窒化物半導体光機能素子
【課題】発光領域が小さい光機能素子を低コストで提供する。
【解決手段】基板２上の透明薄膜４中に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列したフォトニック結晶３１が形成され、フォトニック結晶導波路３０はこのフォトニック結晶の一部分に孔を形成しない領域を設けることによって形成されている。この導波路の下部に開口部が形成され、当該開口部が埋まるように窒化物半導体を基板上から透明薄膜の上側まで結晶成長させることによって発光素子１０が形成されている。
【解決手段】基板２上の透明薄膜４中に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列したフォトニック結晶３１が形成され、フォトニック結晶導波路３０はこのフォトニック結晶の一部分に孔を形成しない領域を設けることによって形成されている。この導波路の下部に開口部が形成され、当該開口部が埋まるように窒化物半導体を基板上から透明薄膜の上側まで結晶成長させることによって発光素子１０が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 III族（ＩＵＰＡＣ表記では１３族：以下同じ）窒化物系化合物半導体を用いた発光素子や受光素子を有する光通信用の窒化物半導体光機能素子に関し、特に、プラスチックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた通信システムの光送受信器に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
プラスチックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた短距離用ＬＡＮ（local area network）光通信の開発が進んでいる。ＰＯＦは非常に低コストで作製することができることが特徴であるが、ＰＯＦの伝送損失の波長依存性はガラス製オプティカルファイバーと異なる。特に、短波長の波長領域、具体的には４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長領域、又は６６０ｎｍ付近の波長領域ではＰＯＦの伝送損失は小さい一方、ＰＯＦは赤外線領域の光を通すことができない。そこで、ＰＯＦを用いたシステムでは、発光素子として、GaAs系の化合物半導体を用いた発光波長６６０ｎｍの赤色の発光ダイオードが用いられてきた。この赤色発光ダイオードには、砒素系材料を用いているという問題や、発光波長の温度依存性が高いという問題がある。また、ＰＯＦの伝送損失自体も６６０ｎｍ付近の波長領域よりも４４０ｎｍ〜５８０ｎｍ付近の波長領域でより小さい。
【０００３】
そこで、近年、ＰＯＦ用の光源として、 III族窒化物系化合物半導体を用いた発光波長４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの発光ダイオードが検討されている。しかしながら、従来の III族窒化物系化合物半導体発光ダイオードの問題点の１つとして、応答速度が遅く高域遮断周波数が低いという問題がある。これは、 III族窒化物系化合物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有するため、活性層に内部電界が発生し、その結果として、発光再結合寿命が長くなることに起因する。
【０００４】
このような問題に対して、発光ダイオードの光強度を低下させずに応答速度を向上させて高域遮断周波数を高くする方法として、特許文献１のようなＬＥＤ（light-emitting diode）構造が提案されている。特許文献１によれば、サファイア表面に凹凸形状を形成し、その凹凸上に窒化物半導体を結晶成長させる。これにより、窒化物半導体中の活性層に欠陥が増加し、非発光再結合寿命が短くなるため、応答速度が速くなる一方、欠陥が増加することにより生じる光出力の低下については、凹凸形状による光取り出し向上効果により相殺している。
【０００５】
ところで、従来の III族窒化物系化合物半導体発光ダイオードのもう一つの問題点として、発光ダイオードとＰＯＦとのカップリングが低いという問題がある。すなわち、発光ダイオードからの出射光は素子上面に対して±９０°の広い範囲に出射されるため、出射光を効率良くＰＯＦに導くための集光技術が必要となる。そこで、従来、発光ダイオードの指向性を向上させたり、又はＰＯＦの端面にレンズを形成して開口数ＮＡを大きくすることによって、ＰＯＦへの出射光の取り込み効率を向上させてきた。さらに、発光素子の光出射領域を小さくする方法として、非特許文献１のように、ナノワイヤー等の微小発光素子とフォトニック結晶導波路とを組み合わせた光機能素子も提案されている。
【０００６】
以下、図１４を用いて従来の光機能素子について説明する。図１４に示すように、n-GaN/i-InGaN/p-AlGaN/p-GaN の積層構成を有するコア・シェル型ナノワイヤーからなるナノワイヤー光源１０１０に対して、ナノワイヤー光源１０１０のp-GaN 層に接続されたp-コンタクト１０２０と、ナノワイヤー光源１０１０のn-GaN 層に接続されたn-コンタクト１０２１とによって電流が注入される。ナノワイヤー光源１０１０のi-InGaN 層で発光した光は、フォトニック結晶導波路１０３０により外部に取り出される。図１４に示す構造においては、ナノワイヤー光源１０１０で変換された光をフォトニック結晶導波路１０３０によって導波し、素子端面におけるナノオーダーの発光領域から光を出射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０９６０２６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hong-Gyu Park他、A wavelength-selective photonic-crystal waveguide coupled to a nanowire light source、Nature Photonics、Vol.2、2008年10月、p.622-626
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、サファイア基板上に形成した凹凸上に窒化物半導体を結晶成長させた従来の発光素子構造においては、応答速度を向上させるために窒化物半導体中の欠陥を増加させているため、発光素子の信頼性寿命が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
また、ナノワイヤー光源とフォトニック結晶導波路とを結合させた従来の光機能素子においては、ナノワイヤー光源をフォトニック結晶の所定の位置に配置する必要があるため、製造コストが大幅に増加してしまうという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、発光領域が小さい光機能素子を低コストで提供することを第１の目的とし、光機能素子における発光素子の応答速度を速くすることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の第１の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体光機能素子は、基板上に形成された発光素子及び透明薄膜を有する窒化物半導体光機能素子であって、前記透明薄膜中にフォトニック結晶導波路及び開口部が形成されており、前記発光素子は、前記開口部が埋まるように前記基板上から前記透明薄膜の上側まで結晶成長させた窒化物半導体からなる。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子によると、フォトニック結晶導波路が形成された基板上に窒化物半導体からなる発光素子をモノリシックに形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することができる。また、発光素子により発光した光をフォトニック結晶導波路を用いて出射することができるため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。
【００１４】
前記の第２の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記発光素子の発光層の一部又は全部が、前記窒化物半導体の半極性面に形成されていることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体の再結合速度を向上させることができる。このため、発光素子の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【００１５】
尚、本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記発光素子の発光層の一部が、前記窒化物半導体の無極性面に形成されていてもよい。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記基板はシリコンから構成されていてもよい。このようにすると、基板を低コストで大口径化することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記透明薄膜はシリコン窒化物から構成されていてもよい。このようにすると、基板上に低コストで透明薄膜を形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、シリコン基板等のコストが低い基板上に窒化物半導体を結晶成長させることにより発光素子が形成されているため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することができる。また、発光光をフォトニック結晶導波路によって導波するため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。また、例えば発光素子の発光層の少なくとも一部を窒化物半導体の半極性面に形成することによって、発光素子の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は実施例１の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図であり、図２（ｂ）は、実施例１の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の電子顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の発光層で発光された光の微小発光素子内部での強度分布を計算した結果を説明する図である。
【図４】図４（ａ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子におけるフォトニック結晶導波路の設計例を示す上面図であり、図４（ｂ）は当該設計に用いたパラメータの値を示す図である。
【図５】図５は実施例１の窒化物半導体光機能素子のフォトニック結晶導波路において発光光が伝搬する様子を計算した結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の発光層をＣ面に成長させた場合と半極性面に成長させた場合のそれぞれについて、発光再結合寿命及び非発光再結合寿命を測定した結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｆ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】図８は実施例２の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｅ）は実施例２の窒化物半導体光機能素子の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は実施例３の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）は実施例３の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、実施例３の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の電子顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は実施例４の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図１３は実施例４の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子及び微小受光素子の詳細を示す断面図である。
【図１４】図１４は従来例の窒化物半導体光機能素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１の窒化物半導体光機能素子の構造及び製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
［実施例１の構成］
図１は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、実施例１の窒化物半導体光機能素子１は主に基板２とフォトニック結晶導波路３０と微小発光素子１０とから構成される。フォトニック結晶導波路３０は、例えば、Si3 N4 、TiO2 、又はSiO2 の単層構造又は積層構造よりなる透明薄膜４に形成されたフォトニック結晶３１により構成されている。
【００２２】
具体的には、フォトニック結晶３１は、透明薄膜４内に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列することによって形成されており、フォトニック結晶導波路３０は、透明薄膜４におけるフォトニック結晶３１が形成されていない領域に形成されている。すなわち、フォトニック結晶３１の一部分に、孔を形成しない領域を設けることによって、当該領域がフォトニック結晶導波路３０となる。
【００２３】
また、透明薄膜４の一部分は、基板２上に形成された例えばSiO2 等からなる犠牲層３によって支持されている。すなわち、フォトニック結晶３１及びフォトニック結晶導波路３０は、基板２上に中空構造が生じるように保持されている。さらに、透明薄膜４の一部分の上には、フォトニック結晶３１を形成するために、例えばＳｉＯ2 等からなるカバー層５（図１では記載を省略：図２（ａ）参照）が形成されている。
【００２４】
また、微小発光素子１０は、例えば(Al,Ga,In)N 等の III族窒化物化合物半導体の積層構造よりなり、基板２上から、フォトニック結晶導波路３０を構成する透明薄膜４を貫通して、透明薄膜４の上側まで形成されている。ここで、微小発光素子１０は、フォトニック結晶導波路３０の中央部に配置されており、フォトニック結晶導波路３０と光学的に結合されている。微小発光素子１０の最表面上及び透明薄膜４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線２０が形成されている。配線２０は、微小発光素子１０の最表面上に形成された金属電極２０ａと、透明薄膜４の一部分の上にカバー層５を介して形成された金属配線２０ｂとを有する。当該配線２０及び基板２を通じて微小発光素子１０に電力が供給される。このとき、基板２における前述のフォトニック結晶３１等の形成面とは反対の面上に金属電極を形成することによって、前述の電力を容易に供給することが可能となる。このようにして微小発光素子１０に供給された電力は、微小発光素子１０内の発光層において光に変換され、当該光はフォトニック結晶導波路３０を伝搬して窒化物半導体光機能素子１の外部に放射される。窒化物半導体光機能素子１から出射された出射光６０はＰＯＦ５０に導波される。
【００２５】
次に、図１のＡ−Ａ’断面線に沿った微小発光素子１０近傍の断面構成を示す図２（ａ）を参照しながら、微小発光素子１０の詳細な構造について説明する。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、微小発光素子１０は、基板２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子１０の第１の光ガイド層１０ｃは、犠牲層３及び透明薄膜４に形成された開口部６を埋めるようにバッファ層１０ａ及び第１のクラッド層１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜４上では台形形状に形成されている。ここで、当該台形形状の上面は III族窒化物半導体の＜１０００＞面つまり極性面となっており、当該台形形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１２−２＞面つまり半極性面となっており、当該極性面及び当該半極性面に発光層１０ｄが形成されている。
【００２７】
図２（ｂ）は、窒化物化合物半導体層の形状を確認するために、ＧａＮ層を形成したＳｉ基板上にＳｉＯ2 層を形成した後、開口幅２．５μｍのストライプ状の開口部６を形成し、その後,開口部６内のＧａＮ層から窒化物化合物半導体を結晶成長させた様子を示す電子顕微鏡写真である。図２（ｂ）に示す結果から、窒化物化合物半導体の結晶成長条件及び開口部６の開口部幅を調整することにより、前述の台形形状を調整することが可能であることが分かった。また、透明薄膜４は微小発光素子１０を挟むように形成されている。また、犠牲層３の一部は、透明薄膜４と基板２の間に位置する微小発光素子１０の表面を覆うように残存する。また、カバー層５の一部は、透明薄膜４と微小発光素子１０との間を埋めるように形成されている。尚、犠牲層３及びカバー層５については、後述の製造方法の説明で詳細に述べる。
【００２８】
以上に述べた微小発光素子１０の構成において、配線２０側から供給された電力は、金属電極２０ａ、第２のクラッド層１０ｆ及び第２の光ガイド層１０ｅを通じて発光層１０ｄへ正孔として供給される。一方、基板２側から供給された電力は、バッファ層１０ａ、第１のクラッド層１０ｂ及び第１の光ガイド層１０ｃを通じて発光層１０ｄへ電子として供給される。発光層１０ｄへ供給された正孔及び電子は、図示しないＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸内で再結合して光を発する。
【００２９】
図３（ａ）〜（ｅ）は、発光層１０ｄにおいて発光された光の微小発光素子１０内部での強度分布を計算した結果を示している。図３（ａ）は、図２（ｂ）に示す本実施例の断面構成に、計算に用いたパラメータを併記したものであり、図３（ｂ）は、当該パラメータの値を示しており、図３（ｃ）は、微小発光素子１０内の光強度分布の計算結果を示している。尚、図３（ａ）において、第２のクラッド層１０ｆの最上面（第２のクラッド層１０ｆと金属電極２０ａとの界面）に沿った水平軸をＸ軸、開口部６の中心を通る垂直軸をＹ軸としている。また、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の光強度分布をＸ＝０μｍの位置でＹ軸方向に沿って示した図であり、図３（ｅ）は図３（ｃ）の光強度分布をＹ＝−０．３４μｍの位置でＸ軸方向に沿って示した図である。
【００３０】
図３（ｃ）に示す計算結果は、発光層１０ｄより発光される光の波長を５００ｎｍとして得られたものである。この発光波長は、例えば発光層１０ｄを構成するＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ比率を調整することによって（具体的にはＩｎ比率を高くすることにより発光波長を長波長化させることによって）調整可能である。図３（ｃ）に示すように、本実施例においては、光分布の中心が透明薄膜４に位置にするため、微小発光素子１０で発生した光を透明薄膜４に形成されたフォトニック結晶導波路３０に効率よく結合させることができる。
【００３１】
尚、本実施例において、フォトニック結晶導波路３０を形成するためのフォトニック結晶３１は、例えば屈折率２．０のＳｉ3 Ｎ4 からなる透明薄膜４に、多数の円形状開口部をピッチ２３０ｎｍの三角格子状に配置することによって構成可能である。ここで、フォトニック結晶導波路３０を形成するために透明薄膜４に設けられる円形状開口部の直径は例えば１３８ｎｍである。
【００３２】
続いて、図４（ａ）、（ｂ）及び図５を参照しながら、本実施例の窒化物半導体光機能素子におけるフォトニック結晶導波路の好ましい設計例について説明する。図４（ａ）は、本実施例の微小発光素子１０に最適なフォトニック結晶導波路３０を設計する際に用いた図であり、本実施例の窒化物半導体光機能素子を上面から見た図に相当する。図４（ｂ）は、設計に用いたパラメータの値を示している。
【００３３】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトニック結晶３１の開口部３１ａのピッチＰを２３０ｎｍ、フォトニック結晶導波路３０に隣接していない開口部３１ａの直径ａ１を１３８ｎｍ、微小発光素子１０の幅Ｗ１を５７５ｎｍ、フォトニック結晶導波路３０と光学的に結合する微小発光素子１０の先端がフォトニック結晶導波路３０の延びる方向となす角度θを６０°とした。また、フォトニック結晶３１の屈折率をＳｉ3 Ｎ4 を想定して２．０、開口部３１ａの屈折率を空気を想定して１．０、微小発光素子１０の屈折率をＧａＮを想定して２．３とした。以上のような設計においてＦｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法により発光光の伝搬を計算した。このとき、微小発光素子１０内の発光部５１より発光光として、波長３５０〜６００ｎｍでガウス分布の発光強度を持つ平面波がフォトニック結晶導波路３０方向に出射するとした。発光光は、微小発光素子１０内を伝搬し、フォトニック結晶導波路３０に結合され、上方向に伝搬し、受光部５２に到達する。
【００３４】
図５（ａ）及び（ｂ）は、発光部５１より出射し受光部５２に到達する光の割合の波長依存性を計算した結果を示している。具体的には、図５（ａ）は、波長５００ｎｍのときの光の伝搬を計算した結果を示している。図５（ａ）に示すように、微小発光素子１０の発光部５１より出射した光は、フォトニック結晶導波路３０に結合され、当該導波路内を伝搬し、受光部５２に到達している。このとき、伝搬光はほとんどロスなく発光部５１から受光部５２に伝搬されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）で計算した伝搬効率を１とした場合における伝搬効率の波長依存性を示している。図５（ｂ）に示すように、波長４２０〜５３０ｎｍの範囲で波長５００ｎｍと同程度の低ロスの光伝搬効率が得られている。本発明の目的は、例えば波長４４０〜５８０ｎｍの光に対応した窒化物半導体光機能素子を提供することであるが、例えばフォトニック結晶構造を最適化することにより前述の波長範囲全体において伝搬効率の高い窒化物半導体光機能素子を提供することができる。例えば、波長５８０ｎｍ付近において伝搬効率を向上させるためには、フォトニック結晶開口部のピッチを大きくすればよい（例えばピッチを１．１倍にすればよい）。
【００３５】
続いて、前述の台形形状の斜面である半極性面（＜１１２−２＞面）に形成された発光層１０ｄの機能について、図６を参照しながら説明する。図６は、発光層１０ｄを構成するＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸をＣ面に成長させた場合と半極性面に成長させた場合のそれぞれについて、発光再結合寿命及び非発光再結合寿命を測定した結果を示している。図６に示すように、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸をＣ面に成長させた場合、ＩｎＧａＮ井戸層には、結晶の極性が生じることにより発生するピエゾ分極と共に、基板２とバッファ層１０ａ及び第１のクラッド層１０ｂとの間の格子定数差により発生する自発分極が印加される。このピエゾ分極と自発分極とにより発光層１０ｄ中のＩｎＧａＮ量子井戸層に内部電界が発生するため、電子及び正孔の分布に差が生じる。この結果、発光再結合寿命が長くなり、ひいては窒化物半導体光機能素子の駆動速度が低下してしまう。一方、発光層１０ｄを半極性面に成長させた場合、前述の結晶の極性を低減させることができるため、発光層１０ｄ中のＩｎＧａＮ量子井戸層に生じる内部電界を大幅に低減することができる。従って、発光再結合寿命を大幅に短くすることができ、ひいては窒化物半導体光機能素子の駆動速度を大幅に改善することが可能となる。
【００３６】
以上のように、本実施例の構造を用いることにより、駆動速度が速い光通信用の窒化物半導体光機能素子を低コストで提供することができる。
【００３７】
また、本実施例によれば、微小発光素子１０により発光した光を、フォトニック結晶導波路３０を用いて出射することができるため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。
【００３８】
また、本実施例によれば、微小発光素子１０の発光層１０ｄを窒化物半導体の半極性面に形成することにより、微小発光素子１０の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【００３９】
尚、本実施例において、基板２はシリコンからなることが好ましい。このようにすると、基板２を低コストで大口径化することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００４０】
また、本実施例において、透明薄膜４はシリコン窒化物からなることが好ましい。このようにすると、基板２上に低コストで透明薄膜を形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００４１】
［実施例１の製造方法］
続いて、実施例１の窒化物半導体光機能素子の製造方法の一例を図７（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、図７（ａ）に示すように、例えば面方位が<１１１>であるＳｉ基板からなる基板２の主面上に、例えば、ＳｉＯ2 からなる犠牲層３、Ｓｉ3 Ｎ4 からなる透明薄膜４、及びＳｉＯ2 からなるカバー層５を、例えばスパッタ等により順次成膜する。
【００４３】
続いて、図７（ｂ）に示すように、ドライエッチング法により犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５をエッチングして基板２上の所定の位置に開口部６を形成する。
【００４４】
続いて、図７（ｃ）に示すように、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等を用いたエピタキシャル成長により、開口部６内の基板２上から、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層１０ｆを順に成膜して微小発光素子１０を形成する。このとき、成長条件を調整することにより、第１の光ガイド層１０ｃを、開口部６を埋めると共にカバー層５上では台形形状を有するように形成する。
【００４５】
続いて、図７（ｄ）に示すように、犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５の所定の位置に例えば高精細フォトリソグラフィーを用いて複数の孔１１を形成することにより、フォトニック結晶３１となる構造を形成する。
【００４６】
続いて、図７（ｅ）に示すように、微小発光素子１０の表面に金属電極２０ａ及び金属配線２０ｂを例えばフォトリソグラフィーやリフトオフを用いて形成する。
【００４７】
最後に、図７（ｆ）に示すように、例えばフッ酸等のエッチングにより、犠牲層３及びカバー層５のそれぞれの所定部分を除去してフォトニック結晶３１を形成する。このとき、フォトニック結晶３１は上下を空気で挟まれた構造となるため、空気に対するフォトニック結晶３１の屈折率差が大きくなるので、発光光を透明薄膜４中に閉じ込めることができる。また、犠牲層３及びカバー層５のそれぞれの一部分はエッチングされずに残る。例えば、犠牲層３における微小発光素子１０の周辺部及び窒化物半導体光機能素子周縁部が残存し、これにより、透明薄膜４のフォトニック結晶３１部分が中空構造を形成するように保持される。また、カバー層５の一部分は、微小発光素子１０と透明薄膜４との隙間を埋めるように残存する。
【００４８】
以上に説明した本実施例の製造方法を用いることによって、図１等に示す本実施例の窒化物半導体光機能素子と実質的に同じ素子を容易に作製することができる。特に、本実施例では、微小発光素子１０をフォトリソグラフィー及び結晶成長技術を用いて作製するため、微小発光素子１０を基板２の所定の位置に容易に且つ正確に形成することができる。このため、微小発光素子１０とフォトニック結晶導波路３０とを精度良く位置合わせしながら窒化物半導体光機能素子を形成することができる。
【００４９】
尚、本実施例において、基板２をＳｉ基板としたが、その使用方法や製造コスト等に応じて、面方位が<0001>である6H-SiC基板を用いることができる。また、面方位が<１１１>であるＳｉ基板や前述の面方位が<0001>である6H-SiC基板上にｎ−ＡｌＮ等のバッファ層を介してＧａＮ等の窒化物半導体を結晶成長させた基板を基板２として用いても良い。この場合、例えばバッファ層１０ａとしてｎ−ＡｌＮ層に代えてｎ−ＡｌＧａＮ層を用いる等のように、微小発光素子１０の構成をより柔軟に変更することが可能となる。さらには、面方位が<0001>であるサファイア基板上に前述のＧａＮ等の窒化物半導体を結晶成長させた基板を基板２として用いても良い。この場合、犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５の所定の領域に開口部を設けて当該開口部に電極を形成することによって、本実施例と同様に微小発光素子１０に電力を供給することができる。
【００５０】
（実施例２）
以下、本発明の実施例２の窒化物半導体光機能素子の構造及び製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、本実施例の構成は実施例１とほとんど同じであるので、以下、主に実施例１と異なる部分について説明する。
【００５１】
［実施例２の構成］
図８は、本実施例の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子近傍の断面構成を示す図である。
【００５２】
図８に示すように、本実施例の窒化物半導体光機能素子１０１は主に基板１０２とフォトニック結晶１３１と微小発光素子１１０とから構成される。基板１０２としては、微小発光素子１１０から出射される光の波長に対して透明な材料からなる基板、例えば面方位が<0001>であるサファイア基板等を用いる。また、フォトニック結晶１３１が形成される透明薄膜１０４は、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮやＺｎＯなどから構成される。本実施例において、透明薄膜１０４は、実施例１と異なり、基板１０２上に直接形成されると共に導電性を有している。このとき、基板１０２としてサファイア基板を用い、透明薄膜１０４をＧａＮ又はＺｎＯから構成したとすると、波長５７０ｎｍ付近でのサファイア基板、ＧａＮ 、ＺｎＯのそれぞれの屈折率は１．７、２．３、２．０であるため、透明薄膜１０４の屈折率は基板１０２の屈折率よりも大きくなる。このため、微小発光素子１１０からの発光光を透明薄膜１０４内に閉じ込めることができる。
【００５３】
また、図８に示すように、微小発光素子１１０を形成すると共に透明薄膜１０４に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列するために、透明薄膜１０４上には例えばＳｉＯ2 からなるカバー層１０５が形成されている。微小発光素子１１０の構成については、後述する本実施例の製造方法で説明する。微小発光素子１１０の最表面上及びカバー層１０５上にはそれぞれ、例えばAl等の金属からなる金属電極１２０ａ及び金属配線１２０ｂが形成されている。また、カバー層１０５には、微小発光素子１１０が形成される開口部１０６とは別に、図示しない開口部が設けられており、当該開口部には、透明薄膜１０４と電気的に接合されるｎコンタクト電極が設けられる。これにより、当該ｎコンタクト電極及び金属配線１２０ｂを通じて微小発光素子１１０に電力が供給される。
【００５４】
［実施例２の製造方法］
続いて、実施例２の窒化物半導体光機能素子の製造方法の一例を図９（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【００５５】
まず、図９（ａ）に示すように、例えば面方位が<１０００>であるサファイア基板からなる基板１０２の主面上に、例えばエピタキシャル成長を用いてＳｉをドープしたｎ型ＧａＮからなる透明薄膜１０４を形成した後、例えばスパッタ等によりＳｉＯ2 からなるカバー層１０５を成膜する。ここで、透明薄膜１０４は、微小発光素子１１０のうちのバッファ層１１０ａ及び第１のクラッド層１１０ｂとなる。
【００５６】
続いて、図９（ｂ）に示すように、ドライエッチング法又はウエットエッチング法によりカバー層１０５をエッチングして透明薄膜１０４上の所定の位置に開口部１０６を形成する。
【００５７】
続いて、図９（ｃ）に示すように、開口部１０６内の透明薄膜１０４上から、第１の光ガイド層１１０ｃ、発光層１１０ｄ、第２の光ガイド層１１０ｅ、及び第２のクラッド層１１０ｆを順に成膜して微小発光素子１１０を形成する。このとき、成長条件を調整することにより、第１の光ガイド層１１０ｃを、開口部１０６を埋めると共にカバー層１０５上では台形形状を有するように形成する。
【００５８】
続いて、図９（ｄ）に示すように、透明薄膜１０４及びカバー層１０５の所定の位置に例えば高精細フォトリソグラフィーを用いて複数の孔１１１を形成することにより、フォトニック結晶１３１となる構造を形成する。
【００５９】
続いて、図９（ｅ）に示すように、微小発光素子１１０の表面に金属電極１２０ａ及び金属配線１２０ｂを例えばフォトリソグラフィーやリフトオフを用いて形成する。また、カバー層１０５の図示しない所定の位置に開口部を設け、当該開口部に、例えばＣｒ又はＡｕ等からなり且つ透明薄膜１０４と接続するｎコンタクト電極（図示省略）を形成する。
【００６０】
（実施例３）
以下、本発明の実施例３の窒化物半導体光機能素子の構造について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施例の構成は実施例１とほとんど同じであるので、以下、主に実施例１と異なる部分について説明する。
【００６１】
［実施例３の構成］
図１０は、実施例３の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。尚、図１０において、図１に示す実施例１と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００６２】
図１０に示すように、実施例３の窒化物半導体光機能素子２０１は主に基板２とフォトニック結晶導波路３０と微小発光素子２１０とから構成される。本実施例が実施例１と異なっている点は微小発光素子２１０の構成である。
【００６３】
以下、図１０のＢ−Ｂ’断面線に沿った微小発光素子２１０近傍の断面構成を示す図１１（ａ）を参照しながら、微小発光素子２１０の詳細な構造について説明する。
【００６４】
図１１（ａ）に示すように、微小発光素子２１０は、実施例１と同様に、例えば(Al,Ga,In)N 等の III族窒化物化合物半導体の積層構造よりなり、具体的には、基板２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層２１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層２１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層２１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層２１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層２１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層２１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子２１０の第１の光ガイド層２１０ｃは、犠牲層３３及び透明薄膜４に形成された開口部２０６を埋めるようにバッファ層２１０ａ及び第１のクラッド層２１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜４上では三角形状に形成されている。ここで、当該三角形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１−０２＞面（Ｒ面）つまり半極性面となっており、当該半極性面に発光層２１０ｄが形成されている。
【００６５】
また、図１１（ａ）に示すように、微小発光素子２１０の最表面上及び透明薄膜４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線２２０が形成されている。配線２２０は、微小発光素子２１０の最表面上に形成された金属電極２２０ａと、透明薄膜４の一部分の上にカバー層５を介して形成された金属配線２２０ｂとを有する。当該配線２２０及び基板２を通じて微小発光素子２１０に電力が供給される。
【００６６】
図１１（ｂ）は、窒化物化合物半導体層の形状を確認するために、ＧａＮ層を形成したＳｉ基板上にＳｉＯ2 層を形成した後、開口幅１．０μｍのストライプ形状の開口部２０６を形成し、その後、当該開口部２０６内のＧａＮ層から窒化物化合物半導体を結晶成長させた様子を示す電子顕微鏡写真である。図１１（ｂ）に示す結果から、窒化物化合物半導体の結晶成長条件及び開口部２０６の開口部幅を調整することにより、前述の三角形状を調整することが可能であることが分かった。
【００６７】
本実施例によると、実施例１と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、微小発光素子２１０が三角形状の断面を有しているため、発光層２１０ｄの全体が前述の半極性面に形成される。従って、微小発光素子２１０の応答速度をより速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子をより高速で動作させることが可能となる。
【００６８】
（実施例４）
以下、本発明の実施例４の窒化物半導体光機能素子の構造について、図面を参照しながら説明する。本実施例は、実施例１の微小発光素子と同様の構成を有する素子を受光素子として機能させた微小受光素子を、実施例３の微小発光素子と併設した受発光モジュールを対象とするが、本実施例の受発光モジュールを構成する微小発光素子及び微小受光素子のそれぞれとして、実施例１〜３のいずれの微小発光素子と同様の構成を有する素子を用いてもよい。
【００６９】
［実施例４の構成］
図１２は、実施例４の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【００７０】
図１２に示すように、実施例４の窒化物半導体光機能素子３０１は主に基板３０２とフォトニック結晶導波路３３０及び３４０と微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とから構成される。フォトニック結晶導波路３３０及び３４０は、例えば、Si3 N4 、TiO2 、又はSiO2 の単層構造又は積層構造よりなる透明薄膜３０４に形成されたフォトニック結晶３３１により構成されている。
【００７１】
具体的には、フォトニック結晶３３１は、透明薄膜３０４内に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列することによって形成されており、フォトニック結晶導波路３３０及び３４０はそれぞれ、透明薄膜３０４におけるフォトニック結晶３３０が形成されていない領域に形成されている。すなわち、フォトニック結晶３３１の一部分に、孔を形成しない領域設けることによって、当該領域がフォトニック結晶導波路３３０及び３４０となる。
【００７２】
また、透明薄膜３０４の一部分は、基板３０２上に形成された例えばSiO2 等からなる犠牲層３０３によって支持されている。すなわち、フォトニック結晶３３１並びにフォトニック結晶導波路３３０及び３４０は、基板３０２上に中空構造が生じるように保持されている。さらに、透明薄膜３０４上の一部分の上には、フォトニック結晶３３１を形成するため、例えば、例えばＳｉＯ2 等からなるカバー層３０５（図１２では記載を省略：図１３参照）が形成されている。尚、配線３２０及び３２５については後述する。
【００７３】
以上に述べた構成において、フォトニック結晶導波路３３０は微小発光素子３１０と光学的に結合されていると共に、フォトニック結晶導波路３４０は微小受光素子３１５と光学的に結合されている。この構成により、微小発光素子３１０から発した光はフォトニック結晶導波路３３０を伝搬して素子端部より外部へ放射される。一方、フォトニック結晶導波路３４０を伝搬する光は微小受光素子３１５に導かれて電気信号へ変換される。このようにして、窒化物半導体光機能素子３０１から出射された出射光３６０はＰＯＦ３５０に導波される。一方、ＰＯＦ３５０により導波されてきた入射光３７０はフォトニック結晶導波路３４０の端部より入射されて、窒化物半導体光機能素子３０１に受光される。
【００７４】
次に、図１２のＣ−Ｃ’断面線に沿った微小発光素子３１０近傍及び微小受光素子３１５近傍の断面構成を示す図１３を参照しながら、微小発光素子３１０及び微小受光素子３１５の詳細な構造について説明する。
【００７５】
図１３に示すように、ｐ型の半導体、例えばｐ型Ｓｉからなる基板３０２の表面部には、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とを電気的に分離するために、例えばｎ＋層である埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂが形成されている。
【００７６】
微小発光素子３１０は、基板３０２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層３１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層３１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層３１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層３１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層３１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層３１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子３１０の第１の光ガイド層３１０ｃは、犠牲層３０３及び透明薄膜３０４に形成された開口部３０６を埋めるようにバッファ層３１０ａ及び第１のクラッド層３１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜３０４上では三角形状に形成されている。ここで、当該三角形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１−０２＞面つまり半極性面となっており、当該半極性面に発光層３１０ｄが形成されている。
【００７７】
また、微小発光素子３１０の最表面上及び透明薄膜３０４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線３２０が形成されている。配線３２０は、微小発光素子３１０の最表面上に形成された金属電極３２０ａと、透明薄膜３０４の一部分の上にカバー層３０５を介して形成された金属配線３２０ｂとを有する。ここで、金属電極３２０ａは第２のクラッド層３１０ｆと電気的に接続されている。
【００７８】
また、基板３０２の表面上の犠牲層３０３、透明薄膜３０４及びカバー層３０５には、図示しない開口部が形成されており、当該開口部には、埋め込み層３０２ａと電気的に接続する金属電極が形成されている。これにより、配線３２０及び基板３０２の埋め込み層３０２ａを通じて微小発光素子３１０に電力が供給される。具体的には、基板３２０及び埋め込み層３０２ａをグランド端子に接続して配線３２０に所定の電圧を印加することにより、発光層３２０ｄに電流が流れて光が生成される。
【００７９】
一方、微小受光素子３１５は、基板３０２上に、微小発光素子３１０と同様に、バッファ層３１５ａ、第１のクラッド層３１５ｂ、第１の光ガイド層３１５ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される受光層３１５ｄ、第２の光ガイド層３１５ｅ、及び第２のクラッド層３１５ｆを順次積層することにより構成されている。尚、微小受光素子３１５は、微小発光素子３１０と実質的に同じ積層構造を有するが、微小発光素子３１０において例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層３１０ｄは、微小受光素子３１５においては光を受光する受光層３１５ｄとなる。
【００８０】
また、微小受光素子３１５が形成される開口部３０７の開口部幅は、微小発光素子３１０が形成される開口部３０６の開口部幅とは異なる。この開口部幅差により、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とを互いに異なる形状で形成することが可能となる。具体的には、微小受光素子３１５の第１の光ガイド層３１５ｃは、犠牲層３０３及び透明薄膜３０４に形成された開口部３０７を埋めるようにバッファ層３１５ａ及び第１のクラッド層３１５ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜３０４上では台形形状に形成されている。ここで、当該台形形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１２−２＞面つまり半極性面となっており、当該半極性面に受光層３１５ｄが形成されている。従って、本実施例においては、発光層３１０ｄと受光層３１５ｄとが互いに異なる結晶面に形成されるため、発光層３１０ｄと受光層３１５ｄとは互いに異なるＩｎ組成のＩｎＧａＮ層から構成される。言い換えると、発光層３１０ｄ及び受光層３１５ｄのそれぞれに適したＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を形成することができる。
【００８１】
また、微小受光素子３１５の最表面上及び透明薄膜３０４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線３２５が形成される。配線３１５は、微小受光素子３１５の最表面上に形成された金属電極３２５ａと、透明薄膜３０４の一部分の上にカバー層３０５を介して形成された金属配線３２５ｂとを有する。ここで、金属電極３２５ａは第２のクラッド層３１５ｆと電気的に接続されている。
【００８２】
また、基板３０２の表面の犠牲層３０３、透明薄膜３０４及びカバー層３０５には、図示しない開口部が形成されており、当該開口部には、埋め込み層３０２ｂと電気的に接続する金属電極が形成されている。これにより、配線３２５及び基板３０２の埋め込み層３０２ｂを通じて微小受光素子３１５に電力が供給される。具体的には、基板３２０及び埋め込み層３０２ｂをグランド端子に接続して配線３２５に所定のマイナス電圧を印加した状態において受光層３１５ｄに光が入射すると、光電流が流れるため、入射光量に応じた電流量を検出することが可能となる。
【００８３】
尚、埋め込み層３０２ａと基板３２０とが電気的に分離されていると共に埋め込み層３０２ｂと基板３２０とが電気的に分離されているため、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とは電気的に分離されている。
【００８４】
本実施例の窒化物半導体光機能素子を用いることにより、実施例１〜３と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、発光素子及び受光素子の両方のＰＯＦに対する結合効率を高くすることができる。さらに、１つの基板上に発光素子及び受光素子の両方が形成されているため、ＰＯＦ及び光機能素子を用いた光通信システムを低コストで作製することが可能となる。
【００８５】
尚、本実施例において、基板３０２としてｐ型Ｓｉ基板を、埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂとしてｎ＋層を用いたが、これに代えて、ｐ型とｎ型とを入れ替えた構成、つまり基板３０２としてｎ型Ｓｉ基板を、埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂとしてｐ＋層を用いた構成を採用した場合にも、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子は、例えば波長４４０〜５７０ｎｍ程度の範囲の光を高い指向性で放射することができるため、光ファイバーを利用した光通信用の光機能素子の他、例えば投影型ディスプレイ等用の可視光光源としても活用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１、１０１、２０１、３０１ 窒化物半導体光機能素子
２、１０２、３０２ 基板
３、３０３ 犠牲層
４、３０４ 透明薄膜
５、３０５ カバー層
６、１０６、２０６、３０６、３０７ 開口部
１０、１１０、２１０、３１０ 微小発光素子
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ、３１５ａ バッファ層
１０ｂ、１１０ｂ、２１０ｂ、３１０ｂ、３１５ｂ 第１のクラッド層
１０ｃ、１１０ｃ、２１０ｃ、３１０ｃ、３１５ｃ 第１の光ガイド層
１０ｄ、１１０ｄ、２１０ｄ、３１０ｄ、３１５ｄ 発光層
１０ｅ、１１０ｅ、２１０ｅ、３１０ｅ、３１５ｅ 第２の光ガイド層
１０ｆ、１１０ｆ、２１０ｆ、３１０ｆ、３１５ｆ 第２のクラッド層
１１、１１１ 孔
２０、２２０、３２０、３２５ 配線
２０ａ、１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、３２５ａ 金属電極
２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、３２５ｂ 金属配線
３０、３３０、３４０ フォトニック結晶導波路
３１、１３１、３３１ フォトニック結晶
３１ａ、３１ｂ フォトニック結晶の開口部
５０、３５０ ＰＯＦ
５１ 発光面
５２ 受光面
６０、３６０ 出射光
１０４ 誘電体薄膜
１０５ 誘電体カバー層
３０２ａ、３０２ｂ 埋め込み層
３１５ 微小受光素子
３７０ 入射光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、 III族（ＩＵＰＡＣ表記では１３族：以下同じ）窒化物系化合物半導体を用いた発光素子や受光素子を有する光通信用の窒化物半導体光機能素子に関し、特に、プラスチックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた通信システムの光送受信器に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
プラスチックオプティカルファイバー（ＰＯＦ）を用いた短距離用ＬＡＮ（local area network）光通信の開発が進んでいる。ＰＯＦは非常に低コストで作製することができることが特徴であるが、ＰＯＦの伝送損失の波長依存性はガラス製オプティカルファイバーと異なる。特に、短波長の波長領域、具体的には４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの波長領域、又は６６０ｎｍ付近の波長領域ではＰＯＦの伝送損失は小さい一方、ＰＯＦは赤外線領域の光を通すことができない。そこで、ＰＯＦを用いたシステムでは、発光素子として、GaAs系の化合物半導体を用いた発光波長６６０ｎｍの赤色の発光ダイオードが用いられてきた。この赤色発光ダイオードには、砒素系材料を用いているという問題や、発光波長の温度依存性が高いという問題がある。また、ＰＯＦの伝送損失自体も６６０ｎｍ付近の波長領域よりも４４０ｎｍ〜５８０ｎｍ付近の波長領域でより小さい。
【０００３】
そこで、近年、ＰＯＦ用の光源として、 III族窒化物系化合物半導体を用いた発光波長４４０ｎｍ〜５８０ｎｍの発光ダイオードが検討されている。しかしながら、従来の III族窒化物系化合物半導体発光ダイオードの問題点の１つとして、応答速度が遅く高域遮断周波数が低いという問題がある。これは、 III族窒化物系化合物半導体がウルツ鉱型の結晶構造を有するため、活性層に内部電界が発生し、その結果として、発光再結合寿命が長くなることに起因する。
【０００４】
このような問題に対して、発光ダイオードの光強度を低下させずに応答速度を向上させて高域遮断周波数を高くする方法として、特許文献１のようなＬＥＤ（light-emitting diode）構造が提案されている。特許文献１によれば、サファイア表面に凹凸形状を形成し、その凹凸上に窒化物半導体を結晶成長させる。これにより、窒化物半導体中の活性層に欠陥が増加し、非発光再結合寿命が短くなるため、応答速度が速くなる一方、欠陥が増加することにより生じる光出力の低下については、凹凸形状による光取り出し向上効果により相殺している。
【０００５】
ところで、従来の III族窒化物系化合物半導体発光ダイオードのもう一つの問題点として、発光ダイオードとＰＯＦとのカップリングが低いという問題がある。すなわち、発光ダイオードからの出射光は素子上面に対して±９０°の広い範囲に出射されるため、出射光を効率良くＰＯＦに導くための集光技術が必要となる。そこで、従来、発光ダイオードの指向性を向上させたり、又はＰＯＦの端面にレンズを形成して開口数ＮＡを大きくすることによって、ＰＯＦへの出射光の取り込み効率を向上させてきた。さらに、発光素子の光出射領域を小さくする方法として、非特許文献１のように、ナノワイヤー等の微小発光素子とフォトニック結晶導波路とを組み合わせた光機能素子も提案されている。
【０００６】
以下、図１４を用いて従来の光機能素子について説明する。図１４に示すように、n-GaN/i-InGaN/p-AlGaN/p-GaN の積層構成を有するコア・シェル型ナノワイヤーからなるナノワイヤー光源１０１０に対して、ナノワイヤー光源１０１０のp-GaN 層に接続されたp-コンタクト１０２０と、ナノワイヤー光源１０１０のn-GaN 層に接続されたn-コンタクト１０２１とによって電流が注入される。ナノワイヤー光源１０１０のi-InGaN 層で発光した光は、フォトニック結晶導波路１０３０により外部に取り出される。図１４に示す構造においては、ナノワイヤー光源１０１０で変換された光をフォトニック結晶導波路１０３０によって導波し、素子端面におけるナノオーダーの発光領域から光を出射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０９６０２６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hong-Gyu Park他、A wavelength-selective photonic-crystal waveguide coupled to a nanowire light source、Nature Photonics、Vol.2、2008年10月、p.622-626
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、サファイア基板上に形成した凹凸上に窒化物半導体を結晶成長させた従来の発光素子構造においては、応答速度を向上させるために窒化物半導体中の欠陥を増加させているため、発光素子の信頼性寿命が低下してしまうという問題がある。
【００１０】
また、ナノワイヤー光源とフォトニック結晶導波路とを結合させた従来の光機能素子においては、ナノワイヤー光源をフォトニック結晶の所定の位置に配置する必要があるため、製造コストが大幅に増加してしまうという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、発光領域が小さい光機能素子を低コストで提供することを第１の目的とし、光機能素子における発光素子の応答速度を速くすることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の第１の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体光機能素子は、基板上に形成された発光素子及び透明薄膜を有する窒化物半導体光機能素子であって、前記透明薄膜中にフォトニック結晶導波路及び開口部が形成されており、前記発光素子は、前記開口部が埋まるように前記基板上から前記透明薄膜の上側まで結晶成長させた窒化物半導体からなる。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子によると、フォトニック結晶導波路が形成された基板上に窒化物半導体からなる発光素子をモノリシックに形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することができる。また、発光素子により発光した光をフォトニック結晶導波路を用いて出射することができるため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。
【００１４】
前記の第２の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記発光素子の発光層の一部又は全部が、前記窒化物半導体の半極性面に形成されていることが好ましい。このようにすると、窒化物半導体の再結合速度を向上させることができる。このため、発光素子の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【００１５】
尚、本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記発光素子の発光層の一部が、前記窒化物半導体の無極性面に形成されていてもよい。
【００１６】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記基板はシリコンから構成されていてもよい。このようにすると、基板を低コストで大口径化することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子において、前記透明薄膜はシリコン窒化物から構成されていてもよい。このようにすると、基板上に低コストで透明薄膜を形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、シリコン基板等のコストが低い基板上に窒化物半導体を結晶成長させることにより発光素子が形成されているため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することができる。また、発光光をフォトニック結晶導波路によって導波するため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。また、例えば発光素子の発光層の少なくとも一部を窒化物半導体の半極性面に形成することによって、発光素子の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は実施例１の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図２（ａ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図であり、図２（ｂ）は、実施例１の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の電子顕微鏡写真である。
【図３】図３（ａ）〜（ｅ）は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の発光層で発光された光の微小発光素子内部での強度分布を計算した結果を説明する図である。
【図４】図４（ａ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子におけるフォトニック結晶導波路の設計例を示す上面図であり、図４（ｂ）は当該設計に用いたパラメータの値を示す図である。
【図５】図５は実施例１の窒化物半導体光機能素子のフォトニック結晶導波路において発光光が伝搬する様子を計算した結果を示す図である。
【図６】図６は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の発光層をＣ面に成長させた場合と半極性面に成長させた場合のそれぞれについて、発光再結合寿命及び非発光再結合寿命を測定した結果を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｆ）は実施例１の窒化物半導体光機能素子の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】図８は実施例２の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｅ）は実施例２の窒化物半導体光機能素子の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は実施例３の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】図１１（ａ）は実施例３の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の詳細を示す断面図であり、図１１（ｂ）は、実施例３の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子の電子顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は実施例４の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図１３は実施例４の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子及び微小受光素子の詳細を示す断面図である。
【図１４】図１４は従来例の窒化物半導体光機能素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１の窒化物半導体光機能素子の構造及び製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
［実施例１の構成］
図１は、実施例１の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、実施例１の窒化物半導体光機能素子１は主に基板２とフォトニック結晶導波路３０と微小発光素子１０とから構成される。フォトニック結晶導波路３０は、例えば、Si3 N4 、TiO2 、又はSiO2 の単層構造又は積層構造よりなる透明薄膜４に形成されたフォトニック結晶３１により構成されている。
【００２２】
具体的には、フォトニック結晶３１は、透明薄膜４内に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列することによって形成されており、フォトニック結晶導波路３０は、透明薄膜４におけるフォトニック結晶３１が形成されていない領域に形成されている。すなわち、フォトニック結晶３１の一部分に、孔を形成しない領域を設けることによって、当該領域がフォトニック結晶導波路３０となる。
【００２３】
また、透明薄膜４の一部分は、基板２上に形成された例えばSiO2 等からなる犠牲層３によって支持されている。すなわち、フォトニック結晶３１及びフォトニック結晶導波路３０は、基板２上に中空構造が生じるように保持されている。さらに、透明薄膜４の一部分の上には、フォトニック結晶３１を形成するために、例えばＳｉＯ2 等からなるカバー層５（図１では記載を省略：図２（ａ）参照）が形成されている。
【００２４】
また、微小発光素子１０は、例えば(Al,Ga,In)N 等の III族窒化物化合物半導体の積層構造よりなり、基板２上から、フォトニック結晶導波路３０を構成する透明薄膜４を貫通して、透明薄膜４の上側まで形成されている。ここで、微小発光素子１０は、フォトニック結晶導波路３０の中央部に配置されており、フォトニック結晶導波路３０と光学的に結合されている。微小発光素子１０の最表面上及び透明薄膜４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線２０が形成されている。配線２０は、微小発光素子１０の最表面上に形成された金属電極２０ａと、透明薄膜４の一部分の上にカバー層５を介して形成された金属配線２０ｂとを有する。当該配線２０及び基板２を通じて微小発光素子１０に電力が供給される。このとき、基板２における前述のフォトニック結晶３１等の形成面とは反対の面上に金属電極を形成することによって、前述の電力を容易に供給することが可能となる。このようにして微小発光素子１０に供給された電力は、微小発光素子１０内の発光層において光に変換され、当該光はフォトニック結晶導波路３０を伝搬して窒化物半導体光機能素子１の外部に放射される。窒化物半導体光機能素子１から出射された出射光６０はＰＯＦ５０に導波される。
【００２５】
次に、図１のＡ−Ａ’断面線に沿った微小発光素子１０近傍の断面構成を示す図２（ａ）を参照しながら、微小発光素子１０の詳細な構造について説明する。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、微小発光素子１０は、基板２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子１０の第１の光ガイド層１０ｃは、犠牲層３及び透明薄膜４に形成された開口部６を埋めるようにバッファ層１０ａ及び第１のクラッド層１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜４上では台形形状に形成されている。ここで、当該台形形状の上面は III族窒化物半導体の＜１０００＞面つまり極性面となっており、当該台形形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１２−２＞面つまり半極性面となっており、当該極性面及び当該半極性面に発光層１０ｄが形成されている。
【００２７】
図２（ｂ）は、窒化物化合物半導体層の形状を確認するために、ＧａＮ層を形成したＳｉ基板上にＳｉＯ2 層を形成した後、開口幅２．５μｍのストライプ状の開口部６を形成し、その後,開口部６内のＧａＮ層から窒化物化合物半導体を結晶成長させた様子を示す電子顕微鏡写真である。図２（ｂ）に示す結果から、窒化物化合物半導体の結晶成長条件及び開口部６の開口部幅を調整することにより、前述の台形形状を調整することが可能であることが分かった。また、透明薄膜４は微小発光素子１０を挟むように形成されている。また、犠牲層３の一部は、透明薄膜４と基板２の間に位置する微小発光素子１０の表面を覆うように残存する。また、カバー層５の一部は、透明薄膜４と微小発光素子１０との間を埋めるように形成されている。尚、犠牲層３及びカバー層５については、後述の製造方法の説明で詳細に述べる。
【００２８】
以上に述べた微小発光素子１０の構成において、配線２０側から供給された電力は、金属電極２０ａ、第２のクラッド層１０ｆ及び第２の光ガイド層１０ｅを通じて発光層１０ｄへ正孔として供給される。一方、基板２側から供給された電力は、バッファ層１０ａ、第１のクラッド層１０ｂ及び第１の光ガイド層１０ｃを通じて発光層１０ｄへ電子として供給される。発光層１０ｄへ供給された正孔及び電子は、図示しないＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸内で再結合して光を発する。
【００２９】
図３（ａ）〜（ｅ）は、発光層１０ｄにおいて発光された光の微小発光素子１０内部での強度分布を計算した結果を示している。図３（ａ）は、図２（ｂ）に示す本実施例の断面構成に、計算に用いたパラメータを併記したものであり、図３（ｂ）は、当該パラメータの値を示しており、図３（ｃ）は、微小発光素子１０内の光強度分布の計算結果を示している。尚、図３（ａ）において、第２のクラッド層１０ｆの最上面（第２のクラッド層１０ｆと金属電極２０ａとの界面）に沿った水平軸をＸ軸、開口部６の中心を通る垂直軸をＹ軸としている。また、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の光強度分布をＸ＝０μｍの位置でＹ軸方向に沿って示した図であり、図３（ｅ）は図３（ｃ）の光強度分布をＹ＝−０．３４μｍの位置でＸ軸方向に沿って示した図である。
【００３０】
図３（ｃ）に示す計算結果は、発光層１０ｄより発光される光の波長を５００ｎｍとして得られたものである。この発光波長は、例えば発光層１０ｄを構成するＩｎＧａＮ量子井戸層のＩｎ比率を調整することによって（具体的にはＩｎ比率を高くすることにより発光波長を長波長化させることによって）調整可能である。図３（ｃ）に示すように、本実施例においては、光分布の中心が透明薄膜４に位置にするため、微小発光素子１０で発生した光を透明薄膜４に形成されたフォトニック結晶導波路３０に効率よく結合させることができる。
【００３１】
尚、本実施例において、フォトニック結晶導波路３０を形成するためのフォトニック結晶３１は、例えば屈折率２．０のＳｉ3 Ｎ4 からなる透明薄膜４に、多数の円形状開口部をピッチ２３０ｎｍの三角格子状に配置することによって構成可能である。ここで、フォトニック結晶導波路３０を形成するために透明薄膜４に設けられる円形状開口部の直径は例えば１３８ｎｍである。
【００３２】
続いて、図４（ａ）、（ｂ）及び図５を参照しながら、本実施例の窒化物半導体光機能素子におけるフォトニック結晶導波路の好ましい設計例について説明する。図４（ａ）は、本実施例の微小発光素子１０に最適なフォトニック結晶導波路３０を設計する際に用いた図であり、本実施例の窒化物半導体光機能素子を上面から見た図に相当する。図４（ｂ）は、設計に用いたパラメータの値を示している。
【００３３】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、フォトニック結晶３１の開口部３１ａのピッチＰを２３０ｎｍ、フォトニック結晶導波路３０に隣接していない開口部３１ａの直径ａ１を１３８ｎｍ、微小発光素子１０の幅Ｗ１を５７５ｎｍ、フォトニック結晶導波路３０と光学的に結合する微小発光素子１０の先端がフォトニック結晶導波路３０の延びる方向となす角度θを６０°とした。また、フォトニック結晶３１の屈折率をＳｉ3 Ｎ4 を想定して２．０、開口部３１ａの屈折率を空気を想定して１．０、微小発光素子１０の屈折率をＧａＮを想定して２．３とした。以上のような設計においてＦｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法により発光光の伝搬を計算した。このとき、微小発光素子１０内の発光部５１より発光光として、波長３５０〜６００ｎｍでガウス分布の発光強度を持つ平面波がフォトニック結晶導波路３０方向に出射するとした。発光光は、微小発光素子１０内を伝搬し、フォトニック結晶導波路３０に結合され、上方向に伝搬し、受光部５２に到達する。
【００３４】
図５（ａ）及び（ｂ）は、発光部５１より出射し受光部５２に到達する光の割合の波長依存性を計算した結果を示している。具体的には、図５（ａ）は、波長５００ｎｍのときの光の伝搬を計算した結果を示している。図５（ａ）に示すように、微小発光素子１０の発光部５１より出射した光は、フォトニック結晶導波路３０に結合され、当該導波路内を伝搬し、受光部５２に到達している。このとき、伝搬光はほとんどロスなく発光部５１から受光部５２に伝搬されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）で計算した伝搬効率を１とした場合における伝搬効率の波長依存性を示している。図５（ｂ）に示すように、波長４２０〜５３０ｎｍの範囲で波長５００ｎｍと同程度の低ロスの光伝搬効率が得られている。本発明の目的は、例えば波長４４０〜５８０ｎｍの光に対応した窒化物半導体光機能素子を提供することであるが、例えばフォトニック結晶構造を最適化することにより前述の波長範囲全体において伝搬効率の高い窒化物半導体光機能素子を提供することができる。例えば、波長５８０ｎｍ付近において伝搬効率を向上させるためには、フォトニック結晶開口部のピッチを大きくすればよい（例えばピッチを１．１倍にすればよい）。
【００３５】
続いて、前述の台形形状の斜面である半極性面（＜１１２−２＞面）に形成された発光層１０ｄの機能について、図６を参照しながら説明する。図６は、発光層１０ｄを構成するＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸をＣ面に成長させた場合と半極性面に成長させた場合のそれぞれについて、発光再結合寿命及び非発光再結合寿命を測定した結果を示している。図６に示すように、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸をＣ面に成長させた場合、ＩｎＧａＮ井戸層には、結晶の極性が生じることにより発生するピエゾ分極と共に、基板２とバッファ層１０ａ及び第１のクラッド層１０ｂとの間の格子定数差により発生する自発分極が印加される。このピエゾ分極と自発分極とにより発光層１０ｄ中のＩｎＧａＮ量子井戸層に内部電界が発生するため、電子及び正孔の分布に差が生じる。この結果、発光再結合寿命が長くなり、ひいては窒化物半導体光機能素子の駆動速度が低下してしまう。一方、発光層１０ｄを半極性面に成長させた場合、前述の結晶の極性を低減させることができるため、発光層１０ｄ中のＩｎＧａＮ量子井戸層に生じる内部電界を大幅に低減することができる。従って、発光再結合寿命を大幅に短くすることができ、ひいては窒化物半導体光機能素子の駆動速度を大幅に改善することが可能となる。
【００３６】
以上のように、本実施例の構造を用いることにより、駆動速度が速い光通信用の窒化物半導体光機能素子を低コストで提供することができる。
【００３７】
また、本実施例によれば、微小発光素子１０により発光した光を、フォトニック結晶導波路３０を用いて出射することができるため、窒化物半導体光機能素子の発光領域を小さくすることができるので、窒化物半導体光機能素子とＰＯＦとの結合効率を高くすることができる。
【００３８】
また、本実施例によれば、微小発光素子１０の発光層１０ｄを窒化物半導体の半極性面に形成することにより、微小発光素子１０の応答速度を速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子の駆動速度を高速化することが可能となる。
【００３９】
尚、本実施例において、基板２はシリコンからなることが好ましい。このようにすると、基板２を低コストで大口径化することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００４０】
また、本実施例において、透明薄膜４はシリコン窒化物からなることが好ましい。このようにすると、基板２上に低コストで透明薄膜を形成することができるため、窒化物半導体光機能素子を低コストで製造することが可能となる。
【００４１】
［実施例１の製造方法］
続いて、実施例１の窒化物半導体光機能素子の製造方法の一例を図７（ａ）〜（ｆ）を参照しながら説明する。
【００４２】
まず、図７（ａ）に示すように、例えば面方位が<１１１>であるＳｉ基板からなる基板２の主面上に、例えば、ＳｉＯ2 からなる犠牲層３、Ｓｉ3 Ｎ4 からなる透明薄膜４、及びＳｉＯ2 からなるカバー層５を、例えばスパッタ等により順次成膜する。
【００４３】
続いて、図７（ｂ）に示すように、ドライエッチング法により犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５をエッチングして基板２上の所定の位置に開口部６を形成する。
【００４４】
続いて、図７（ｃ）に示すように、例えばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等を用いたエピタキシャル成長により、開口部６内の基板２上から、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層１０ｆを順に成膜して微小発光素子１０を形成する。このとき、成長条件を調整することにより、第１の光ガイド層１０ｃを、開口部６を埋めると共にカバー層５上では台形形状を有するように形成する。
【００４５】
続いて、図７（ｄ）に示すように、犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５の所定の位置に例えば高精細フォトリソグラフィーを用いて複数の孔１１を形成することにより、フォトニック結晶３１となる構造を形成する。
【００４６】
続いて、図７（ｅ）に示すように、微小発光素子１０の表面に金属電極２０ａ及び金属配線２０ｂを例えばフォトリソグラフィーやリフトオフを用いて形成する。
【００４７】
最後に、図７（ｆ）に示すように、例えばフッ酸等のエッチングにより、犠牲層３及びカバー層５のそれぞれの所定部分を除去してフォトニック結晶３１を形成する。このとき、フォトニック結晶３１は上下を空気で挟まれた構造となるため、空気に対するフォトニック結晶３１の屈折率差が大きくなるので、発光光を透明薄膜４中に閉じ込めることができる。また、犠牲層３及びカバー層５のそれぞれの一部分はエッチングされずに残る。例えば、犠牲層３における微小発光素子１０の周辺部及び窒化物半導体光機能素子周縁部が残存し、これにより、透明薄膜４のフォトニック結晶３１部分が中空構造を形成するように保持される。また、カバー層５の一部分は、微小発光素子１０と透明薄膜４との隙間を埋めるように残存する。
【００４８】
以上に説明した本実施例の製造方法を用いることによって、図１等に示す本実施例の窒化物半導体光機能素子と実質的に同じ素子を容易に作製することができる。特に、本実施例では、微小発光素子１０をフォトリソグラフィー及び結晶成長技術を用いて作製するため、微小発光素子１０を基板２の所定の位置に容易に且つ正確に形成することができる。このため、微小発光素子１０とフォトニック結晶導波路３０とを精度良く位置合わせしながら窒化物半導体光機能素子を形成することができる。
【００４９】
尚、本実施例において、基板２をＳｉ基板としたが、その使用方法や製造コスト等に応じて、面方位が<0001>である6H-SiC基板を用いることができる。また、面方位が<１１１>であるＳｉ基板や前述の面方位が<0001>である6H-SiC基板上にｎ−ＡｌＮ等のバッファ層を介してＧａＮ等の窒化物半導体を結晶成長させた基板を基板２として用いても良い。この場合、例えばバッファ層１０ａとしてｎ−ＡｌＮ層に代えてｎ−ＡｌＧａＮ層を用いる等のように、微小発光素子１０の構成をより柔軟に変更することが可能となる。さらには、面方位が<0001>であるサファイア基板上に前述のＧａＮ等の窒化物半導体を結晶成長させた基板を基板２として用いても良い。この場合、犠牲層３、透明薄膜４及びカバー層５の所定の領域に開口部を設けて当該開口部に電極を形成することによって、本実施例と同様に微小発光素子１０に電力を供給することができる。
【００５０】
（実施例２）
以下、本発明の実施例２の窒化物半導体光機能素子の構造及び製造方法について図面を参照しながら説明する。尚、本実施例の構成は実施例１とほとんど同じであるので、以下、主に実施例１と異なる部分について説明する。
【００５１】
［実施例２の構成］
図８は、本実施例の窒化物半導体光機能素子における微小発光素子近傍の断面構成を示す図である。
【００５２】
図８に示すように、本実施例の窒化物半導体光機能素子１０１は主に基板１０２とフォトニック結晶１３１と微小発光素子１１０とから構成される。基板１０２としては、微小発光素子１１０から出射される光の波長に対して透明な材料からなる基板、例えば面方位が<0001>であるサファイア基板等を用いる。また、フォトニック結晶１３１が形成される透明薄膜１０４は、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮやＺｎＯなどから構成される。本実施例において、透明薄膜１０４は、実施例１と異なり、基板１０２上に直接形成されると共に導電性を有している。このとき、基板１０２としてサファイア基板を用い、透明薄膜１０４をＧａＮ又はＺｎＯから構成したとすると、波長５７０ｎｍ付近でのサファイア基板、ＧａＮ 、ＺｎＯのそれぞれの屈折率は１．７、２．３、２．０であるため、透明薄膜１０４の屈折率は基板１０２の屈折率よりも大きくなる。このため、微小発光素子１１０からの発光光を透明薄膜１０４内に閉じ込めることができる。
【００５３】
また、図８に示すように、微小発光素子１１０を形成すると共に透明薄膜１０４に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列するために、透明薄膜１０４上には例えばＳｉＯ2 からなるカバー層１０５が形成されている。微小発光素子１１０の構成については、後述する本実施例の製造方法で説明する。微小発光素子１１０の最表面上及びカバー層１０５上にはそれぞれ、例えばAl等の金属からなる金属電極１２０ａ及び金属配線１２０ｂが形成されている。また、カバー層１０５には、微小発光素子１１０が形成される開口部１０６とは別に、図示しない開口部が設けられており、当該開口部には、透明薄膜１０４と電気的に接合されるｎコンタクト電極が設けられる。これにより、当該ｎコンタクト電極及び金属配線１２０ｂを通じて微小発光素子１１０に電力が供給される。
【００５４】
［実施例２の製造方法］
続いて、実施例２の窒化物半導体光機能素子の製造方法の一例を図９（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。
【００５５】
まず、図９（ａ）に示すように、例えば面方位が<１０００>であるサファイア基板からなる基板１０２の主面上に、例えばエピタキシャル成長を用いてＳｉをドープしたｎ型ＧａＮからなる透明薄膜１０４を形成した後、例えばスパッタ等によりＳｉＯ2 からなるカバー層１０５を成膜する。ここで、透明薄膜１０４は、微小発光素子１１０のうちのバッファ層１１０ａ及び第１のクラッド層１１０ｂとなる。
【００５６】
続いて、図９（ｂ）に示すように、ドライエッチング法又はウエットエッチング法によりカバー層１０５をエッチングして透明薄膜１０４上の所定の位置に開口部１０６を形成する。
【００５７】
続いて、図９（ｃ）に示すように、開口部１０６内の透明薄膜１０４上から、第１の光ガイド層１１０ｃ、発光層１１０ｄ、第２の光ガイド層１１０ｅ、及び第２のクラッド層１１０ｆを順に成膜して微小発光素子１１０を形成する。このとき、成長条件を調整することにより、第１の光ガイド層１１０ｃを、開口部１０６を埋めると共にカバー層１０５上では台形形状を有するように形成する。
【００５８】
続いて、図９（ｄ）に示すように、透明薄膜１０４及びカバー層１０５の所定の位置に例えば高精細フォトリソグラフィーを用いて複数の孔１１１を形成することにより、フォトニック結晶１３１となる構造を形成する。
【００５９】
続いて、図９（ｅ）に示すように、微小発光素子１１０の表面に金属電極１２０ａ及び金属配線１２０ｂを例えばフォトリソグラフィーやリフトオフを用いて形成する。また、カバー層１０５の図示しない所定の位置に開口部を設け、当該開口部に、例えばＣｒ又はＡｕ等からなり且つ透明薄膜１０４と接続するｎコンタクト電極（図示省略）を形成する。
【００６０】
（実施例３）
以下、本発明の実施例３の窒化物半導体光機能素子の構造について、図面を参照しながら説明する。尚、本実施例の構成は実施例１とほとんど同じであるので、以下、主に実施例１と異なる部分について説明する。
【００６１】
［実施例３の構成］
図１０は、実施例３の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。尚、図１０において、図１に示す実施例１と同じ構成要素には同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００６２】
図１０に示すように、実施例３の窒化物半導体光機能素子２０１は主に基板２とフォトニック結晶導波路３０と微小発光素子２１０とから構成される。本実施例が実施例１と異なっている点は微小発光素子２１０の構成である。
【００６３】
以下、図１０のＢ−Ｂ’断面線に沿った微小発光素子２１０近傍の断面構成を示す図１１（ａ）を参照しながら、微小発光素子２１０の詳細な構造について説明する。
【００６４】
図１１（ａ）に示すように、微小発光素子２１０は、実施例１と同様に、例えば(Al,Ga,In)N 等の III族窒化物化合物半導体の積層構造よりなり、具体的には、基板２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層２１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層２１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層２１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層２１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層２１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層２１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子２１０の第１の光ガイド層２１０ｃは、犠牲層３３及び透明薄膜４に形成された開口部２０６を埋めるようにバッファ層２１０ａ及び第１のクラッド層２１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜４上では三角形状に形成されている。ここで、当該三角形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１−０２＞面（Ｒ面）つまり半極性面となっており、当該半極性面に発光層２１０ｄが形成されている。
【００６５】
また、図１１（ａ）に示すように、微小発光素子２１０の最表面上及び透明薄膜４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線２２０が形成されている。配線２２０は、微小発光素子２１０の最表面上に形成された金属電極２２０ａと、透明薄膜４の一部分の上にカバー層５を介して形成された金属配線２２０ｂとを有する。当該配線２２０及び基板２を通じて微小発光素子２１０に電力が供給される。
【００６６】
図１１（ｂ）は、窒化物化合物半導体層の形状を確認するために、ＧａＮ層を形成したＳｉ基板上にＳｉＯ2 層を形成した後、開口幅１．０μｍのストライプ形状の開口部２０６を形成し、その後、当該開口部２０６内のＧａＮ層から窒化物化合物半導体を結晶成長させた様子を示す電子顕微鏡写真である。図１１（ｂ）に示す結果から、窒化物化合物半導体の結晶成長条件及び開口部２０６の開口部幅を調整することにより、前述の三角形状を調整することが可能であることが分かった。
【００６７】
本実施例によると、実施例１と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、微小発光素子２１０が三角形状の断面を有しているため、発光層２１０ｄの全体が前述の半極性面に形成される。従って、微小発光素子２１０の応答速度をより速くすることができるので、窒化物半導体光機能素子をより高速で動作させることが可能となる。
【００６８】
（実施例４）
以下、本発明の実施例４の窒化物半導体光機能素子の構造について、図面を参照しながら説明する。本実施例は、実施例１の微小発光素子と同様の構成を有する素子を受光素子として機能させた微小受光素子を、実施例３の微小発光素子と併設した受発光モジュールを対象とするが、本実施例の受発光モジュールを構成する微小発光素子及び微小受光素子のそれぞれとして、実施例１〜３のいずれの微小発光素子と同様の構成を有する素子を用いてもよい。
【００６９】
［実施例４の構成］
図１２は、実施例４の窒化物半導体光機能素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【００７０】
図１２に示すように、実施例４の窒化物半導体光機能素子３０１は主に基板３０２とフォトニック結晶導波路３３０及び３４０と微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とから構成される。フォトニック結晶導波路３３０及び３４０は、例えば、Si3 N4 、TiO2 、又はSiO2 の単層構造又は積層構造よりなる透明薄膜３０４に形成されたフォトニック結晶３３１により構成されている。
【００７１】
具体的には、フォトニック結晶３３１は、透明薄膜３０４内に所定の間隔で所定の大きさの孔を配列することによって形成されており、フォトニック結晶導波路３３０及び３４０はそれぞれ、透明薄膜３０４におけるフォトニック結晶３３０が形成されていない領域に形成されている。すなわち、フォトニック結晶３３１の一部分に、孔を形成しない領域設けることによって、当該領域がフォトニック結晶導波路３３０及び３４０となる。
【００７２】
また、透明薄膜３０４の一部分は、基板３０２上に形成された例えばSiO2 等からなる犠牲層３０３によって支持されている。すなわち、フォトニック結晶３３１並びにフォトニック結晶導波路３３０及び３４０は、基板３０２上に中空構造が生じるように保持されている。さらに、透明薄膜３０４上の一部分の上には、フォトニック結晶３３１を形成するため、例えば、例えばＳｉＯ2 等からなるカバー層３０５（図１２では記載を省略：図１３参照）が形成されている。尚、配線３２０及び３２５については後述する。
【００７３】
以上に述べた構成において、フォトニック結晶導波路３３０は微小発光素子３１０と光学的に結合されていると共に、フォトニック結晶導波路３４０は微小受光素子３１５と光学的に結合されている。この構成により、微小発光素子３１０から発した光はフォトニック結晶導波路３３０を伝搬して素子端部より外部へ放射される。一方、フォトニック結晶導波路３４０を伝搬する光は微小受光素子３１５に導かれて電気信号へ変換される。このようにして、窒化物半導体光機能素子３０１から出射された出射光３６０はＰＯＦ３５０に導波される。一方、ＰＯＦ３５０により導波されてきた入射光３７０はフォトニック結晶導波路３４０の端部より入射されて、窒化物半導体光機能素子３０１に受光される。
【００７４】
次に、図１２のＣ−Ｃ’断面線に沿った微小発光素子３１０近傍及び微小受光素子３１５近傍の断面構成を示す図１３を参照しながら、微小発光素子３１０及び微小受光素子３１５の詳細な構造について説明する。
【００７５】
図１３に示すように、ｐ型の半導体、例えばｐ型Ｓｉからなる基板３０２の表面部には、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とを電気的に分離するために、例えばｎ＋層である埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂが形成されている。
【００７６】
微小発光素子３１０は、基板３０２上に、例えばｎ−ＡｌＮ層からなるバッファ層３１０ａ、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層からなる第１のクラッド層３１０ｂ、例えばｎ−ＧａＮ層からなる第１の光ガイド層３１０ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層３１０ｄ、例えばｐ−ＧａＮ層からなる第２の光ガイド層３１０ｅ、及び例えばｐ−ＡｌＧａＮ層からなる第２のクラッド層３１０ｆを順次積層することにより構成されている。微小発光素子３１０の第１の光ガイド層３１０ｃは、犠牲層３０３及び透明薄膜３０４に形成された開口部３０６を埋めるようにバッファ層３１０ａ及び第１のクラッド層３１０ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜３０４上では三角形状に形成されている。ここで、当該三角形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１−０２＞面つまり半極性面となっており、当該半極性面に発光層３１０ｄが形成されている。
【００７７】
また、微小発光素子３１０の最表面上及び透明薄膜３０４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線３２０が形成されている。配線３２０は、微小発光素子３１０の最表面上に形成された金属電極３２０ａと、透明薄膜３０４の一部分の上にカバー層３０５を介して形成された金属配線３２０ｂとを有する。ここで、金属電極３２０ａは第２のクラッド層３１０ｆと電気的に接続されている。
【００７８】
また、基板３０２の表面上の犠牲層３０３、透明薄膜３０４及びカバー層３０５には、図示しない開口部が形成されており、当該開口部には、埋め込み層３０２ａと電気的に接続する金属電極が形成されている。これにより、配線３２０及び基板３０２の埋め込み層３０２ａを通じて微小発光素子３１０に電力が供給される。具体的には、基板３２０及び埋め込み層３０２ａをグランド端子に接続して配線３２０に所定の電圧を印加することにより、発光層３２０ｄに電流が流れて光が生成される。
【００７９】
一方、微小受光素子３１５は、基板３０２上に、微小発光素子３１０と同様に、バッファ層３１５ａ、第１のクラッド層３１５ｂ、第１の光ガイド層３１５ｃ、例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される受光層３１５ｄ、第２の光ガイド層３１５ｅ、及び第２のクラッド層３１５ｆを順次積層することにより構成されている。尚、微小受光素子３１５は、微小発光素子３１０と実質的に同じ積層構造を有するが、微小発光素子３１０において例えばＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸から構成される発光層３１０ｄは、微小受光素子３１５においては光を受光する受光層３１５ｄとなる。
【００８０】
また、微小受光素子３１５が形成される開口部３０７の開口部幅は、微小発光素子３１０が形成される開口部３０６の開口部幅とは異なる。この開口部幅差により、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とを互いに異なる形状で形成することが可能となる。具体的には、微小受光素子３１５の第１の光ガイド層３１５ｃは、犠牲層３０３及び透明薄膜３０４に形成された開口部３０７を埋めるようにバッファ層３１５ａ及び第１のクラッド層３１５ｂ上に積層されていると共に、透明薄膜３０４上では台形形状に形成されている。ここで、当該台形形状の斜面は III族窒化物半導体の＜１１２−２＞面つまり半極性面となっており、当該半極性面に受光層３１５ｄが形成されている。従って、本実施例においては、発光層３１０ｄと受光層３１５ｄとが互いに異なる結晶面に形成されるため、発光層３１０ｄと受光層３１５ｄとは互いに異なるＩｎ組成のＩｎＧａＮ層から構成される。言い換えると、発光層３１０ｄ及び受光層３１５ｄのそれぞれに適したＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を形成することができる。
【００８１】
また、微小受光素子３１５の最表面上及び透明薄膜３０４の一部分の上には、例えばTi、Cr、Pt、Ag、Al及びAu等の中から選ばれた１つ又は複数の金属からなる配線３２５が形成される。配線３１５は、微小受光素子３１５の最表面上に形成された金属電極３２５ａと、透明薄膜３０４の一部分の上にカバー層３０５を介して形成された金属配線３２５ｂとを有する。ここで、金属電極３２５ａは第２のクラッド層３１５ｆと電気的に接続されている。
【００８２】
また、基板３０２の表面の犠牲層３０３、透明薄膜３０４及びカバー層３０５には、図示しない開口部が形成されており、当該開口部には、埋め込み層３０２ｂと電気的に接続する金属電極が形成されている。これにより、配線３２５及び基板３０２の埋め込み層３０２ｂを通じて微小受光素子３１５に電力が供給される。具体的には、基板３２０及び埋め込み層３０２ｂをグランド端子に接続して配線３２５に所定のマイナス電圧を印加した状態において受光層３１５ｄに光が入射すると、光電流が流れるため、入射光量に応じた電流量を検出することが可能となる。
【００８３】
尚、埋め込み層３０２ａと基板３２０とが電気的に分離されていると共に埋め込み層３０２ｂと基板３２０とが電気的に分離されているため、微小発光素子３１０と微小受光素子３１５とは電気的に分離されている。
【００８４】
本実施例の窒化物半導体光機能素子を用いることにより、実施例１〜３と同様の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。すなわち、発光素子及び受光素子の両方のＰＯＦに対する結合効率を高くすることができる。さらに、１つの基板上に発光素子及び受光素子の両方が形成されているため、ＰＯＦ及び光機能素子を用いた光通信システムを低コストで作製することが可能となる。
【００８５】
尚、本実施例において、基板３０２としてｐ型Ｓｉ基板を、埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂとしてｎ＋層を用いたが、これに代えて、ｐ型とｎ型とを入れ替えた構成、つまり基板３０２としてｎ型Ｓｉ基板を、埋め込み層３０２ａ及び３０２ｂとしてｐ＋層を用いた構成を採用した場合にも、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る窒化物半導体光機能素子は、例えば波長４４０〜５７０ｎｍ程度の範囲の光を高い指向性で放射することができるため、光ファイバーを利用した光通信用の光機能素子の他、例えば投影型ディスプレイ等用の可視光光源としても活用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１、１０１、２０１、３０１ 窒化物半導体光機能素子
２、１０２、３０２ 基板
３、３０３ 犠牲層
４、３０４ 透明薄膜
５、３０５ カバー層
６、１０６、２０６、３０６、３０７ 開口部
１０、１１０、２１０、３１０ 微小発光素子
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ、３１５ａ バッファ層
１０ｂ、１１０ｂ、２１０ｂ、３１０ｂ、３１５ｂ 第１のクラッド層
１０ｃ、１１０ｃ、２１０ｃ、３１０ｃ、３１５ｃ 第１の光ガイド層
１０ｄ、１１０ｄ、２１０ｄ、３１０ｄ、３１５ｄ 発光層
１０ｅ、１１０ｅ、２１０ｅ、３１０ｅ、３１５ｅ 第２の光ガイド層
１０ｆ、１１０ｆ、２１０ｆ、３１０ｆ、３１５ｆ 第２のクラッド層
１１、１１１ 孔
２０、２２０、３２０、３２５ 配線
２０ａ、１２０ａ、２２０ａ、３２０ａ、３２５ａ 金属電極
２０ｂ、１２０ｂ、２２０ｂ、３２０ｂ、３２５ｂ 金属配線
３０、３３０、３４０ フォトニック結晶導波路
３１、１３１、３３１ フォトニック結晶
３１ａ、３１ｂ フォトニック結晶の開口部
５０、３５０ ＰＯＦ
５１ 発光面
５２ 受光面
６０、３６０ 出射光
１０４ 誘電体薄膜
１０５ 誘電体カバー層
３０２ａ、３０２ｂ 埋め込み層
３１５ 微小受光素子
３７０ 入射光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された発光素子及び透明薄膜を有する窒化物半導体光機能素子であって、
前記透明薄膜中にフォトニック結晶導波路及び開口部が形成されており、
前記発光素子は、前記開口部が埋まるように前記基板上から前記透明薄膜の上側まで結晶成長させた窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記発光素子の発光層の一部又は全部が、前記窒化物半導体の半極性面に形成されていることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記発光素子の発光層の一部が、前記窒化物半導体の無極性面に形成されていることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記基板はシリコンからなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記透明薄膜はシリコン窒化物からなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項１】
基板上に形成された発光素子及び透明薄膜を有する窒化物半導体光機能素子であって、
前記透明薄膜中にフォトニック結晶導波路及び開口部が形成されており、
前記発光素子は、前記開口部が埋まるように前記基板上から前記透明薄膜の上側まで結晶成長させた窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記発光素子の発光層の一部又は全部が、前記窒化物半導体の半極性面に形成されていることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記発光素子の発光層の一部が、前記窒化物半導体の無極性面に形成されていることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記基板はシリコンからなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体光機能素子において、
前記透明薄膜はシリコン窒化物からなることを特徴とする窒化物半導体光機能素子。
【図１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図５】
【図１１】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図５】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−９６９８１（Ｐ２０１１−９６９８１Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２２０３（Ｐ２００９−２５２２０３）
【出願日】平成２１年１１月２日（２００９．１１．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２日（２００９．１１．２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]