(57)【要約】【課題】ＤＢＲミラーを利用して光スイッチ等の機能を持たせた光機能素子において、小型化を可能とし高い信頼性を得る。【解決手段】上部ＤＢＲミラー６に対応する領域に円形の孔１３が形成されたＧａＮ基板１上に、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ／ＧａＮからなる下部ＤＢＲミラー４、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸層５および該多重量子井戸層５の一部にリッジ型のストライプ状に形成されたＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ／ＧａＮからなる上部ＤＢＲミラー６からなるミラー部と、上部ＤＢＲミラー６の両脇の一方にストライプ状に形成されたｐ側電極１１を備えたｐ−ＧａＮ層８と、他方にストライプ状に形成されたｎ側電極１２を備えたｎ−ＧａＮ層１０とを備えた構造とし、電極１１，１２からの電流注入の有無によって光の透過および反射を制御する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の多層構造を有する下部ＤＢＲミラー、該下部ＤＢＲミラー上に形成されたＩＩＩ族窒素化合物からなる多重量子井戸層、および該多重量子井戸層上の一部に形成された前記２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の多層構造を有する上部ＤＢＲミラーからなるミラー部と、
前記多重量子井戸層上の前記上部ＤＢＲミラーの両脇の一方に形成された上面に電極を備えたｐ型ＧａＮ層と、他方に形成された上面に電極を備えたｎ型ＧａＮ層とからなり、
前記２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の各膜および多重量子井戸層において、各層の厚さをそれぞれｄ１、ｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３としたとき、ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）の関係が満たされており、
前記電極から前記多重量子井戸層に電流を注入することにより、前記ミラー部を透過していた光を全反射させることを特徴とする半導体光機能素子。
【請求項２】
前記多重量子井戸層がＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２ＮとＩｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎとの超格子構造（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１＜０．４）であり、
前記各ＤＢＲミラーが、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜（ただし、０＜ｚ１＜１）とＧａＮ膜との多層構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能素子。
【請求項３】
前記多重量子井戸層がＡｌｚ２Ｇａ１−ｚ２ＮとＡｌｚ３Ｇａ１−ｚ３Ｎとの超格子構造（ただし、０≦ｚ２＜ｚ３≦０．２）であり、
前記各ＤＢＲミラーが、Ａｌｚ４Ｇａ１−ｚ４Ｎ膜とＡｌｚ５Ｇａ１−ｚ５Ｎ膜（ただし、０．２＜ｚ５＜ｚ４＜１）との多層構造であることを特徴とする請求項１記載の半導体光機能素子
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２枚のＤＢＲ（分布ブラッグ反射）ミラーを用いて構成されるファブリペロー共振器を有する半導体光機能素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体材料の特性と微細化技術を利用した様々な半導体機能素子が提案されている。例えば、外部から加えられた応力により半導体等の電気抵抗が変わるピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサや、電界をかけることにより結晶に歪を生じる圧電効果を利用した半導体機能素子等が広く知られている。例えば、米国特許第５，５１４，８９８号においては、Ｓｉ材を用いて微細化技術を適用した半導体圧力センサが報告されている。半導体材料を用いた半導体機能素子は、省スペース化と集積化が実現できるという利点を有する。特に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ材を用いた素子においては、これらの材料がＳｉ材料からなるものに比べてバンドギャップが大きいため、従来のＳｉ材等を用いたものより高温下での安定な使用が期待されている。このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のもつ利点としては、集積化が容易であり、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）への適用あるいは展開が期待されるということを挙げることができる。しかしながら、ＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ材はＳｉ材に比べ強度的に弱いという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＭＥＭＳによって、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とからなるミラーを駆動させ、光路を曲げる光スイッチが実現されている。この光スイッチにおいては、このミラー自体が駆動部となっているために、十分な信頼性が得られておらず実用化が進んでいない。この主な原因として、駆動部が堅牢でないアモルファスのＴｉＯ２やＳｉＯ２からなっていることを挙げることができる。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて、堅牢で信頼性の高い半導体光機能素子を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体光機能素子は、２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の多層構造を有する下部ＤＢＲミラー、該下部ＤＢＲミラー上に形成されたＩＩＩ族窒素化合物からなる多重量子井戸層、および該多重量子井戸層上の一部に形成された前記２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の多層構造を有する上部ＤＢＲミラーからなるミラー部と、
多重量子井戸層上の前記上部ＤＢＲミラーの両脇の一方に形成された上面に電極を備えたｐ型ＧａＮ層と、他方に形成された上面に電極を備えたｎ型ＧａＮ層とからなり、
２種類のＩＩＩ族窒素化合物膜の各膜および多重量子井戸層において、各層の厚さをそれぞれｄ１、ｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３としたとき、ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）の関係が満たされており、
電極から多重量子井戸層に電流を注入することにより、ミラー部を透過していた光を全反射させることを特徴とするものである。
【０００６】
なお、多重量子井戸層がＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２ＮとＩｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎとの超格子構造（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１＜０．４）である場合、各ＤＢＲミラーは、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜（ただし、０＜ｚ１＜１）とＧａＮ膜との多層構造であることが望ましい。
【０００７】
多重量子井戸層がＡｌｚ２Ｇａ１−ｚ２ＮとＡｌｚ３Ｇａ１−ｚ３Ｎとの超格子構造（ただし、０≦ｚ２＜ｚ３≦０．２）である場合、各ＤＢＲミラーが、Ａｌｚ４Ｇａ１−ｚ４Ｎ膜とＡｌｚ５Ｇａ１−ｚ５Ｎ膜（ただし、０．２＜ｚ５＜ｚ４＜１）との多層構造であることが望ましい。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の半導体光機能素子によれば、上記のような組成および構造からなるものとすることにより、堅牢なＩＩＩ族窒素化合物から構成されたものとなるため耐久性が高く、高い信頼性を得ることができる。
【０００９】
また、電流注入の有無により光の透過および全反射を制御できるので、スイッチングの機能を持たせることができる。また、機械的な駆動部を設ける必要がないので、高い信頼性を得ることができ、本発明の素子が装備される装置を小型化することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本発明の第１の実施の形態による半導体光スイッチについて説明する。その半導体光スイッチの製造過程における断面図および平面図を図１に示す。
【００１２】
本実施の形態による半導体光スイッチは、図１に示すように、ＧａＮ基板１上に、ＧａＮバッファ層２およびＡｌＮ層３を介して形成されたＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜（ただし、０＜ｚ１＜１）とＧａＮ膜との多層構造を有する下部ＤＢＲミラー４と、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸層５（ただし、０≦ｘ２＜ｘ１＜０．４）と、該多重量子井戸層５の一部にリッジ型のストライプ状に形成されたＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層構造を有する上部ＤＢＲミラー６とからなるミラー部と、上部ＤＢＲミラー６の両脇の一方にストライプ状に形成されたｐ側電極１１を備えたｐ−ＧａＮ層８と、他方にストライプ状に形成されたｎ側電極１２を備えたｎ−ＧａＮ層１０とからなるものであり、ＧａＮ基板１の上部ＤＢＲミラーに対応する領域に、上部ＤＢＲミラーのストライプ幅（Ｗ）程度の直径を有する円形の孔１３が形成されている。
【００１３】
なお、ＤＢＲミラー４，６のＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜、ＧａＮ膜およびＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸層５において、厚さをそれぞれｄ１、ｄ２およびｄ３とし、波長λにおける屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２およびｎ３とすると、ｄ１＝λ／４ｎ１、ｄ２＝λ／４ｎ２、およびｄ３＝λｍ／２ｎ３（ただし、ｍは正の整数）
の関係が満たされるように形成されている。また、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜とは、多重量子井戸層５側がＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜となるように交互に積層されている。
【００１４】
多重量子井戸活性層５は、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２ＮとＩｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎとの超格子からなるものとしたが、Ａｌｚ２Ｇａ１−ｚ２ＮとＡｌｚ３Ｇａ１−ｚ３Ｎとの超格子構造（ただし、０≦ｚ２＜ｚ３≦０．２）からなる歪多重量子井戸である場合、各ＤＢＲミラーは、多重量子井戸層よりバンドギャップの大きいＡｌｚ４Ｇａ１−ｚ４Ｎ膜とＡｌｚ５Ｇａ１−ｚ５Ｎ膜（ただし、０．２＜ｚ５＜ｚ４＜１）との多層構造からなるものとすることが望ましい。
【００１５】
多重量子井戸活性層の材料および組成を適宜選択することにより、波長λが３００ｎｍ〜６００（ｎｍ）までの範囲の光について、透過および全反射の制御が可能である。
【００１６】
次に、本発明の半導体光スイッチの製造方法について説明する。
【００１７】
ＧａＮ（０００１）基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ＡｌＮ層３（厚さ１０ｎｍ程度）、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層構造からなる下部ＤＢＲミラー４、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸層５、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層構造からなる上部ＤＢＲミラー６を形成する。
【００１８】
引き続き、図２（ｂ）に示すように、上部ＤＢＲミラーにおいて、２０μｍ程度の幅（Ｗ）のストライプ領域を残すように、ドライエッチングにより、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ多重量子井戸層５が露出するまで、エッチングする。
【００１９】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜７でリッジを覆い、リッジストライプ両脇の領域の片側を露出させ、ｐ−ＧａＮ層８を選択成長する。この時、５００℃でＧａＮ（図示せず）を薄く成長させてからｐ−ＧａＮ層８を形成する。
【００２０】
次に、図２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２膜７を除去後、ＧａＮ層６のリッジストライプ、前記ＧａＮ層８を形成した側とは反対側を開けてＳｉＯ２膜９を形成し、ｎ−ＧａＮ層１０を成長する。
【００２１】
次に、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２膜９を除去後、ｐ−ＧａＮ層８の上にｐ側電極１１を形成し、ｎ−ＧａＮ層１０の上にｎ側電極１２を形成する。
【００２２】
その後、図２（ｆ）に示すように、ＧａＮ基板１の、Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層構造からなる上部ＤＢＲミラー６の幅（Ｗ）程度、すなわち２０μｍ程度の直径を有する円形領域を除去する。このとき、ＡｌＮ層３が露出する点を検出させてＡｌＮ層３の表面でエッチングが停止するようにしている。最後に、チップ化して半導体光スイッチを完成させる。
【００２３】
ＧａＮ基板１の除去する境域は、上部ＤＢＲミラー６の少なくとも最小寸法の直径を有する円形の領域であることが望ましく、上部ＤＢＲミラー６に対応する全領域に孔が形成されていてもよい。
【００２４】
次に、本発明による半導体光スイッチの動作について図３を用いて説明する。
【００２５】
本発明の半導体光スイッチは、電極１１，１２から電流が流されていない場合は、図３（ａ）に示すように、図面右側から入射した波長λの光は、反射鏡１５ａによって反射され、孔１３から下部ＤＢＲミラー４と多重量子井戸層５と上部ＤＢＲミラー６とからなるミラー部を透過し、ミラー部上方へ出力される。
【００２６】
一方、電極１１，１２より電流が流されると、多重量子井戸層５においてクーロン遮蔽がされ、多重量子井戸層５のバンドギャップが実効的に広くなり屈折率が変化する。これにより、透過する光の波長がシフトするため、図３（ｂ）に示すように、図面右側から入射した波長λの光は、反射鏡１５ａによって反射され、さらに下部ＤＢＲミラー４において全反射され、反射鏡１５ｂによって図面左側へ出力される。なお、この電流注入により多重量子井戸層５において発生する光は短波長カット光フィルターを光路上に設けることにより除去することが可能である。
【００２７】
上記のように、本発明の半導体光スイッチは、電流注入の有無により光の出力方向を選択することができ、機械的な駆動部を有しないため、装備される装置において小型化が可能であり、堅牢なＩＩＩ族窒素化合物からなるものであるので、高い信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による半導体光スイッチを示す断面図および平面図
【図２】本発明の一実施形態による半導体光スイッチを示す製造過程の断面図
【図３】本発明の一実施形態による半導体光スイッチの動作を示す断面図
【符号の説明】
１　　ＧａＮ基板
２　　ＧａＮバッファ層
３　　ＡｌＮ層
４　　Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる下部ＤＢＲミラー
５　　Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ／Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ超格子多重量子井戸層５
６　　Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ｎ膜とＧａＮ膜との多層膜からなる上部ＤＢＲミラー
７，９　　ＳｉＯ２膜
８　　ｐ−ＧａＮ
１０　　ｎ−ＧａＮ
１１　　ｐ側電極
１２　　ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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