the nitride semiconductor substrate is an aluminum nitride single crystal substrate.
請求項1から14のいずれか一項に記載の光デバイス。 the second conductive type cladding layer has a band gap narrower than at least the active layer;
15. An optical device according to any one of claims 1 to 14.
前記第1導電型クラッド層と前記活性層との間に配置されて前記活性層へ光を閉じ込める第1導電型導波路層と、
前記第2導電型クラッド層と前記活性層との間に配置されて前記活性層へ光を閉じ込める第2導電型導波路層と、
更に有する、
請求項1から14のいずれか一項に記載の光デバイス。 Each of the first nitride semiconductor stack and the second nitride semiconductor stack is
a first conductivity type waveguide layer disposed between the first conductivity type cladding layer and the active layer to confine light to the active layer;
a second conductivity type waveguide layer disposed between the second conductivity type cladding layer and the active layer to confine light to the active layer;
Further,
15. An optical device according to any one of claims 1 to 14.
前記第1窒化物半導体積層体および前記第2窒化物半導体積層体のそれぞれは、前記第2導電型縦伝導層と前記第2導電型導波路層との間に配置されて、AlgGa(1-g)N(0<g≦1.0)層を備える、
請求項16に記載の光デバイス。 the second conductivity type cladding layer includes a second conductivity type vertical conduction layer that includes Al e Ga 1- e N (0.1≦ e ≦1) and has a composition gradient in which the Al composition ratio e decreases with increasing distance from the nitride semiconductor substrate, the second conductivity type vertical conduction layer being disposed on the nitride semiconductor substrate side, and a second conductivity type lateral conduction layer that includes Al f Ga 1-f N (0<f≦1) and is disposed on the second conductivity type contact electrode side;
Each of the first nitride semiconductor laminate and the second nitride semiconductor laminate is disposed between the second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type waveguide layer and includes an Al g Ga (1-g) N (0<g≦1.0) layer.
17. The optical device of claim 16.
請求項17に記載の光デバイス。 The thickness of the second conductive type vertical conductive layer is 250 nm or more and 450 nm or less.
20. The optical device of claim 17.
請求項17または18に記載の光デバイス。 the second conductivity type vertical conduction layer has an undoped region in a certain range including an interface with the second conductivity type waveguide layer in a thickness direction of the second conductivity type cladding layer;
19. An optical device according to claim 17 or 18.
前記第2導電型縦伝導層および前記第2導電型横伝導層は、前記窒化物半導体基板に対して完全歪である、
請求項17から19のいずれか一項に記載の光デバイス。 the first conductive type cladding layer is made of Al a Ga (1-a) N (0.6≦a≦0.8);
the second conductive type vertical conduction layer and the second conductive type lateral conduction layer are fully strained with respect to the nitride semiconductor substrate;
20. An optical device according to any one of claims 17 to 19.
請求項17から20のいずれか一項に記載の光デバイス。 the second conductive type lateral conduction layer has an Al composition ratio f that is greater than a minimum value of the Al composition ratio e at a surface adjacent to the second conductive type vertical conduction layer;
21. An optical device according to any one of claims 17 to 20.
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