JPH11261106A - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor deviceInfo
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- JPH11261106A JPH11261106A JP6107898A JP6107898A JPH11261106A JP H11261106 A JPH11261106 A JP H11261106A JP 6107898 A JP6107898 A JP 6107898A JP 6107898 A JP6107898 A JP 6107898A JP H11261106 A JPH11261106 A JP H11261106A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高品質の半導体発光素子、半導体受光素子、半
導体光変調器、およびこれらの素子を集積化した光集積
回路を安価に提供すること。
【解決手段】絶縁性あるいは半絶縁性基板1上に形成さ
れた半導体装置であって、能動素子部の積層構造6〜1
1と、基板1に近い電極15との間に、電子親和力の小
さい半導体層4と不純物が添加された電子親和力の大き
い半導体層5とよりなる積層構造を有することを特徴と
する半導体装置によって上記課題を解決する。
[PROBLEMS] To provide a high-quality semiconductor light-emitting element, semiconductor light-receiving element, semiconductor optical modulator, and an optical integrated circuit in which these elements are integrated at a low cost. A semiconductor device formed on an insulating or semi-insulating substrate, comprising: a laminated structure of active element portions;
1 and an electrode 15 close to the substrate 1, wherein the semiconductor device has a stacked structure including a semiconductor layer 4 having a small electron affinity and a semiconductor layer 5 having a large electron affinity with an impurity added thereto. Solve the problem.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁性あるいは半
絶縁性基板を用いた半導体装置、特に、絶縁性あるいは
半絶縁性基板を用いることが必要である場合の素子分離
を簡便にし、基板に平行な電流路の抵抗が低い半導体装
置に関する。さらに詳しくは、本発明は、素子を構成す
る結晶層の成長基板として望まれる導電性・高結晶品質
・大面積の基板を得ることができないために、絶縁ある
いは半絶縁性基板を用いなければならない半導体発光素
子、半導体受光素子、および半導体光変調器などの半導
体装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device using an insulating or semi-insulating substrate, and more particularly to a method for simplifying element isolation when it is necessary to use an insulating or semi-insulating substrate. The present invention relates to a semiconductor device having a low parallel current path resistance. More specifically, in the present invention, an insulated or semi-insulated substrate must be used because a substrate having a desired conductivity, high crystal quality, and large area cannot be obtained as a growth substrate for a crystal layer constituting an element. The present invention relates to a semiconductor device such as a semiconductor light emitting element, a semiconductor light receiving element, and a semiconductor optical modulator.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、絶縁性あるいは半絶縁性基板を用
いた半導体装置、すなわち、半導体発光素子、半導体受
光素子、半導体光変調器、およびこれらの素子を集積し
た光集積回路において、p、n両電極のうち、基板に近
い方の金属電極から半導体へのキャリアの注入、あるい
は引き抜きを行うとき、基板近傍の半導体層内をその膜
厚方向と垂直な方向、すなわち面内方向にキャリアが走
行することになる。このとき、半導体は金属に比べて比
抵抗が大きいため、発熱が起こる。このようにして発生
した熱が素子の劣化を早める原因となっていた。また、
発熱による温度上昇が、発光素子や受光素子の電気から
光への、あるいは光から電気へのエネルギの変換効率の
低下を招いていた。さらには、素子の温度特性をも低下
させていた。特に半導体レーザでは、この発熱やエネル
ギ変換効率の低下が、閾値電流の上昇につながってい
た。実際に発明者が作製した半絶縁性InP基板上のI
nGaAsP/InP埋め込みレーザ(T. Matsuoka,
K. Takahei, Y. Noguchi and H.Nagai, "1.5μm regio
n InP/GaInAsP buried heterostructure lasers on sem
i-insulating substrates", Electron. Lett., 17(198
1) 12)の場合には、室温連続発振において、絶縁性基
板を用いて基板の片面から電極を取り出した場合と導電
性基板を用いて基板の両面から両電極を取り出した場合
とでは、以下の差異が生じた。すなわち、当時、導電性
基板を用いた場合にはパルス駆動時の閾値電流が50m
A以下の素子は、ヒートシンク上にマウントすると必ず
室温連続発振した。しかし、絶縁性基板を用いた場合に
は、室温連続発振のためには、パルス駆動時の閾値電流
は40mA以下でなければならなかった。2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device using an insulating or semi-insulating substrate, that is, a semiconductor light emitting element, a semiconductor light receiving element, a semiconductor optical modulator, and an optical integrated circuit in which these elements are integrated, p, n When injecting or extracting carriers from the metal electrode closer to the substrate to the semiconductor, the carriers travel in the semiconductor layer near the substrate in the direction perpendicular to the film thickness direction, that is, in the in-plane direction. Will do. At this time, heat is generated because the semiconductor has a higher specific resistance than the metal. The heat generated in this way hastened the deterioration of the element. Also,
The rise in temperature due to heat generation has caused a decrease in the efficiency of energy conversion of light-emitting elements and light-receiving elements from electricity to light or from light to electricity. Further, the temperature characteristics of the device have also been reduced. In particular, in the semiconductor laser, the heat generation and the decrease in the energy conversion efficiency have led to an increase in the threshold current. I on the semi-insulating InP substrate actually produced by the inventor
nGaAsP / InP embedded laser (T. Matsuoka,
K. Takahei, Y. Noguchi and H. Nagai, "1.5 μm regio
n InP / GaInAsP buried heterostructure lasers on sem
i-insulating substrates ", Electron. Lett., 17 (198
1) In the case of 12), in the case of continuous oscillation at room temperature, when the electrodes are taken out from one side of the substrate using an insulating substrate and when both electrodes are taken out from both sides of the substrate using a conductive substrate, Differences occurred. That is, at that time, when a conductive substrate was used, the threshold current during pulse driving was 50 m.
The devices A and below always continually oscillated at room temperature when mounted on a heat sink. However, when an insulating substrate was used, the threshold current at the time of pulse driving had to be 40 mA or less for continuous oscillation at room temperature.
【0003】基板の片面側からだけから電極を取り出す
ためには、積層された複数の半導体の下部領域の層の電
極を形成しなければならない。そのとき素子特性向上の
ためには電流パスを短くことが必要である。そのため、
基板上面から素子を眺めたとき、この下部領域の電極を
なるべく上部電極に近づける必要がある。しかし、下部
電極の形成時には段差のある構造にプロセスを施すこと
になるため、微細加工が難しくなる。そのため、両電極
を近づけることは、歩留まり低下の原因ともなってい
た。加えて、キャリアの走行路のシート抵抗が高いた
め、キャリアの注入や引き抜きを高速で行えないので、
高速変調にも対応できなかった。In order to take out electrodes only from one side of the substrate, it is necessary to form electrodes in a layer in a lower region of a plurality of stacked semiconductors. At that time, it is necessary to shorten the current path in order to improve the element characteristics. for that reason,
When the element is viewed from the upper surface of the substrate, it is necessary to bring the electrode in this lower region as close to the upper electrode as possible. However, when the lower electrode is formed, a process having a step is performed, so that fine processing becomes difficult. Therefore, bringing both electrodes close to each other has also caused a decrease in yield. In addition, since the carrier resistance of the carrier traveling path is high, the carrier cannot be injected or withdrawn at a high speed.
It could not cope with high-speed modulation.
【0004】さらに、素子を集積化する場合、各素子に
同じ電圧を印加できず、各素子の特性を十分に引き出せ
なかった。Further, when the elements are integrated, the same voltage cannot be applied to each element, and the characteristics of each element cannot be sufficiently obtained.
【0005】上記の従来の技術における問題点の原因
は、全て、p、n両電極それぞれに接続するキャリア走
行路のうち、基板に近い側の電極に接続するキャリア走
行路が、金属より比抵抗の大きい半導体層の面内方向に
あったためである。[0005] The cause of the above-mentioned problems in the prior art is that the carrier running path connected to the electrode closer to the substrate among the carrier running paths connected to both the p and n electrodes has a higher resistivity than the metal. This is because the semiconductor layer was in the in-plane direction of the semiconductor layer having a large value.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためになされたものであり、その目的は、高
品質の半導体発光素子、半導体受光素子、半導体光変調
器、およびこれらの素子を集積化した光集積回路を安価
に提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a high quality semiconductor light emitting device, a semiconductor light receiving device, a semiconductor optical modulator, and a semiconductor light modulator. An object is to provide an optical integrated circuit in which elements are integrated at a low cost.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、基板に近い側の電極に接続するキャリア
走行路となる導電層を、電子親和力の小さな第1の半導
体層と、不純物を添加した電子親和力の大きな第2の半
導体層とを積層することによって形成することを最も主
要な特徴とする半導体装置を提供する。第1の半導体層
としては、不純物を添加しない電子親和力の小さな半導
体層が使用できる。本発明に係る半導体装置は、従来の
技術に係る半導体装置に比べて、基板に近い側の電極に
接続するキャリア走行路の抵抗が極めて小さくなり、キ
ャリア走行路での発熱量を大幅に低減できる。また、従
来の技術に係る半導体装置に比べて、pとnとの両電極
間距離を大きくしてもキャリア走行路の抵抗が大きくな
らないため、両電極を近づける必要もなく、素子作製の
歩留まりが向上する。In order to achieve the above object, the present invention provides a method of forming a conductive layer serving as a carrier traveling path connected to an electrode close to a substrate on a first semiconductor layer having a small electron affinity. A semiconductor device characterized by being formed by stacking a second semiconductor layer with a high electron affinity to which an impurity is added, which is the main feature, is provided. As the first semiconductor layer, a semiconductor layer having a small electron affinity without adding an impurity can be used. In the semiconductor device according to the present invention, the resistance of the carrier traveling path connected to the electrode closer to the substrate is extremely small as compared with the semiconductor device according to the related art, and the calorific value in the carrier traveling path can be significantly reduced. . Further, as compared with the semiconductor device according to the prior art, even if the distance between the p and n electrodes is increased, the resistance of the carrier traveling path does not increase. improves.
【0008】本発明に係る半導体装置においては、電子
親和力の小さな第1の半導体層と、不純物を添加した電
子親和力の大きな第2の半導体層との積層を有する構造
を用いることにより、両層の界面近傍に二次元電子ガス
が生じる。二次元電子ガスのキャリア濃度は高く、か
つ、その中でのキャリアの移動度が高い。そのため、二
次元電子ガス領域での電気抵抗は、一種類の材料からな
る従来の半導体キャリア走行路よりも、遥かに低くな
る。そのため、キャリアはこの低抵抗の二次元電子ガス
領域を通るので、キャリア走行路での発熱量を大幅に低
減できる。さらに、従来の技術に係る半導体装置に比べ
て、pとnとの両電極間距離を大きくしてもキャリア走
行路の抵抗が大きくならないため、両電極を近づける必
要もなく、素子作製の歩留まりが向上する。また、キャ
リア走行路の抵抗が小さいため、本キャリア走行路を用
いることにより、高速でキャリアの注入や引き抜きが可
能となり、その結果として本素子による高速変調への対
応も可能となる。In the semiconductor device according to the present invention, by using a structure having a stacked structure of the first semiconductor layer having a small electron affinity and the second semiconductor layer having a large electron affinity having an impurity added thereto, both layers are formed. A two-dimensional electron gas is generated near the interface. The carrier concentration of the two-dimensional electron gas is high, and the mobility of the carrier therein is high. Therefore, the electric resistance in the two-dimensional electron gas region is much lower than that of a conventional semiconductor carrier traveling path made of one kind of material. Therefore, since the carrier passes through the low-resistance two-dimensional electron gas region, the amount of heat generated on the carrier traveling path can be significantly reduced. Further, as compared with the semiconductor device according to the prior art, even if the distance between the p and n electrodes is increased, the resistance of the carrier traveling path does not increase. improves. Further, since the resistance of the carrier traveling path is small, the use of the present carrier traveling path makes it possible to inject and extract carriers at high speed, and as a result, it is possible to cope with high-speed modulation by the present element.
【0009】[0009]
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。なお本説明は一つの例示であって、本発明の精神
を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得
ることは言うまでもない。Embodiments of the present invention will be described. It is to be noted that this description is one example, and it goes without saying that various changes or improvements can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0010】実施の形態1 図1は本発明の第1の実施の形態を説明する図であっ
て、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振
器の軸に垂直な断面図である。ここでは、基板単結晶と
して厚さ330μmの(0001)サファイアを用い
た。素子構造は、サファイア(0001)基板1の表面
に形成した窒化層2(窒化深さ1.2nm)、膜厚20
nmのGaNバッファ層3、膜厚1μmのアンドープG
aN層4、膜厚2μmのSiドープn型Al0.14Ga
0.86N電子供給層5、膜厚0.5μmのSiドープn型
Al0.1Ga0.9Nクラッド層6、膜厚0.1μmのSi
ドープn型GaN導波路層7、膜厚40nmのIn0.1
Ga0.9Nの井戸層と膜厚7nmのGaNバリア層3対
からなる多重量子井戸8、膜厚20nmのMgドープp
型Al0.2Ga0.8N伝導帯エネルギ・ステップ形成層
9、膜厚0.1μmのMgドープp型GaN導波路層1
0、膜厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga0.9N
クラッド層11、および、膜厚0.1μmのMgドープ
p型GaNコンタクト層12からなる。p型用の金属電
極13として、p型GaN12上に膜厚50nmのPd
と膜厚200nmのAuが積層されている。電極注入領
域を制限するために、幅40μmの開口窓を有するSi
O2電流制限絶縁層14を用いている。また、n型用の
金属電極15として、アンドープGaN4上に膜厚50
nmのTiと200nmのAuが積層されている。本素
子において、アンドープGaN層4とSiドープn型A
l0.14Ga0.86N電子供給層5とが、それぞれ、上記電
子親和力の小さな第1の半導体層と不純物を添加した電
子親和力の大きな第2の半導体層とに該当する。Embodiment 1 FIG. 1 is a view for explaining a first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view in a direction in which guided light reciprocates in a resonator, that is, perpendicular to the axis of the resonator. is there. Here, (0001) sapphire having a thickness of 330 μm was used as the substrate single crystal. The element structure has a nitride layer 2 (nitride depth 1.2 nm) formed on the surface of a sapphire (0001) substrate 1 and a film thickness of 20 nm.
nm GaN buffer layer 3 and 1 μm thick undoped G
aN layer 4, 2 μm-thick Si-doped n-type Al 0.14 Ga
0.86 N electron supply layer 5, Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 6 having a thickness of 0.5 μm, Si having a thickness of 0.1 μm
Doped n-type GaN waveguide layer 7, 40 nm thick In 0.1
A multiple quantum well 8 comprising a pair of a Ga 0.9 N well layer and a 7 nm-thick GaN barrier layer, and a 20 nm thick Mg-doped p.
-Type Al 0.2 Ga 0.8 N conduction band energy step forming layer 9, Mg-doped p-type GaN waveguide layer 1 having a thickness of 0.1 μm
0, Mg-doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N with a thickness of 0.5 μm
It comprises a cladding layer 11 and a Mg-doped p-type GaN contact layer 12 having a thickness of 0.1 μm. Pd having a thickness of 50 nm is formed on p-type GaN 12 as metal electrode 13 for p-type.
And Au having a thickness of 200 nm are stacked. In order to limit the electrode injection region, Si having an opening window having a width of 40 μm
The O 2 current limiting insulating layer 14 is used. Further, as the metal electrode 15 for n-type, a film thickness of 50
nm of Ti and 200 nm of Au are laminated. In this device, the undoped GaN layer 4 and the Si-doped n-type A
The l 0.14 Ga 0.86 N electron supply layer 5 corresponds to the first semiconductor layer having a small electron affinity and the second semiconductor layer having a high electron affinity to which an impurity is added, respectively.
【0011】次に本素子の作製法を述べる。結晶成長に
は、縦型成長炉を有する有機金属気相成長装置を用い
た。結晶成長のはじめに、サファイア基板表面を105
0℃で窒化した。その後、550℃でGaNバッファ層
を成長し、1050℃で9分間アニールすることにより
バッファ層の単結晶化を図った。次に、1020℃でS
iドープGaN層12までを成長した。In0.1Ga0.9
N/GaN多重量子井戸層8の成長に当たっては、イン
ジウムが取り込まれるようにするために、成長温度を8
00℃とした。また、本多重量子井戸層の保護のため
に、Mgドープp型Al0.2Ga0.8N伝導帯エネルギ・
ステップ形成層9の成長に当たっても、成長温度を同じ
800℃とした。その上の各層の成長温度は、全て10
20℃とした。結晶成長後、図1に示す形状に結晶層を
エッチングする方法として、塩素ガスを用いたドライエ
ッチング装置を用いた。ここで用いた装置は、高速原子
線反応性エッチング装置である。この装置では、通常フ
ォトリソグラフィ技術に用いられるAZ系フォトレジス
トのエッチング速度に対して、GaN系材料のエッチン
グ速度が1桁以上高い。そのため、垂直性に富んだエッ
チングが可能である。エッチング後、電子ビーム蒸着装
置を用いて、電極金属を蒸着した。電極のパタンニング
には、フォトリソグラフィ技術を用いた。Next, a method for manufacturing the present element will be described. For the crystal growth, a metal organic chemical vapor deposition apparatus having a vertical growth furnace was used. At the beginning of crystal growth, the sapphire substrate surface is
Nitrided at 0 ° C. Thereafter, a GaN buffer layer was grown at 550 ° C. and annealed at 1050 ° C. for 9 minutes to achieve single crystallization of the buffer layer. Next, at 1020 ° C.,
The i-doped GaN layer 12 was grown. In 0.1 Ga 0.9
In growing the N / GaN multiple quantum well layer 8, the growth temperature was set at 8 in order to take indium.
The temperature was set to 00 ° C. In addition, in order to protect the present multiple quantum well layer, the energy of the Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N conduction band
The growth temperature was set to the same 800 ° C. even when growing the step formation layer 9. The growth temperature of each layer on it is 10
20 ° C. After the crystal growth, a dry etching apparatus using chlorine gas was used as a method for etching the crystal layer into the shape shown in FIG. The apparatus used here is a high-speed atomic beam reactive etching apparatus. In this apparatus, the etching rate of the GaN-based material is at least one order of magnitude higher than the etching rate of the AZ-based photoresist used for the photolithography technique. Therefore, etching with high perpendicularity is possible. After the etching, an electrode metal was deposited using an electron beam deposition apparatus. Photolithography technology was used for patterning the electrodes.
【0012】次に、図1の構造の素子の特性について述
べる。Siドープn型Al0.14Ga0.86N電子供給層5
の膜厚が2μmと十分厚いため、膜厚が1μmのアンド
ープGaN層4との間の界面に常に二次元電子ガスが存
在している。そのため、p、n両電極間に電流を流すと
き、n型金属電極15とn型Al0.1Ga0.9Nクラッド
層6との間の電気抵抗が低くなる。そのため、電極15
からn型クラッド層6に至るまでのシート抵抗が本素子
のレーザ特性を損なうことがない。そのため、発振閾値
電流の温度特性も、二次元電子ガスを用いない通常の構
造に比べて、大幅に改善された。また、高出力動作のた
めに大電流を流した場合のキャリア走行路でのジュール
熱発生による温度上昇も低減できた。Next, the characteristics of the device having the structure shown in FIG. 1 will be described. Si-doped n-type Al 0.14 Ga 0.86 N electron supply layer 5
Is sufficiently thick at 2 μm, a two-dimensional electron gas always exists at the interface between the undoped GaN layer 4 and the 1 μm-thick GaN layer 4. Therefore, when a current flows between the p and n electrodes, the electric resistance between the n-type metal electrode 15 and the n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 6 decreases. Therefore, the electrode 15
The sheet resistance from the substrate to the n-type cladding layer 6 does not impair the laser characteristics of the device. Therefore, the temperature characteristic of the oscillation threshold current was also greatly improved as compared with a normal structure using no two-dimensional electron gas. In addition, the temperature rise due to the generation of Joule heat on the carrier traveling path when a large current was passed for high output operation could be reduced.
【0013】実施の形態2 図2は本発明の第2の実施の形態を説明する図であっ
て、導波光が共振器内で往復する方向、すなわち、共振
器の軸に垂直な断面図である。ここでは、基板単結晶と
して厚さ330μmの(0001)サファイアを用い
た。素子構造は、サファイア(0001)基板16の表
面に形成した窒化層17(窒化深さ1.2nm)、膜厚
20nmのGaNバッファ層18、膜厚1μmのアンド
ープGaN層19、膜厚0.1μmのSiドープn型A
l0.14Ga0.86N電子供給層20、膜厚0.5μmのS
iドープn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層21、膜厚
0.1μmのSiドープn型GaN導波路層22、膜厚
40nmのIn0.1Ga0.9Nの井戸層と膜厚7nmのG
aNバリア層3対からなる多重量子井戸23、膜厚20
nmのMgドープp型Al0.2Ga0.8N伝導帯エネルギ
・ステップ形成層24、膜厚0.1μmのMgドープp
型GaN導波路層25、膜厚0.5μmのMgドープp
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層26、および、膜厚0.
1μmのMgドープp型GaNコンタクト層27からな
る。実施の形態1に比べて、Siドープn型Al0.14G
a0.86N電子供給層20の膜厚が遥かに薄いのが特徴で
ある。p型用の金属電極28として、p型GaN層27
上に膜厚50nmのPdと膜厚200nmのAuが積層
されている。電極注入領域を制限するために、実施の形
態1と同様のSiO2電流制限絶縁層29を用いてい
る。また、n型用の金属電極30として、アンドープG
aN層19上に膜厚50nmのTiと200nmのAu
が積層されている。また、本素子は、実施の形態1には
ないゲート電極31を有する。その電極材料および膜厚
はn型用の金属電極と同様である。本素子において、ア
ンドープGaN層19とSiドープn型Al0.14Ga
0.86N電子供給層20とが、それぞれ、上記電子親和力
の小さな第1の半導体層と不純物を添加した電子親和力
の大きな第2の半導体層とに該当する。Embodiment 2 FIG. 2 is a view for explaining a second embodiment of the present invention, and is a sectional view in a direction in which guided light reciprocates in a resonator, that is, a cross section perpendicular to the axis of the resonator. is there. Here, (0001) sapphire having a thickness of 330 μm was used as the substrate single crystal. The element structure includes a nitride layer 17 (nitride depth 1.2 nm) formed on the surface of a sapphire (0001) substrate 16, a GaN buffer layer 18 having a thickness of 20 nm, an undoped GaN layer 19 having a thickness of 1 μm, and a thickness of 0.1 μm. Si-doped n-type A
l 0.14 Ga 0.86 N electron supply layer 20, 0.5 μm thick S
i-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N clad layer 21, Si-doped n-type GaN waveguide layer 22 having a thickness of 0.1 μm, a well layer of In 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 40 nm and G having a thickness of 7 nm
Multiple quantum well 23 composed of three pairs of aN barrier layers, film thickness 20
nm-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N conduction band energy step formation layer 24, 0.1 μm-thick Mg-doped p
-Type GaN waveguide layer 25, Mg-doped p having a thickness of 0.5 μm
Type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 26 and a film thickness of 0.1 mm.
It is made of a 1 μm Mg-doped p-type GaN contact layer 27. Compared to the first embodiment, Si-doped n-type Al 0.14 G
The feature is that the thickness of the a 0.86 N electron supply layer 20 is much thinner. As the p-type metal electrode 28, the p-type GaN layer 27
Pd having a thickness of 50 nm and Au having a thickness of 200 nm are laminated thereon. In order to limit the electrode injection region, the same SiO 2 current limiting insulating layer 29 as in the first embodiment is used. In addition, as the metal electrode 30 for n-type, undoped G
50 nm thick Ti and 200 nm Au on the aN layer 19.
Are laminated. In addition, this element has a gate electrode 31 which is not provided in the first embodiment. The electrode material and the film thickness are the same as those of the n-type metal electrode. In this device, the undoped GaN layer 19 and the Si-doped n-type Al 0.14 Ga
The 0.86 N electron supply layer 20 corresponds to the first semiconductor layer having a small electron affinity and the second semiconductor layer having a large electron affinity to which an impurity is added, respectively.
【0014】なお、本素子の作製法は実施の形態1と同
様である。The method of manufacturing the device is the same as that of the first embodiment.
【0015】次に、図2の構造の素子の特性について述
べる。Siドープn型Al0.14Ga 0.86N電子供給層2
0の膜厚が0.1μmと薄いため、膜厚が1μmのアン
ドープGaN層19との間の界面には、ゲート電圧に依
存して、二次元電子ガスが存在する。すなわち、ゲート
電極31に、n型GaN用電極30に対して大きな負の
電圧を加えると、ゲート電極直下から空乏層が広がり、
上記界面には二次元電子ガスも存在しなくなる。そのた
め、n型GaNからn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層2
1への電流通路が遮断される。従って、p、n両金属電
極間に一定の電圧を印加しておき、ゲート電極に印加す
る電圧を制御することにより、レーザ発振の出力を制御
したり、レーザ発振をオン・オフすることができる。す
なわち、ゲート電圧に電気信号を入力することにより、
光信号を制御できる。このようにして、電気信号を光信
号に変換することができる。Next, the characteristics of the device having the structure shown in FIG.
Bell. Si-doped n-type Al0.14Ga 0.86N electron supply layer 2
0 is as thin as 0.1 μm,
The interface with the doped GaN layer 19 depends on the gate voltage.
Exist, there is a two-dimensional electron gas. That is, the gate
The electrode 31 has a large negative voltage with respect to the n-type GaN electrode 30.
When a voltage is applied, the depletion layer expands from just below the gate electrode,
The two-dimensional electron gas no longer exists at the interface. That
From n-type GaN to n-type Al0.1Ga0.9N cladding layer 2
The current path to 1 is cut off. Therefore, both p and n metal electrodes
A constant voltage is applied between the poles and applied to the gate electrode.
Control the laser oscillation output by controlling the voltage
Or turn on / off laser oscillation. You
That is, by inputting an electric signal to the gate voltage,
The optical signal can be controlled. In this way, the electrical signal is
Can be converted to an issue.
【0016】実施の形態3 図3は本発明の第3の実施の形態を説明する図であっ
て、結晶成長方向に平行な方向を示す断面図である。こ
こでは、基板単結晶として厚さ330μmの(000
1)サファイアを用いた。素子構造は、サファイア(0
001)基板32の表面に形成した窒化層33(窒化深
さ1.2nm)、膜厚20nmのGaNバッファ層3
4、膜厚1μmのアンドープGaN層35、膜厚2μm
のSiドープn型Al0.14Ga0.86N電子供給層36、
膜厚0.5μmのSiドープn型Al0.1Ga0.9Nクラ
ッド層37、膜厚40nmのIn0.1Ga0.9Nの井戸層
と膜厚7nmのGaNバリア層3対からなる多重量子井
戸38、膜厚0.5μmのMgドープp型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層39、および、膜厚0.1μmのMg
ドープp型GaNコンタクト層40からなる。電極構
造、素子形成法は実施の形態1と同様である。また、本
素子にはp型用金属電極41、SiO2電流制限絶縁層
42、および、n型用の金属電極43が配置されてい
る。本素子は発光ダイオードを複数配列した構造をも
つ。本素子において、アンドープGaN層35とSiド
ープn型Al0.14Ga0.86N電子供給層36とが、それ
ぞれ、上記電子親和力の小さな第1の半導体層と不純物
を添加した電子親和力の大きな第2の半導体層とに該当
する。Third Embodiment FIG. 3 is a view for explaining a third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a direction parallel to a crystal growth direction. Here, as the substrate single crystal, (000) having a thickness of 330 μm is used.
1) Sapphire was used. The element structure is sapphire (0
001) The nitride layer 33 (nitride depth 1.2 nm) formed on the surface of the substrate 32 and the GaN buffer layer 3 having a thickness of 20 nm
4. 1 μm thick undoped GaN layer 35, 2 μm thickness
Si-doped n-type Al 0.14 Ga 0.86 N electron supply layer 36 of
A 0.5 μm-thick Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N cladding layer 37, a multiple quantum well 38 comprising a pair of a 40 nm-thick In 0.1 Ga 0.9 N well layer and a 7 nm-thick GaN barrier layer, 0.5 μm Mg-doped p-type Al 0.1 Ga
0.9 N clad layer 39 and 0.1 μm thick Mg
It comprises a doped p-type GaN contact layer 40. The electrode structure and the element formation method are the same as in the first embodiment. Further, a p-type metal electrode 41, a SiO 2 current limiting insulating layer 42, and an n-type metal electrode 43 are arranged in this element. This device has a structure in which a plurality of light emitting diodes are arranged. In this device, the undoped GaN layer 35 and the Si-doped n-type Al 0.14 Ga 0.86 N electron supply layer 36 are respectively composed of the first semiconductor layer having a small electron affinity and the second semiconductor having a large electron affinity with an impurity added. Layers and falls.
【0017】次に、図3の構造の素子の特性について述
べる。実施の形態1と同様にSiドープn型Al0.14G
a0.86N電子供給層36の膜厚が2μmと十分厚いた
め、膜厚1μmのアンドープGaN層35との間の界面
に常に二次元電子ガスが存在している。そのため、p、
n両電極間に電流を流すとき、n型金属電極とn型Al
0.1Ga0.9Nクラッド層37との間の電気抵抗が低くな
る。そのため、本素子のように、同一基板上に複数の素
子が集積され、かつ、n型電極を素子の一端から取り出
すような電極構造であっても、個々の素子は、単体素子
と遜色のない特性を示した。Next, the characteristics of the device having the structure shown in FIG. 3 will be described. As in the first embodiment, Si-doped n-type Al 0.14 G
Since the a 0.86 N electron supply layer 36 has a sufficiently large thickness of 2 μm, a two-dimensional electron gas is always present at the interface between the undoped GaN layer 35 having a thickness of 1 μm. Therefore, p,
When a current flows between the n electrodes, the n-type metal electrode and the n-type Al
The electric resistance between the cladding layer 37 and the 0.1 Ga 0.9 N layer 37 is reduced. Therefore, even when a plurality of elements are integrated on the same substrate and the n-type electrode is taken out from one end of the element as in the present element, each element is not inferior to a single element. The characteristics were shown.
【0018】本実施の形態3においては、発光素子を一
次元に配列したが、二次元に配列することも可能であ
る。In the third embodiment, the light emitting elements are arranged one-dimensionally, but it is also possible to arrange them two-dimensionally.
【0019】以上の実施の形態1〜3では、発光素子に
ついて述べたが、本発明は受光素子や光の半導体変調素
子にも適応できることは言うまでもない。もちろん、そ
れらを混合した素子に対しても、本発明の概念を適用で
きる。また、上記においては、InGaAlN系材料を
用いて説明したが、GaAs系やInPなどの他の材料
に本発明を当然適用できる。また、組成はGa1-xAlx
N(0≦x≦1)、In1-y-zGayAlzN(0≦y,
z,y+z≦1)の範囲内で適宜選ぶことができる。ま
た、n型金属電極を電子親和力の小さな半導体層上に形
成したが、この電極を電子親和力の大きなn型電子供給
層上にわたって形成しても良い。また、基板としては、
絶縁性基板(たとえば上記のサファイア)以外に、半絶
縁性基板(たとえば半絶縁性InP基板)も使用するこ
とができる。In the first to third embodiments, the light emitting element has been described. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a light receiving element and an optical semiconductor modulation element. Of course, the concept of the present invention can be applied to an element obtained by mixing them. Further, in the above description, an InGaAlN-based material has been described, but the present invention is naturally applicable to other materials such as GaAs and InP. The composition is Ga 1-x Al x
N (0 ≦ x ≦ 1) , In 1-yz Ga y Al z N (0 ≦ y,
z, y + z ≦ 1) can be appropriately selected. Further, although the n-type metal electrode is formed on the semiconductor layer having a small electron affinity, this electrode may be formed over the n-type electron supply layer having a large electron affinity. Also, as the substrate,
In addition to an insulating substrate (for example, the above-described sapphire), a semi-insulating substrate (for example, a semi-insulating InP substrate) can also be used.
【0020】[0020]
【発明の効果】以上説明したように、絶縁基板上に形成
する半導体素子を構成する場合に必要となるシート状電
流通路を、電子親和力の小さな半導体層と不純物を添加
した電子親和力の大きな半導体層とを積層した構造を用
いることにより、シート状電流通路の抵抗を従来の構造
に比べて、著しく低減できる利点がある。その結果、素
子の温度特性を改善でき、かつ、大電流注入が可能にな
る。また、電気と光の変換効率も向上する。また、pと
n両電極間の距離を近づける必要がないため、製作工程
が容易となり、素子作製歩留まりも向上する。また、素
子を集積したときにn型電極を基板の一部に形成するだ
けで良いという利点もある。さらには、前記層構造の厚
さを選択することにより、電流通路を遮断状態にした
り、導通状態にしたりすることも可能である。As described above, a sheet-like current path necessary for forming a semiconductor element formed on an insulating substrate is made up of a semiconductor layer having a small electron affinity and a semiconductor layer having a large electron affinity with impurities. There is an advantage that the resistance of the sheet-like current path can be remarkably reduced as compared with the conventional structure by using a structure in which are laminated. As a result, the temperature characteristics of the device can be improved, and a large current can be injected. In addition, the conversion efficiency between electricity and light is improved. Further, since it is not necessary to reduce the distance between the p and n electrodes, the manufacturing process is facilitated and the device manufacturing yield is improved. Further, there is an advantage that it is only necessary to form an n-type electrode on a part of the substrate when the elements are integrated. Further, by selecting the thickness of the layer structure, the current path can be turned off or turned on.
【図1】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図で
ある。FIG. 1 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
【図2】本発明に係る半導体発光素子の構造を示す図で
ある。FIG. 2 is a diagram showing a structure of a semiconductor light emitting device according to the present invention.
【図3】本発明に係る一次元配列半導体発光素子の構造
を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a structure of a one-dimensionally arranged semiconductor light emitting device according to the present invention.
1…サファイア(0001)基板、2…窒化層、3…G
aNバッファ層、4…アンドープGaN層、5…Siド
ープn型Al0.14Ga0.86N層、6…Siドープn型A
l0.1Ga0.9N層、7…Siドープn型GaN層、8…
In0.1Ga0.9N/GaNバリア層からなる多重量子井
戸、9…Mgドープp型Al0.2Ga0.8N層、10…M
gドープp型GaN層、11…Mgドープp型Al0.1
Ga0.9N層、12…Mgドープp型GaN層、13…
p型金属電極、14…SiO2層、15…n型金属電
極、16…サファイア(0001)基板、17…窒化
層、18…GaNバッファ層、19…アンドープGaN
層、20…Siドープn型Al0. 14Ga0.86N層、21
…Siドープn型Al0.1Ga0.9N層、22…Siドー
プn型GaN層、23…In0.1Ga0.9N/GaNから
なる多重量子井戸、24…Mgドープp型Al0.2Ga
0.8N層、25…Mgドープp型GaN層、26…Mg
ドープp型Al0.1Ga0.9N層、27…Mgドープp型
GaN層、28…p型金属電極、29…SiO2層、3
0…n型金属電極、31…ゲート電極、32…サファイ
ア(0001)基板、33…窒化層、34…GaNバッ
ファ層、35…アンドープGaN層、36…Siドープ
n型Al0.14Ga0.86N層、37…Siドープn型Al
0.1Ga0.9N層、38…In0.1Ga0.9N/GaNから
なる多重量子井戸、39…Mgドープp型Al0.1Ga
0.9N層、40…Mgドープp型GaN層、41……p
型金属電極、42…SiO2層、43…n型金属電極。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sapphire (0001) substrate, 2 ... nitride layer, 3 ... G
aN buffer layer, 4 ... undoped GaN layer, 5 ... Si-doped n-type Al 0.14 Ga 0.86 N layer, 6 ... Si-doped n-type A
l 0.1 Ga 0.9 N layer, 7 ... Si-doped n-type GaN layer, 8 ...
An In 0.1 Ga multi-quantum well made of 0.9 N / GaN barrier layer, 9 ... Mg-doped p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer, 10 ... M
g-doped p-type GaN layer, 11 ... Mg-doped p-type Al 0.1
Ga 0.9 N layer, 12... Mg-doped p-type GaN layer, 13.
p-type metal electrode, 14: SiO 2 layer, 15: n-type metal electrode, 16: sapphire (0001) substrate, 17: nitride layer, 18: GaN buffer layer, 19: undoped GaN
Layer, 20 ... Si-doped n-type Al 0. 14 Ga 0.86 N layer, 21
... Si-doped n-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer, 22 ... Si-doped n-type GaN layer, a multiple quantum well composed of 23 ... In 0.1 Ga 0.9 N / GaN, 24 ... Mg -doped p-type Al 0.2 Ga
0.8 N layer, 25: Mg-doped p-type GaN layer, 26: Mg
Doped p-type Al 0.1 Ga 0.9 N layer, 27: Mg-doped p-type GaN layer, 28: p-type metal electrode, 29: SiO 2 layer, 3
0 ... n-type metal electrode, 31 ... gate electrode, 32 ... sapphire (0001) substrate, 33 ... nitride layer, 34 ... GaN buffer layer, 35 ... undoped GaN layer, 36 ... Si-doped n-type Al 0.14 Ga 0.86 N layer, 37 ... Si-doped n-type Al
0.1 Ga 0.9 N layer, multiple quantum wells composed of 38... In 0.1 Ga 0.9 N / GaN, 39... Mg-doped p-type Al 0.1 Ga
0.9 N layer, 40... Mg-doped p-type GaN layer, 41.
Type metal electrode, 42: SiO 2 layer, 43: n-type metal electrode.
Claims (2)
れ、横方向にキャリアを走行させるための導電層を素子
部の積層構造の下部に有する半導体装置において、前記
導電層が、電子親和力の小さい第1の半導体層と不純物
が添加された電子親和力の大きい第2の半導体層とをこ
の順に積層してなることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor device formed on an insulating or semi-insulating substrate and having a conductive layer for allowing carriers to travel in a lateral direction below a laminated structure of an element portion, the conductive layer has an electron affinity. A semiconductor device comprising: a first semiconductor layer having a small size; and a second semiconductor layer having a high electron affinity to which impurities are added, which are stacked in this order.
第2の半導体層がAlGaNであり、前記素子部の積層
構造のうちの少なくとも1層がInGaNから成ること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is made of GaN, the second semiconductor layer is made of AlGaN, and at least one of the stacked structures of the element portion is made of InGaN. 2. The semiconductor device according to 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6107898A JPH11261106A (en) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6107898A JPH11261106A (en) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11261106A true JPH11261106A (en) | 1999-09-24 |
Family
ID=13160745
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6107898A Pending JPH11261106A (en) | 1998-03-12 | 1998-03-12 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11261106A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001144014A (en) * | 1999-11-17 | 2001-05-25 | Ngk Insulators Ltd | Substrate for epitaxial growth and method of manufacturing the same |
| JP2006324669A (en) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | Samsung Electro Mech Co Ltd | Nitride semiconductor light emitting device |
| JP2007036239A (en) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Samsung Electro Mech Co Ltd | Vertical structure gallium nitride based light-emitting diode device and method for manufacturing the same |
| JP2015079844A (en) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | 日亜化学工業株式会社 | Nitride semiconductor laminate and light emitting element using the same |
-
1998
- 1998-03-12 JP JP6107898A patent/JPH11261106A/en active Pending
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| JP2001144014A (en) * | 1999-11-17 | 2001-05-25 | Ngk Insulators Ltd | Substrate for epitaxial growth and method of manufacturing the same |
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| JP2007036239A (en) * | 2005-07-22 | 2007-02-08 | Samsung Electro Mech Co Ltd | Vertical structure gallium nitride based light-emitting diode device and method for manufacturing the same |
| JP2015079844A (en) * | 2013-10-17 | 2015-04-23 | 日亜化学工業株式会社 | Nitride semiconductor laminate and light emitting element using the same |
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