DE112011102549T5 - Lichtemittierendes halbleiteroberflächenelement und dessen herstellungsverfahren - Google Patents

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Abstract

Es wird ein lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement mit einer photonischen Kristallschicht 6, die durch das periodische Ausbilden einer Mehrzahl von Löchern H in einer Basisschicht 6A, die einen ersten Verbindungshalbleiter der Zinkblendstruktur umfasst, und Züchten von eingebetteten Regionen 6B, die einen zweiten Verbindungshalbleiter der Zinkblendstruktur umfassen, in die Löchern H, ausgebildet wird und eine Aktivschicht 4 zum Bereitstellen von Licht zu der Kristallschicht 6, in der eine Hauptoberfläche der Basisschicht 6A eine (001)-Ebene darstellt, und in der Seitenflächen von jedem Loch H mindestens drei verschiedene {100}-Kristallflächen aufweisen, bereitgestellt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement und ein dazugehöriges Herstellungsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Ein photonischer Kristall ist eine Nanostruktur, in welcher der Brechungsindex auf einer periodischen Basis variiert, und Wellenlängen von Licht, welches durch ihn hindurchgeht, kontrollieren kann. Ein photonischer lichtemittierender Kristalloberflächenlaser (von hier an als PCSEL bezeichnet), der einen zweidimensionalen photonischen Kristall (von hier an als 2DPC bezeichnet) verwendet, wird als ein lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement der nächsten Generation vorgeschlagen. PCSEL ist dadurch gekennzeichnet, dass dessen optische Eigenschaften durch die Größe und Form von Mikrostrukturen, unabhängig von Materialien, bestimmt werden und weist neue Eigenschaften auf, die nur schwer alleine von herkömmlichen lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementen erreicht werden können, sowie eine große Fläche und Einmoden, zweidimensionale Polarisationssteuerung, und Steuerung des Emissionswinkels, was zu dem Potenzial führt mit einer hohen Wahrscheinlichkeit einen High-output-Halbleiterlaser zu entwickeln.
  • Praxisnahe Herstellung von 2DPC verwendet die Waferklebetechnologie und weist die folgenden Probleme (1) bis (3) auf. (1) Es ist schwierig einen großflächigen 2DPC herzustellen. Genauer gesagt, wenn beispielsweise Wafer, die zusammengeklebt werden sollen, verbogen sind, wenn sich Staub zwischen den Wafern befindet, oder wenn Waferoberflächen signifikant uneben sind, können diese Wafer nicht gut miteinander verklebt werden. (2) Die 2DPC-Schicht umfasst Kavitäten und der Kopplungskoeffizient κ ist groß, was nicht geeignet für die Umsetzung großer Flächen ist. Der Grund hierfür ist der Folgende: um Licht gleichförmig über die 2DPC-Schicht zu verteilen, ist es erstrebsam, den normalisierten Kopplungskoeffizient κL in gleicher Ebenenrichtung relativ zu der Elektrodenlänge L in einen Bereich von etwa 1 bis 2 zu setzen, aber in dem Fall, in dem die 2DPC-Schicht Kavitäten umfasst, wird der κ-Wert nicht weniger als 1000 cm–1 und somit ist der Wert von L limitiert auf einige Zehntel μm. (3) An dem Interface zwischen den verklebten Wafern werden Fehlstellen ausgebildet, was zu einer Beeinträchtigung der Lebenszeit und Zuverlässigkeit führt.
  • Ein Neuzüchtungstyp PCSEL, der eine Kristallneuzüchtung verwendet, wird als 2DPC-Herstellungsmittel vorgeschlagen, um die vorherigen Probleme zu lösen und führt zu den folgenden Vorteilen. (1) Es ist einfach einen großflächigen 2DPC herzustellen. Genauer gesagt vermeidet das Verwenden der Neuzüchtung das Erfordernis, die Kristalle zusammen zu kleben. (2) Wenn die 2DPC-Schicht perfekt eingebettet ist, reduziert sich dessen Kopplungskoeffizient κ zu etwa 1/10 des Kopplungskoeffizienten des Falls, in dem die Wafer zusammengeklebt werden, was eine Ausformung von großen Flächen vereinfacht. (3) Das Interface der 2DPC-Schicht wird durch epitaktische Schichten eingebettet, was Fehlstellen verringert und die Zuverlässigkeit verbessert. (4) Da die 2DPC-Schicht keine Kavitäten umfasst, ist diese exzellent in der Wärmestrahlung und geeignet die Leistung zu verbessern.
  • Von den zuvor beschriebenen Gesichtspunkten ist der Neuzüchtungstyp PCSEL dem Verklebungstyp PCSEL überlegen, was eine praktische Verwendung von High-output-PCSEL angeht.
  • Patentliteratur 1 beschreibt einen Vorschlag sechseckige Erhebungen als photonische Kristalle ohne Kavitäten in eine Halbleiterschicht in der Neuzüchtung des Kristalls einzubetten. In diesem Fall umfassen, in Bezug auf die Hauptoberflächen der (0001)-Ebene der Erhebungen, die Seitenflächen (1-100)-Kristallflächen.
  • Patentliteratur 2 beschreibt die Durchführung von Einbettungsneuzüchtung in Kristallzüchtung der Zinkblendstruktur unter Verwendung eines (111)-Substrats mit einer polaren Ebene oder eines (n11)-Substrats (vorzugsweise 2 ≤ n ≤ 6) mit einer halbpolaren Ebene und verwendet dafür eine Querzüchtung.
  • Literaturliste
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung Veröffentlichtungs-Nr. 2009-206157
    • Patentliteratur 2: japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2010-114384
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Als die Erfinder hingegen ein Experiment zum Ausbilden von Löchern in der Halbleiterschicht der Zinkblendstruktur und Neuzüchtung von Kristallen in die Löchern durchgeführt haben, haben wir herausgefunden, dass die Oberflächenmorphologie von einer darauf geformten Verbindungshalbleiteroberfläche nicht gut war und große Versetzungen innerhalb des Kristalls erzeugt wurden. Genauer gesagt ist die Kristallinität der ausgebildeten Halbleiterschicht unzureichend und daher sind die Eigenschaften des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nicht zufriedenstellend.
  • Aufgrund dieses Problems wurde die vorliegende Erfindung durchgeführt und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement und ein Verfahren zum Herstellen dessen bereitzustellen, das in der Lage ist Eigenschaften zu verbessern.
  • Lösung des Problems
  • Um das vorherige Problem zu lösen, umfasst ein lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung: eine photonische Kristallschicht mit: einer Basisschicht, die eine Mehrzahl von Löchern, welche periodisch in der Basisschicht angeordnet sind, aufweist, wobei die Basisschicht einen ersten Verbindungshalbleiter aus Zinkblendstruktur umfasst, und eine eingebettete Region aufweist, umfassend einen zweiten Verbindungshalbleiter aus Zinklendenstruktur, wobei die eingebetteten Regionen in die Löcher gezüchtet werden; und eine Aktivschicht zum Bereitstellen von Licht zu der photonischen Kristallschicht, wobei eine Hauptoberfläche der Basisschicht eine (001)-Ebene darstellt, und wobei Seitenflächen der Löcher mindestens drei verschiedene {100}-Kristallflächen oder Kristallflächen, die aus einer Drehung dieser {100}-Kristallflächen mit einem Drehwinkel von weniger als ±35° um eine Normallinie der Hauptoberfläche resultieren, umfassen.
  • Wir haben den folgenden Fakt herausgefunden: wenn die Seitenflächen der Löcher aus vier verschiedenen {110}-Kristallflächen bestehen, (110)- und (-1-10)-Kristallflächen in den eingebetteten Regionen so vorhanden sind, dass sie normal gezüchtet zu den Seitenflächen von (110)- und (-1-10)-Kristallflächen auftreten, und wenn diese Kristallflächen in der mittleren Region in Kontakt kommen, werden Kristalle durcheinandergebracht, was zu einer Verschlechterung der finalen Kristallinität führt. Genauer gesagt wird die Oberflächenmorphologie der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet wird, rau, und es werden innerhalb viele Versetzungen erzeugt. Wenn die Seitenflächen der Löcher (110)- und (-1-10)-Kristallflächen umfassen, konkurrieren eine Mehrzahl von Kristallflächen um Kristallflächen, die bei einem Ausgangsschritt des Neuzüchtungseinbettungsprozesses auftreten (zum Beispiel (113) und (-1-13), genauer gesagt (113)A-Kristallflächen), was zu einer zum Teil heterogenen Neuzüchtung führt. Es gibt ebenfalls ein Mechanismus, in dem diese Region als Kern für die Ausbildung von Versetzungen dient.
  • Auf der anderen Seite, wenn die Form der Seitenflächen der Löcher, die in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, wird die Oberflächenmorphologie der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet wird, sehr gut und weist eine hohe Flachheit auf, was bestätigt, dass eine Anzahl von Versetzungen, die innerhalb erzeugt werden, relativ verkleinert werden. Da solch eine Verbesserung in der Kristallinität der Halbleiterschicht die Resistenz gegen Temperatur und Wärme erhöht, die Lebenszeit erhöht und Leckstrom und innerer Widerstand verringert werden, wird die Lichtausbeute verbessert. Genauer gesagt werden die Eigenschaften des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes verbessert, wenn die Form der Löcher die der vorliegenden Erfindung ist.
  • Das Element ist dadurch charakterisiert, dass die Seitenflächen der Löcher vier verschiedene {110}-Kristallflächen umfassen oder Kristallflächen, die durch eine Drehung dieser {110}-Kristallflächen mit einem Drehwinkel von weniger als ±35° um die Normallinie der Hauptoberfläche entstehen, aufweisen.
  • In dem Fall von einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Oberflächenmorphologie der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist, sehr gut und weist eine hohe Flachheit auf, wobei die Eigenschaften des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes auf gleiche Weise wie zuvor verbessert werden.
  • Das Element ist dadurch charakterisiert, dass der Drehwinkel nicht mehr als ±25° beträgt. Wenn der Drehwinkel nicht mehr als ±25° beträgt, wird die Oberflächenmorphologie mehr verbessert, als in dem Fall, bei dem er 35° beträgt, sodass die Kristallinität der Halbleiterschicht verbessert wird.
  • Das Element ist dadurch charakterisiert, dass der Drehwinkel nicht mehr als ±20° beträgt. Wenn der Drehwinkel nicht mehr als ±20° beträgt, wird die Oberflächenmorphologie mehr verbessert, als in dem Fall, bei dem er 25° beträgt, sodass die Kristallinität der Halbleiterschicht verbessert wird.
  • Der erste Verbindungshalbleiter ist GaAs und der zweite Verbindungshalbleiter AlGaAs. Wenn diese Verbindungshalbleiter der Zinkblendstruktur verwendet werden, sind ihre Materialeigenschaften gut bekannt und somit ist deren Ausbildung einfach.
  • Ein Herstellungsverfahren eines lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes, um das zuvor beschriebene lichtemittierende Halbleiteroberflächenelement herzustellen, ist dadurch charakterisiert, dass es einen Schritt zum Ausbilden der Löcher und einen Schritt zum Züchten der eingebetteten Regionen aufweist. Das Verfahren kann einen Schritt umfassen, bei dem eine Ausrichtungsmarke mit {110}-Kristallflächen, oder Kristallflächen, die aus einer Drehung der {110}-Kristallflächen um einen Drehwinkel innerhalb ±10° um die Normallinie der Hauptoberfläche, entstehen, auf einem Halbleitersubstrat, auf dem die Basisschicht durch Ätzen ausgebildet ist, ausgebildet werden, bevor der Züchtungsschritt ausgeführt wird. In diesem Verfahren, wenn das zuvor beschriebene Element ausgebildet wird, werden Versetzungen in einer Neuzüchtungsschicht der Ausrichtungsmarke ausgebildet, um eine Neuzüchtungsoberfläche zu verrauen, die als eine Referenzposition in einer optischen Belichtung verwendet werden kann.
  • Vorteilhafter Effekt der Erfindung
  • Mit dem leiterlichtemittierenden Halbleiteroberflächenelement und dessen Herstellungsverfahren nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird die Kristallinität der Halbleiterschicht verbessert und es somit möglich, Eigenschaften wie Emissionsleistung und Lebenszeit zu verbessern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes als eine zum Teil beschädigte Ansicht dieses lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes.
  • 2 ist eine Draufsicht auf eine Basisschicht 6A, die auf einem Wafer ausgebildet wird.
  • 3 ist eine Frontansicht des Wafers.
  • 4 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Basisschicht 6A mit darin ausgebildeten Löchern zeigt.
  • 5 ist eine Zeichnung, die ein optisches Mikroskopiebild einer Oberfläche einer Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 6 ist eine Zeichnung, die einen detaillierten Aufbau der Lochform zeigt.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes.
  • 8 ist eine Querschnittsansicht in einer Richtung, die parallel zu der Ori-fla der Basisschicht 6A angeordnet ist.
  • 9 ist eine Querschnittsansicht, die in eine normale Richtung zur Ori-fla der Basisschicht 6A angeordnet ist.
  • 10 ist eine Draufsicht auf die Basisschicht 6A, die auf einem Wafer nach einem ersten zu vergleichenden Beispiel ausgebildet ist.
  • 11 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Basisschicht 6A mit darin ausgebildeten Löchern nach dem ersten zu vergleichenden Beispiel aufzeigt.
  • 12 ist eine Zeichnung, die optische Mikroskopiebilder der Oberfläche der Halbleiterschicht, die an der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach dem ersten zu vergleichenden Beispiel zeigt.
  • 13 ist eine Zeichnung, die ein Konzept zur Verschlechterung der Kristallinität zeigt.
  • 14 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Basisschicht 6A mit darin ausgebildeten Löchern nach einem zweiten zu vergleichenden Beispiel zeigt.
  • 15 ist eine Zeichnung, die optische Mikroskopiebilder der Oberfläche der Halbleiterschicht, die an der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach dem zweiten zu vergleichenden Beispiel zeigt.
  • 16 ist eine Zeichnung zum Erklären der Drehung der Lochorientierung.
  • 17 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Drehung der (100)-Seitenflächen der Löcher, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die an der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 18 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Drehung der (110)-Seitenflächen der Löcher, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die an der äußersten Seite des Lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 19 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Drehung der (110)-Seitenflächen der Löcher, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die an der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 20 ist eine Zeichnung, die eine Lochform, in der Ecken zum Teil ausgeschnitten sind, aufzeigt.
  • 21 ist eine Draufsicht auf die Basisschicht 6A, die auf einem Wafer ausgebildet ist.
  • 22 ist eine Zeichnung, die eine Lochform aufzeigt.
  • 23 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Löchern eines rechtwinkligen Trapezes, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 24 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Löchern eines rechtwinkligen Trapezes, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 25 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Löchern eines rechtwinkligen Trapezes, und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • 26 ist eine Zeichnung, die einen detaillierten Aufbau der Lochform zeigt.
  • 27 ist eine Zeichnung zum Erklären der Drehung der Lochorientierung.
  • 28 ist eine Zeichnung, die verschiedene Lochformen aufzeigt.
  • 29 ist eine Zeichnung zum Erklären eines ersten Herstellungsverfahrens von photonischen Kristallschichten.
  • 30 ist eine Zeichnung zum Erklären eines zweiten Herstellungsverfahrens von photonischen Kristallschichten.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Ein lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement und ein Verfahren zum Herstellen dessen nach einer Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben. Die gleichen Elemente werden mit demselben Bezugszeichen bezeichnet, ohne erneut beschrieben zu werden.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes, wobei ein Teil dessen beschädigt ist.
  • Das lichtemittierende Halbleiteroberflächenelement umfasst eine untere Mantelschicht 2, eine untere Lichtführungsschicht 3, eine Aktivschicht 4, eine obere Lichtführungsschicht 5, eine photonische Kristallschicht 6, eine obere Mantelschicht 7 und eine Kontaktschicht 8, die nacheinander auf einem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet sind. Über der gesamten Oberfläche auf der Hinterseite des Halbleitersubstrats 1 ist eine Elektrode E1 vorgesehen und in einer Mittelregion der Kontaktschicht 8 eine Elektrode E2.
  • Materialien und Dicken dieser Verbindungshalbleiterschichten werden im Folgenden beschrieben. Die Schichten ohne Leitfähigkeitstyp sind im Wesentlichen Halbleiter mit einer Störstellenkonzentration, die nicht mehr als 1015/cm3 beträgt. Wenn die Schichten mit einer Störstelle dotiert werden, so befindet sich dessen Konzentration in dem Bereich von 1017 bis 1020/cm3. Im Folgenden wird ein Beispiel der vorliegenden Ausführungsform aufgezeigt, und es gibt einige Freiheitgrade in den Materialsystemen, Dicken und Schichtstrukturen, solange das Element den Aufbau mit der Aktivschicht 4 der photonischen Kristallschicht 6 aufweist. Zahlen in Klammern sind numerische Werte, die in den folgenden beschriebenen Experimenten verwendet werden, die Wachstumstemperatur von AlGaAs durch MOCVD liegt zwischen 500°C bis 850°C, die in den Experimenten verwendete zwischen 550°C bis 700°C, ein Al-Quellenmaterial, das im Züchten verwendet wird, war TMA (Trimethylaluminium), ein Galliumquellenmaterial TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium), ein As-Quellenmaterial AsH3 (Arsin), ein Quellenmaterial für n-Typ-Störstellen Si2H6 (Disilan), und ein Quellenmaterial für p-Typ-Störstellen DEZn (Diethyl-Zink).
    • • Kontaktschicht 8: p-Typ GaAs/50–500 nm (200 nm)
    • • Obere Mantelschicht 7: p-Typ AlGaAs (Al0,4Ga0,6As)/1,0–3,0 μm (2,0 μm)
    • • Photonische Kristallschicht 6: Basisschicht 6A: GaAs/50–200 nm (100 nm) Eingebettete Regionen 6B: AlGaAs (Al0,4Ga0,6As)/50–200 nm (100 nm)
    • • Obere Lichtführungsschicht 5: Obere Schicht: GaAs/10–200 nm (50 nm) Untere Schicht: p-Typ oder im Wesentlichen AlGaAs/10–100 nm (50 nm)
    • • Aktivschicht 4 (mehrfache Quantum-Well-Struktur): AlGaAs/InGaAs MQW/10–100 nm (30 nm)
    • • Untere Lichtführungsschicht 3: AlGaAs/0–300 nm (150 nm)
    • • Untere Mantelschicht 2: n-Typ AlGaAs/1,0–3,0 μm (2,0 μm)
    • • Halbleitersubstrat 1: n-Typ GaAs/80–350 μm (200 μm)
  • Wenn ein elektrischer Stromfluss zwischen der oberen und der unteren Elektrode E1, E2 zugelassen wird, fließt der elektrische Strom durch eine Region A, die sich umgehend unter der Elektrode E2 befindet, und diese Region emittiert Licht, wobei ein Laserstrahl LB in einer Richtung normal zum Substrat ausgegeben wird.
  • 2 ist eine Draufsicht auf die Basisschicht 6A, die auf einem Wafer ausgebildet ist. In der Draufsicht sind zum besseren Verständnis eine Mehrzahl von Löchern H in einem Maßstab dargestellt, der deutlich größer, als der eigentliche Maßstab ist, und deren Anzahl ist kleiner als die eigentliche Anzahl. 3 ist eine Vorderansicht des Wafers.
  • Die Hauptoberfläche des Wafers (Substrat) ist die (001)-Ebene und die gleiche Zeichnung zeigt einen Zustand, in der die Hauptoberfläche (001) der Basisschicht 6A in der Oberfläche freigelegt ist. In der Zeichnung sind die a-Achse, b-Achse und c-Achse des Kristalls der Zinkblendstruktur entsprechend als X-Achse, Y-Achse und Z-Achse gezeigt. Die Richtungen der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse sind entsprechend [100], [010] und [001].
  • Eine Orientierungsflat (die von hier an als Ori-fla bezeichnet wird) OF ist an einem Ende des Wafers ausgebildet und die Ori-fla OF ist normal zu der Richtung [110] angeordnet. Die Ori-fla OF hat eine (-1-10)-Kristallfläche. Eine Mehrzahl von Löchern H (H1 bis H10) sind in der Basisschicht 6A ausgebildet und jedes der Löcher H hat eine Tiefe in der Dickenrichtung des Halbleitersubstrats.
  • Das Profil in einer Einfallsfläche von jedem der Löcher H ist ein Rechteck und jede Seite des Rechtecks ist um 45° relativ zu der Erstreckungsrichtung [1-10] der Ori-fla OF geneigt. Genauer gesagt weisen die vier Seitenflächen von jedem der Löcher H eine (100)-Kristallfläche, eine (0-10)-Kristallfläche, eine (-100)-Kristallfläche und eine (010)-Kristallfläche auf. Diese Kristallflächen können durch {100}-Kristallflächen als kristallografische Äquivalenzkristallflächen dargestellt werden.
  • Die Positionen der Schwerkraftzentren der Löcher H in der Ebene sind mit gleichen Intervallen entlang der [1-10]-Richtung angeordnet und ebenfalls mit gleichen Intervallen entlang der [110]-Richtung angeordnet. Die gleiche Figur zeigt den Aufbau, in der die ersteren Intervalle (zum Beispiel das Intervall zwischen H1 und H2) kleiner, als die letzteren Intervalle (zum Beispiel das Intervall zwischen H1 und H6) ist, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Die Löcher sind so angeordnet, so dass ein weiteres Loch H4 auf einer Verlängerung entlang der [110]-Richtung von einer Mittelpunktposition des ersteren Intervalls (zum Beispiel dem zwischen H1 und H2) angeordnet ist.
  • Die Intervalle in der [1-10]-Richtung der Schwerpunktzentren der Löcher H in der Ausführungsform sind 330 nm und die Intervalle in deren [110]-Richtung sind 570 nm. Die Form der Löcher ist rechteckig, die Länge jeder Seite beträgt 165 nm und die Fläche 2,7 × 104 nm2. Eine Gruppe von Linien, welche die Schwerpunktzentren der Löcher H verbinden, kann ein quadratisches Gitter, ein rechteckiges Gitter oder ein dreieckiges Gitter ausbilden und kann eine beliebige Anordnung sein.
  • Da die eingebetteten Regionen oder Schichten 6B, die in 1 gezeigt sind, innerhalb der Löcher H der Basisschicht 6A eingebettet sind, sind deren Seitenflächen in Kontakt mit den Seitenflächen der Löcher H und deren Ebenenausrichtungen stimmen mit denen der Seitenflächen der Löcher H überein.
  • Wie zuvor beschrieben, weist das vorherige lichtemittierende Halbleiteroberflächenelement die photonische Kristallschicht 6 auf, die durch periodisches Formen der Mehrzahl von Löchern H in der Basisschicht 6A, umfassend den ersten Verbindungshalbleiter (GaAs) der Zinkblendstruktur, und Züchten der eingebetteten Regionen 6B, umfassend den zweiten Verbindungshalbleiter (AlGaAs) der Zinkblendstruktur, in die Löcher H, ausgebildet wird. Natürlich weisen der erste Verbindunghalbleiter und der zweite Verbindungshalbleiter ihre entsprechenden Brechungskoeffizienten, die verschieden voneinander sind, auf, um den photonischen Kristall auszubilden. In der Beschreibung war ein verwendetes Elektronenmikroskop ein Rasterelektronenmikroskop (REM). Zusammensetzbare REM-Bilder wurden erhalten, indem Querschnitte fotografiert wurden, nachdem diese mit Ammoniak-Wasserstoff-Peroxid-Mischung schmutzradiert wurden.
  • 4 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopbilder der Basisschicht 6A mit den darin ausgebildeten Löchern zeigt.
  • 4(A) zeigt eine Drauffotografie auf die Löcher H und die quadratischen Löcher H. 4(B) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang einer Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde, und 4(C) ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang einer Richtung, die normal zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde. 4(D) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Region), die entlang der Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde und 4(E) ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang der Richtung normal zu der Ori-fla geschnitten wurde.
  • Ein Einbettungsschritt wird vor der Ausbildung der oberen Mantelschicht durchgeführt und danach die Kontaktschicht ausgebildet. In diesen eingebetteten Regionen und der oberen Mantelschicht gibt es keine großen Versetzungen und es ist sichtbar, dass sie eine gute Kristallinität aufweisen.
  • 5 ist eine Zeichnung, die ein optisches Mikroskopiebild einer Oberfläche der Halbleiterschicht (Kontaktschicht), die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, in dem Fall von 4, zeigt. Die Oberfläche der Kontaktschicht ist flach und weist eine exzellente Morphologie mit wenigen Beobachten-Irregularitäten auf. Dies ist indirekt ein Indiz dafür, dass die Kristallinität innerhalb exzellent ist.
  • 6 ist eine Zeichnung, die einen detaillierten Aufbau der Lochform zeigt.
  • In der XY-Ebene stellen L1 und L2 die Längen von entsprechenden Seiten eines Rechtecks, das durch das Profil des Lochs H begrenzt wird, dar. Es wird von einem eingeschriebenen Rechteck, ähnlich dem vorhergehendem Rechteck, ausgegangen, mit einer Ecke, die mit dem inneren Loch in Kontakt steht. Das eingeschriebene Rechteck weist den gleichen Schwerpunkt G wie das begrenzende Rechteck auf und es wird angenommen, dass ihre rotatorischen Positionen in der XY-Ebene identisch sind. In diesem Fall werden die Abstände zwischen entsprechenden Seiten als ΔL11, ΔL12, ΔL21 und ΔL22 definiert.
  • Wenn (ΔL11 + ΔL12)/L1 weniger als 29% und (ΔL21 + ΔL22)/L2 weniger als 29% beträgt, und wenn ein Flächenmaximum des Lochs in der XY-Ebene (die Ebene dessen äußersten Oberfläche) nicht weniger als 50% der Fläche des begrenzenden Rechtecks beträgt, wird die Form des Lochs als ein Rechteck angenommen und den Seitenflächen des Lochs H wird zugestanden, dass sie vier {100}-Kristallflächen umfassen.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes. Dieses Beispiel zeigt einen Abschnitt, der parallel zu der Ori-fla angeordnet ist.
  • Wie zuvor beschrieben, ist in dem lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelement die untere Mantelschicht 2 vorgesehen, die untere Lichtführungsschicht 3, die Aktivschicht 4, die obere Lichtführungsschicht 5, die photonische Kristallschicht 6, die obere Mantelschicht 7 und die Kontaktschicht 8, die nacheinander auf dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet sind. In dieser Konstellation ist die Aktivschicht 4 eine Schicht, die Licht zu der photonischen Kristallschicht 6 liefert, und obere und untere Halbleiterschichten 4A, 4C und eine mittlere Halbleiterschicht 4B zwischen ihnen aufweist. Die Beziehung der Abstände zwischen Energiebändern dieser Schichten ist die gleiche, wie in herkömmlichen Lasern, und so gesetzt, dass sie die mehrfache Quantum-Well-Struktur mit der QW-(Quantum-Well)-Schicht 4B zwischen den Führungsschichten 4A, 4C darstellt. Die photonische Kristallschicht 6 wird verwendet, um mit ihr einen Laserstrahl durch die Resonanz von Licht zu generieren. Genauer gesagt ist dieses lichtemittierende Halbleiteroberflächenelement ein photonischer lichtemittierender Kristalloberflächenlaser, aber diese Struktur, ohne das Auftreten von Lasern, kann auch als eine lichtemittierende Diode verwendet werden.
  • 8 ist ein Beispiel einer Querschnittsform der Basisschicht 6A in einem Ausgangszustand der Neuzüchtungseinbettung in die Richtung, die parallel zu der Ori-fla ist, und 9 ist ein Beispiel einer Querschnittsform der Basisschicht 6A in einem Ausgangszustand der Neuzüchtungseinbettung in der Richtung, die normal zu der Ori-fla ist. Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, weist jedes Loch H geneigte Kristallflächen (F1–F8), die relativ zu den Seitenflächen {100} geneigt sind. Die Ebenenorientierungen dieser entsprechenden geneigten Kristallflächen F1–F8 sind (1-11), (-111), (1-13), (-113), (-1-13), (113), (-1-10) und (110).
  • 10 ist eine Draufsicht auf eine Basisschicht 6A, die auf einem Wafer nach einem ersten vergleichenden Beispiel ausgebildet ist. Wenn das in 1 bis 9 gezeigte lichtemittierende Halbleiteroberflächenelement als ein Beispiel definiert wird, unterscheidet sich das Element des ersten vergleichenden Beispiels nur in der Form der Löcher H von dem Beispiel. Genauer gesagt umfassen die Seitenflächen der Löcher H entsprechende {110}-Kristallflächen. Im Detail sind die Seitenflächen von jedem Loch (110)-, (1-10)-, (-1-10)- und (-110)-Kristallflächen.
  • 11 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopbilder der Basisschicht 6A mit darin ausgebildeten Löchern nach dem ersten vergleichenden Beispiel aufweist.
  • 11(A) zeigt eine Drauffotografie auf die Löcher H und zeigt die quadratischen Löcher H. 11(B) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang einer Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde, und 11(C) ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regioneen), die entlang einer Richtung, die normal zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde. 11(D) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang der Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde und 11(E) ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang der Richtung normal zu der Ori-fla geschnitten wurde.
  • Ein Einbettungsschritt wird vor der Ausbildung der oberen Mantelschicht durchgeführt und anschließend die Kontaktschicht ausgebildet. In diesen eingebetteten Regionen und der oberen Mantelschicht (vergleiche 11(D) und 11(E)) lassen sich große Versetzungen beobachten, was ein Hinweis darauf ist, dass die Kristallinität nicht gut ist.
  • 12 ist eine Zeichnung, die ein optisches Mikroskopiebild der Oberfläche der Halbleiterschicht (Kontaktschicht), die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach dem ersten vergleichenden Beispiel angeordnet ist.
  • Die Oberfläche der Kontaktschicht ist rau und weist eine minderwertige Morphologie mit vielen beobachteten Irregularitäten auf. Dies ist ein indirektes Indiz dafür, dass die innere Kristallinität schlechter ist.
  • Wie zuvor beschrieben, wurde herausgefunden, dass die Kristallinität niedrig war, wenn die Seitenflächen der Löcher aus vier verschiedenen {110}-Kristallflächen bestehen. Lassen Sie uns den Grundsatz dieses Resultates berücksichtigen.
  • 13 ist eine Zeichnung, die ein Konzept zur Verschlechterung der Kristallinität zeigt.
  • In dem ersten vergleichenden Beispiel wurde herausgefunden, dass (A) sich die (110)- und (-1-10)-Kristallflächen in den eingebetteten Regionen, die normal zu den Seitenflächen von (110) und (-1-10) gezüchtet wurden, herausbilden und (B) die Kristalle beim Kontakt mit diesen Kristallflächen in der mittigen Region bei der Entwicklung der Kristallzüchtung durcheinandergebracht wurden, was schließlich zu einer Verschlechterung der Kristallinität führte. Genaue gesagt ist die Oberflächenmorphologie in der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet ist, rau, so dass sich viele Versetzungen innerhalb ausbilden können. Wenn die Seitenflächen der Löcher (110)- und (-1-10)-Kristallflächen umfassen, konkurrieren eine Mehrzahl von Kristallflächen um die Kristallflächen, die bei der Anfangsphase des Neuzüchtungseinbettungsprozesses (zum Beispiel (113) und (-1-13) oder (113)A-Ebenen) auftreten, was zum Teil in einer heterogen Neuzüchtung resultiert. Es gibt ebenfalls einen Mechanismus, in dem diese Region als Keim für die Ausbildung von Versetzungen dient.
  • Auf der anderen Seite ist in der vorliegenden Erfindung die Hauptoberfläche der Basisschicht 6A die (001)-Ebene und die Seitenflächen der Löcher H sind von den {100}-Kristallflächen umgeben. Dementsprechend ist der zuvor beschriebene Mechanismus zur Ausbildung von Versetzungen aufgrund von (110) und (-1-10) unterdrückt und daher wird davon ausgegangen, dass die Kristallinität gut wird.
  • Experimente wurden ebenfalls für einen Fall durchgeführt, bei dem die Form der Löcher H kreisförmig war.
  • 14 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Basisschicht 6A zeigt, mit Löchern, die nach einem zweiten vergleichenden Beispiel ausgebildet sind. Das zweite vergleichende Beispiel unterscheidet sich nur in der Form der Löcher H von dem ersten vergleichenden Beispiel und ist sonst identisch. Der Öffnungsdurchmesser der Löcher H beträgt 120 nm.
  • 14(A) zeigt eine Drauffotografie auf die Löcher H und die kreisförmigen Löcher H. 14(B) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang einer Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde, und 14(C) ein Querschnittsbild der Basisschicht (vor der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang einer Richtung, die normal zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde. 14(D) zeigt ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang der Richtung, die parallel zu der Ori-fla angeordnet ist, geschnitten wurde und 14(E) ein Querschnittsbild der Basisschicht (nach der Ausbildung der eingebetteten Regionen), die entlang der Richtung normal zu der Ori-fla geschnitten wurde.
  • Der Einbettungsschritt wird vor der Ausbildung der oberen Mantelschicht ausgeführt und danach wird die Kontaktschicht ausgebildet. In den eingebetteten Regionen und der oberen Mantelschicht (vergleiche 14(D) und 14(E)) werden keine großen Versetzungen beobachtet.
  • Die Morphologie der Oberfläche ist hingegen schlechter.
  • 15 ist eine Zeichnung, die ein optisches Mikroskopiebild der Oberfläche der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach dem zweiten vergleichenden Beispiel angeordnet ist, zeigt. Die Oberfläche der Kontaktschicht ist rau, um die Morphologie zu verschlechtern, mit einer Vielzahl von beobachteten Irregularitäten. Der Grund dafür ist, dass, obwohl keine Versetzungen in dem Beobachtungsbereich von 14 beobachtet wurden, Versetzungen in einer Untersuchung über einen größeren Bereich beobachtet wurden, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenmorphologie führt.
  • Als nächstes haben wir Untersuchungen zu einer Toleranz der Rotationswinkel des Lochs durchgeführt, indem wir das Loch H gemäß der Ausführungsform um die Z-Achse gedreht haben, wobei dessen Schwerpunkt G überschritten wurde.
  • 16 ist eine Zeichnung zum Erklären der Orientierungsdrehung des Lochs.
  • Eine Normallinie ist von dem Schwerpunkt G in der Ebene des Lochs H in Richtung einer dessen Seiten gezeichnet, (010)-Kristallfläche und ein Winkel zwischen dieser Normallinie VR und [0-10] wird als Rotationswinkel φ definiert. Genauer gesagt wird die Form des Lochs H als ein Rechteck angenommen und die Normallinie VR zu einer Seite dieses Rechtecks gezeichnet. Wenn die Fläche des Lochs H einige Fluktuationen aufweist, wird ein begrenzendes Rechteck als die Form des Lochs H angepasst.
  • 17 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder (auf der Linken) der Oberfläche der Basisschicht mit Drehungen der (100)-Seitenwand (Kristallfläche) von jedem Loch nach dem Beispiel aufzeigt, und optische Mikroskopiebilder (auf der Rechten) der Oberfläche der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt. Die Länge von jeder Seite des quadratischen Lochs beträgt 140 nm, die Intervalle in der [1-10]-Richtung der Schwerpunkte der Löcher H beträgt 335 nm, und die Intervalle in deren [110]-Richtung beträgt 580 nm. Die Oberflächenmorphologie wird bei einem Rotationswinkel φ von 35° verschlechtert, wobei die Oberflächenmorphologie gut ist, wenn der Rotationswinkel φ kleiner ist.
  • 18 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder (auf der Linken) der Oberfläche der Basisschicht mit Drehungen der (110)-Seitenfläche (Kristallfläche) von jedem Loch nach dem ersten vergleichenden Beispiel zeigt, und optische Mikroskopiebilder (auf der Rechten) der Oberfläche der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt. Die Längen von entsprechenden Seiten der rechteckigen Löcher betragen 100 nm und 200 nm, die Intervalle in die [1-10]-Richtung der Schwerpunkte der Löcher H beträgt 335 nm, und die kurzen Seiten sind parallel zu der [1-10]-Richtung. Die Intervalle in die [110]-Richtung betragen 580 nm. Die Oberflächemorphologie wird verbessert bei einem Drehwinkel φ über 20° (vergleiche Drehwinkel von 25° in dem Beispiel), wobei die Oberflächenmorphologie schlechter wird, wenn der Drehwinkel φ kleiner ist.
  • 19 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder (auf der Linken) der Oberfläche der Basisschicht mit Rotation der (110)-Seitenfläche (Kristallfläche) von jedem Loch nach dem ersten vergleichenden Beispiel zeigt, und optische Mikroskopiebilder (auf der Rechten) der Oberfläche der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt. Wenn mit dem Fall von 18 verglichen, sind die langen Seiten parallel zu der [1-10]-Richtung. Die Oberflächemorphologie wird verbessert, wenn der Drehwinkel φ nicht weniger als 20° beträgt (vergleiche Drehwinkel φ nicht mehr als 25° in dem Beispiel), wobei die Oberflächenmorphologie schlechter wird, wenn der Drehwinkel φ kleiner ist.
  • 20 ist eine Zeichnung, die eine Form eines Lochs H zeigt, in der einige Ecken C2, C4 von den vier Ecken C1–C4 weg geschnitten sind. Es wird davon ausgegangen, dass der Verbesserungseffekt der Kristallinität und Oberflächenmorphologie ähnlich wie zuvor ebenfalls erreicht wird, da der Ausbildungsmechanismus von Versetzungen durch (110) und (-1-10) unterdrückt wird.
  • Die Form der Löcher H war das Rechteck in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, aber sie kann auch ein rechtwinkliges Trapez sein.
  • 21 ist eine Draufsicht auf eine Grundschicht 6A, die auf einem Wafer ausgebildet ist.
  • In dem lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelement nach dieser Ausführungsform wird nur die Form der Löcher H in ein rechtwinkliges Trapez geändert. Die andere Struktur ist die gleiche, wie die zuvor beschriebene. Die Kristallflächen mit den entsprechenden Seiten des rechtwinkligen Trapezes sind (010), (0-10), (100) und (hk0). Genauer gesagt gehören die drei Seitenflächen zu {100}-Kristallflächen.
  • 22 ist eine Zeichnung, welche die Form des Lochs H zeigt.
  • In dieser Situation ist ein Winkel (spitzer Winkel) zwischen der (010)-Ebene und (hk0)-Ebene als θ definiert. In 22 ist die Ebenenorientierung der (hk0)-Ebene eine Ebenenorientierung, die parallel zu dem Vektor V[h1, k1, 0] ist, wobei h1 = –sinθ und k1 = cosθ definiert ist. In der hier folgenden Beschreibung wird unter FF ein Füllfaktor verstanden. Der Füllfaktor ist ein Index, um die Größe des photonischen Kristalls zu messen, und ist ein Verhältnis von einer Fläche der photonischen Kristallform (die Fläche des Lochs H) zu einer Fläche von einem Einheitskreis der zweidimensionalen Struktur. In dem folgenden Beispiel beträgt die Länge a pro Einheitskreis der zweidimensionalen Struktur (Gitterkonstante) 335 nm.
  • 23 ist eine Zeichnung, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht 6A mit den Löchern des rechtwinkligen Trapezes und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht (Kontaktschicht), die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • Mit θ fixiert beim 60°, wurde FF von 11% auf 33% verändert und die Oberflächenmorphologie war in beiden Fällen gut, ohne signifikante Veränderung.
  • 24 und 25 sind Zeichnungen, die Elektronenmikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Linken) der Basisschicht mit Löchern des rechtwinkligen Trapezes und optische Mikroskopiebilder der Oberfläche (auf der Rechten) der Halbleiterschicht, die auf der äußersten Seite des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes angeordnet ist, zeigt.
  • Mit FF fixiert bei 15% (vorgesehener Wert) wurde θ von 30° auf 80° verändert, und die Oberflächenmorphologie war in beiden Fällen gut, ohne signifikante Veränderung.
  • 26 ist eine Zeichnung, die einen detaillierten Aufbau der Lochform aufzeigt.
  • In der XY-Ebene wird ein rechtwinkliges Trapez angenommen, das durch das Profil des Lochs H begrenzt wird, indem L1 die Länge des längeren von oberem und unterem Arm und L2 den Abstand zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Seiten aufweist. Ein eingeschriebenes rechtwinkliges Trapez ähnlich zu diesem rechtwinkligen Trapez wird angenommen, wobei eine Ecke in Kontakt mit dem inneren Loch steht. Das eingeschriebene rechtwinklige Trapez weist den gleichen Schwerpunkt G wie das begrenzende rechtwinklige Trapez auf und deren Drehpositionen in der XY-Ebene werden ebenfalls als identisch angenommen. In diesem Fall stellen ΔL11 und ΔL12 Abstände in der Richtung parallel zu dem oberen Arm des Trapezes zwischen entsprechenden Seiten der entsprechenden Trapeze dar und ΔL21 und ΔL22 Abstände in der Höhenrichtung der Trapeze.
  • Wenn (ΔL11 + ΔL12)/L1 weniger als 29% und (ΔL21 + L22)/L2 weniger als 29% beträgt und wenn ein Maximum der Fläche des Lochs in der XY-Ebene (der Fläche der äußersten Oberfläche) nicht weniger als 50% der Fläche des begrenzenden rechtwinkligen Trapezes beträgt, wird die Form des Lochs H als ein rechtwinkliges Trapez angenommen und die Seitenflächen des Lochs H wird zugestanden, drei {100}-Kristallflächen zu umfassen.
  • 27 ist eine Zeichnung zum Erklären der Orientierungsdrehung des Lochs H in dem Falle eines rechtwinkligen Trapezes.
  • Wie in dem zuvor beschriebenen Fall eines Rechtecks wird eine Normallinie von dem Schwerpunkt G in der Ebene des Lochs H zu einer dessen Seite der (010)-Kristallfläche gezeichnet und ein Winkel zwischen dieser Normallinie VR und [0-10] wird als Drehwinkel φ definiert. Genauer gesagt wird ein Rechteck als Form des Lochs H angenommen und die Normallinie VR wird zu einer dessen Seite gezeichnet. Wenn die Form des Lochs H einige Fluktuationen aufweist, wird ein begrenzendes Rechteck als Form des Lochs H betrachtet. In diesem Fall beträgt eine Toleranz für den Drehwinkel φ mit dem Resultat einer guten Kristallinität die gleiche, wie in dem zuvor beschriebenen Fall eines Rechtecks. Der Grund hierfür ist folgender: mit dem Drehwinkel φ über die Toleranz wird die {100}-Kristallfläche ähnlicher zu (110) und (-1-10) und somit funktioniert der zuvor beschriebene Mechanismus der Versetzungsgeneration, wobei in dem Fall des rechtwinkligen Trapezes die drei Hauptkristallflächen {100} im Vergleich zu dem Rechteck gleich sind, und damit wird der Mechanismus der Versetzungsgeneration innerhalb der Toleranz des Drehwinkels φ unterdrückt.
  • 28 ist eine Zeichnung, die verschiedene Formen von Löchern zeigt.
  • In der Zeichnung zeigen gepunktete Linien {100}-Kristallflächen. 28(A) zeigt die Form der zuvor erwähnten Ausführungsform. (B) ist eine Form, in der eine Seite von (A) in Teilen eingekerbt ist, so dass eine Seitenfläche der eingebetteten Region eine Vertiefung (vertiefte Oberfläche) aufweist. (C) ist eine Form, in der die zwei Seiten von (A) in Teilen eingekerbt sind, so dass die Seitenflächen der eingebetteten Region Vertiefungen (vertiefte Oberflächen) aufweisen. (D) ist eine Form, in der drei Seiten von (A) in Teilen eingekerbt sind, so dass die Seitenflächen der eingebetteten Region Vertiefungen (vertiefte Oberflächen) aufweisen. (E) ist eine Form, in der vier Seitenflächen von (A) in Teilen eingekerbt sind, so dass die Seitenflächen der eingebetteten Region Vertiefungen (vertiefte Oberflächen) aufweisen. Jede der in (B) bis (E) gezeigten Vertiefungen kann durch eine Vielzahl von Vertiefungen oder eine Erhebung ersetzt werden. (F) ist ein Fall, in der die Mitte der eingebetteten Region von (A) in Teilen eingekerbt ist. Die eingekerbte Region von (F) kann durch eine Vielzahl von eingekerbten Regionen ersetzt werden.
  • Es wird davon ausgegangen, dass in diesen Fällen, der zuvor erwähnte Effekt ebenfalls erreicht wird, aufgrund der Unterdrückung des vorherigen Mechanismus der Versetzungsgeneration wegen (110) und (-1-10).
  • (G) ist ein Fall, bei der die schräge Seite der Seitenfläche der eingebetteten Region in (A) eine Erhebungsform (erhobene Oberfläche) mit zwei Ebenen darstellt. (H) ist ein Fall, bei der die Seitenfläche der eingebetteten Region in (A) eine Erhebungsform (erhobene Oberfläche) darstellt, in der eine große Anzahl von Ebenen zusammenhängend ist. (I) ist ein Fall, bei der die schiefe Seite der Seitenflächen der eingebetteten Region in (A) eine Form mit zwei Erhebungen (erhobene Oberflächen) aufweist. (J) ist ein Fall, bei der eine Seite der Seitenfläche der eingebetteten Region in (A) eine Form mit einer Vertiefung (vertiefte Oberfläche) in Form eines V-Einschnitts aufweist.
  • Es wird davon ausgegangen, dass in diesen Fällen der zuvor erwähnte Verbesserungseffekt in Kristallinität und Oberflächenmorphologie ebenfalls erreicht wird, mit der gleichen Begründung, wie bei der Unterdrückung des zuvor genannten Versetzungsgenerationsmechanismus.
  • (K) ist ein Fall, bei der die schiefe Seite der Seitenfläche der eingebetteten Region in (A) eine Erhebungsform (erhobene Oberfläche), die aus einer Kurve besteht, aufweist. (L) ist ein Fall, bei der die schiefe Seite der Seitenfläche der eingebetteten Region in (A) eine Vertiefungsform (vertiefte Oberfläche), die aus einer Kurve besteht, aufweist. (M) zeigt ein Beispiel einer Form, bei der jede Seite eine uneinheitliche Form aufweist, die aus {100}-Kristallflächen mit einer Seitenlänge, die nicht länger als 5 nm ist, und eine Form einer Hüllkurve, welche die Unterseiten der Vertiefung in den Seitenflächen verbindet, ein Rechteck darstellt. Die Form der Hüllkurve der uneinheitlichen Form bestehend aus {100}-Kristallflächen war das Rechteck in (M), aber es kann jede beliebige Form sein, wie zum Beispiel ein Dreieck (N) oder einen Kreis (O).
  • Es wird davon ausgegangen, dass in diesen Fällen der zuvor genannte Verbesserungseffekt in der Kristallinität und der Oberflächenmorphologie ebenfalls erreicht wird, aus dem gleichen Grund, wie bei der zuvor beschriebenen Unterdrückung des Versetzungsgenerationsmechanismus.
  • In der oberen Ausführungsform, wie zuvor beschrieben, umfassen die Seitenflächen von jedem Loch H mindestens drei verschiedene {100}-Kristallflächen oder Kristallflächen, die aus der Drehung von diesen Kristallflächen mit einem Drehwinkel von ±35° um die Normallinie der Hauptoberfläche resultieren. Es ist sichtbar, dass wenn die Form der Seitenflächen der Löcher wie zuvor bestimmt wird, die Oberflächenmorphologie der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet wird, extrem gut wird und eine hohe Flachheit aufweist, und die Anzahl von Versetzungen, die innerhalb erzeugt wird, relativ reduziert wird. Da solch eine Verbesserung in der Kristallinität der Halbleiterschicht zu einer Verbesserung in der Beständigkeit gegen Temperatur oder Wärme führt, kann die Lebenszeit erhöht werden und der Leckstrom und der innere Widerstand reduziert werden, was zu einer Verbesserung der Lichtausbeute führt. Genauer gesagt, wenn die Form der Löcher die der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist, können die Eigenschaften des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes verbessert werden.
  • Insbesondere, wenn die Seitenflächen der Löcher vier verschiedene {100}-Kristallflächen, wie in der in den 1 bis 9 gezeigten Ausführungsform aufweisen, oder wenn die Seitenflächen der Löcher Kristallflächen, die aus Drehungen dieser Kristallflächen um die Normallinie der Hauptoberfläche, wie in der in den 16 bis 19 gezeigten Ausführungsform, mit einem Drehwinkel von weniger als ±35° hervorgehen, ist die Oberflächenmorphologie der Halbleiterschicht, die auf der photonischen Kristallschicht ausgebildet wird, extrem gut und weist eine hohe Flachheit auf, so dass die Eigenschaften des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes verbessert werden.
  • Die Oberflächenmorphologie wird um ein Vielfaches mehr verbessert, wenn der Drehwinkel φ nicht mehr als ±25° anstatt 35° beträgt, was zu einer Verbesserung in der Kristallinität der Halbleiterschicht führt. Die Oberflächenmorphologie wird ferner verbessert, in dem Fall, wenn der Drehwinkel φ nicht mehr als ±20° beträgt, gegenüber dem Fall, bei dem er 25° beträgt, was zu einer Verbesserung in der Kristallinität der Halbleiterschicht führt.
  • Der zuvor genannte erste Verbindungshalbleiter ist GaAs und der zweite Verbindungshalbleiter ist AlGaAs. Wenn diese Verbindungshalbleiter der Zinkblendstruktur verwendet werden, sind ihre Materialeigenschaften gut bekannt und deren Ausbildung ist einfach.
  • 29 ist eine Zeichnung zum Erklären eines ersten Herstellungsverfahrens der photonischen Kristallschicht.
  • Auf dem n-Typ-(bezeichnet als erster leitender Typ)-Halbleitersubstrat (GaAs) 1 werden die n-Typ-Mantelschicht (AlGaAs) 2, die Führungsschicht (AlGaAs) 3, die vielfache Quantum-Well-Struktur (InGaAs/AlGaAs) 4, die Lichtführungsschicht (GaAs/AlGaAs) oder Distanzschicht (AlGaAs) 5 und die Basisschicht (GaAs) 6A, welche die photonische Kristallschicht wird, epitaktisch durch den MOCVD (metallorganischen Gasphasenabscheidungsprozess) gezüchtet.
  • Zum Ausrichten nach der epitaktischen Züchtung wird eine SiN-Schicht AG auf der Basisschicht 6A durch den PCVD-(Plasma-CVD)-Prozess (B) ausgebildet und anschließend ein Abdeckmittel R auf der SiN-Schicht AG (C) ausgebildet. Darüber hinaus wird das Abdeckmittel R belichtet und entwickelt (D) und die SiN-Schicht AG angeätzt, wobei das Abdeckmittel R als Maske verwendet wird, um Ausrichtungsmarken auszubilden, wobei die SiN-Schicht AG in Teilen (E) dagelassen wird. Das überbleibende Abdeckmittel wird entfernt (F).
  • Anschließend wird ein Abdeckmittel R2 auf die Basisschicht 6A gelegt und ein zweidimensionales mikroskopisches Muster auf dem Abdeckmittel R2 mit einem Elektronenstrahlschreiber gezeichnet und entwickelt, um das zweidimensionale mikroskopische Muster auf dem Abdeckmittel R2 (H) auszubilden. Anschließend wird ein Trockenätzen ausgeführt, bei dem das Abdeckmittel R2 als eine Maske verwendet wird, um das zweidimensionale mikroskopische Muster in die Tiefe von etwa 100 nm auf die Basisschicht 6A (um die Löcher H) auszubilden, zu überführen, und anschließend wird das Abdeckmittel entfernt (J). Die Tiefe der Löcher H beträgt 100 nm.
  • Anschließend wird eine Neuzüchtung durch den MOCVD-Prozess ausgeführt.
  • In dem Neuzüchtungsschritt werden die eingebetteten Regionen (AlGaAs) 6B in die Löcher H gezüchtet und anschließend darauf die p-Typ-Mantelschicht (AlGaAs) 7 und die p-Typ-Kontaktschicht (GaAs) 8 nacheinander epitaktisch gezüchtet (K). Anschließend wird ein Abdeckmittel R3 mit quadratischen Löchern H auf der p-Typ-Kontakt 8 ausgebildet (L), das Abdeckmittel R3 ausgestaltet (M), die Elektrode (E) von über dem Abdeckmittel R3 verdampft (N) und das Elektrodenmaterial durch den Abhebprozess entfernt, wobei nur die Elektrode (Cr/Au) E2(O) übrig bleibt. Anschließend wird die Rückwand des n-Typ-Halbleitersubstrats 1 poliert und darauf eine n-Typ-Elektrode (AuGe/Au) E1 ausgebildet (P).
  • 30 ist eine Zeichnung, um ein zweites Herstellungsverfahren der photonischen Kristallschicht zu erklären.
  • Auf dem n-Typ-(erster Leitertyp)-Halbleitersubstrat (GaAs) 1 werden die n-Typ-Mantelschicht (AlGaAs) 2, Leitschicht (AlGaAs) 3, mehrfache Quantum-Well-Struktur (InGaAs/AlGaAs) 4, Lichtführungsschicht (GaAs/AlGaAs) oder Distanzschicht (AlGaAs) 5 und Basisschicht (GaAs) 6A, welche die photonische Kristallschicht wird, nacheinander epitaktisch durch den MOCVD-Prozess (metallorganische Gasphasenabscheidung) gezüchtet.
  • Anschließend wird das Abdeckmittel R2 auf der Basisschicht 6A (B) gesetzt und ein zweidimensionales mikroskopisches Muster mit einem Elektronenstrahlschreiber gezeichnet und entwickelt, um das zweidimensionale mikroskopische Muster auf dem Abdeckmittel auszubilden (C). Zu diesem Zeitpunkt sind Quadrate mit einer Seitenlänge von 120 nm, die durch (110)-Kristallflächen umgeben sind, in Intervallen von 330 nm an Ausrichtungsmarkpositionen einer verwendeten Fotomaske angeordnet und die Fläche der gesamten Region auf 100 μm × 100 μm gesetzt. Wie im Folgenden beschrieben, wird dieses Muster als eine Deckungsreferenz während der optischen Belichtung nach der Neuzüchtung verwendet.
  • Anschließend wird ein Trockenätzen ausgeführt, um das zweidimensionale mikroskopische Muster mit einer Tiefe von etwa 100 nm auf die Basisschicht 6A (D) zu transferieren und das Abdeckmittel wird entfernt (E). Da die Positionen der Marken ebenfalls geätzt werden, wird ein Muster (von Ausrichtungsmarken) an diesen Positionen ausgebildet. Diese Muster weist Seitenflächen, die durch vier {110}-Kristallflächen umgeben sind, die leicht rotierbar (innerhalb ±10°) sind. Da dieses Muster ebenfalls Versetzungen aufweist, die durch Neuzüchtung ausgebildet werden, wird die Oberfläche nach der Neuzüchtung rau. Dementsprechend kann die raue Oberfläche als Deckungsreferenz in der optischen Belichtung nach der Neuzüchtung verwendet werden. Anschließend wird die Neuzüchtung durch den MOCVD-Prozess ausgeführt. Auf diese Weise werden, vor dem Schritt der Neuzüchtung der eingebetteten Region, die Ausrichtungsmarken mit den {110}-Kristallflächen oder den Kristallflächen, die durch Drehung der {110} mit einem Drehwinkel innerhalb ±10° um die Normallinie der Hauptoberfläche (001) entstehen, an geeigneten Stellen (in einer äußeren Region einer Region, wo das lichtemittierende Element ausgebildet werden soll) auf dem Halbleitersubstrat, auf dem die Basisschicht 6A durch Ätzen ausgebildet ist, ausgebildet, was es ermöglicht, auf einen herkömmlichen Ausrichtungsmarkenausbildungsschritt zu verzichten.
  • In dem Neuzüchtungsschritt werden die eingebetteten Regionen (AlGaAs) 6B in die Löcher H gezüchtet und anschließend die p-Typ-Mantelschicht (AlGaAs) 7 und die p-Typ-Kontaktschicht (GaAs) 8 nacheinander epitaktisch gezüchtet (F). Anschließend wird das Abdeckmittel R3 mit quadratischen Löchern H auf der p-Typ-Kontakt 8 (G) ausgebildet, das Abdeckmittel R3 durch optische Belichtung ausgestaltet (H), die Elektrode E von oberhalb des Abdeckmittels R3 verdampft (I), und das Elektrodenmaterial durch den Abhebprozess entfernt, wobei nur die Elektrode (Cr/Au) E2 hinterlassen wird (J). Anschließend wird die Hinterfläche des n-Typ-Halbleitersubstrats 1 poliert und die n-Typ-Elektrode (AuGe/Au) E1 darauf ausgebildet (K).
  • In diesem Verfahren wird das Muster, das durch die {110}-Kristallflächen umgeben ist, ausgebildet, bevor der Neuzüchtung in dem Ausbildungsprozess des zuvor genannten Elements, und das Muster kann als Referenzposition für die Deckung in der optischen Belichtung nach der Neuzüchtung verwendet werden.
  • Die Tiefe der Löcher H kann geringer, als die Dicke der Basisschicht 6A oder leicht größer als diese sein. Des Weiteren kann der (001)-Wafer ein Off-Substrat sein.
  • Das Herstellungsverfahren der Löcher H in den Ausführungsformen war der Herstellungsprozess durch das Elektronenstrahlbelichtungsverfahren, aber es können auch andere Mikroherstellungstechnologien verwendet werden, zum Beispiel Nanoimprint, Interferenzbelichtung, FIB oder optische Belichtung mit einem Stepper oder dergleichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 6A Basisschicht; 6B eingebettete Regionen; H Löcher.

Claims (7)

  1. Lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement mit: einer photonischen Kristallschicht (6) mit: einer Basisschicht (6A), die eine Mehrzahl von Löchern (H), welche periodisch in der Basisschicht (6A) angeordnet sind, aufweist, wobei die Basisschicht (6A) einen ersten Verbindungshalbleiter aus Zinkblendstruktur aufweist, und einer eingebetteten Region (6B) umfassend einen zweiten Verbindungshalbleiter aus Zinklendenstruktur, wobei die eingebetteten Regionen (6B) in die Löcher (H) gezüchtet werden; und einer Aktivschicht (4) zum Bereitstellen von Licht zu der photonischen Kristallschicht (6), wobei eine Hauptoberfläche der Basisschicht (6A) eine (001)-Ebene ist, und wobei Seitenflächen der Löcher (H) mindestens drei verschiedene {100}-Kristallflächen oder Kristallflächen, die aus einer Drehung dieser {100}-Kristallflächen mit einem Drehwinkel von weniger als ±35° um eine Normallinie der Hauptoberfläche resultieren, umfassen.
  2. Lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement nach Anspruch 1, wobei die Seitenflächen der Löcher (H) vier verschiedene {100}-Kristallflächen, oder Kristallflächen, die aus einer Drehung dieser {100}-Kristallflächen mit einem Drehwinkel von weniger als ±35° um eine Normallinie der Hauptoberfläche resultieren, umfassen.
  3. Lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehwinkel nicht mehr als ±25° beträgt.
  4. Lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehwinkel nicht mehr als ±20° beträgt.
  5. Lichtemittierendes Halbleiteroberflächenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Verbindungshalbleiter GaAs und wobei der zweite Verbindungshalbleiter AlGaAs ist.
  6. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes zum Herstellen des lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend: einen Schritt zum Ausbilden der Löcher (H); und einen Schritt zum Züchten der eingebetteten Regionen (6B).
  7. Verfahren zum Herstellen eines lichtemittierenden Halbleiteroberflächenelementes nach Anspruch 6, mit: einem Schritt zum Ausbilden einer Ausrichtungsmarke mit {110}-Kristallflächen oder Kristallflächen, die aus einer Drehung von {110} mit einem Drehwinkel innerhalb von ±10° um die Normallinie der Hauptoberfläche resultieren, auf einem Halbleitersubstrat, auf dem die Basisschicht (6A) durch Ätzen ausgebildet ist, bevor der Züchtungsschritt ausgeführt wird.
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