JP2005311285A - 双曲面ドラム型素子と、イオンビームエッチングを利用したその製造方法 - Google Patents

双曲面ドラム型素子と、イオンビームエッチングを利用したその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】イオンビームエッチング法を利用して再演性のある双曲面ドラム型素子を大量に製造する方法、及び活性層の大きさの調節が可能であって、ナノ規模の光素子及び電子素子の製造に活用することができる、双曲面ドラム型構造を提供する。
【解決手段】
本発明による双曲面ドラム型素子の製造方法は、基板上にn型半導体及びp型半導体の接合からなって、前記n型半導体及びp型半導体の間の境界と、その付近の領域とに活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及びイオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含む。本発明による製造方法で製造された双曲面ドラム型素子は、活性層の直径が数μm以下から数十nmまでの範囲で均一で再演性が良く、大量生産が可能であるという長所がある。
【選択図】図５

Description

本発明はイオンビームエッチング法を利用してマイクロメーター（μm）からナノミリメーター（nm）までの大きさの素子を製造する方法に関し、より詳しくは、活性層の直径が数μm以下から数十nmまでの範囲で均一な大きさの双曲面ドラム型素子を大量に製造することができる方法と、これにより製造された素子に関する。
ナノ規模の素子は、その独特な電気的、光学的特性のために、最近の科学界で非常に重要な分野として台頭している。現在、ナノ規模で起こることに関する研究が世界的に活発に進められており、量子点からなるナノミリメーター（nm）規模の電子素子や光素子の製造及びその特性が多く発表されている。
特に、半導体レーザーにおいて、このような量子点を利用したナノレーザーの製造方法は、まず、既存のレーザー構造で発振が起こる活性層部分に量子点を自己組立成長法（Self-assembled Growth:SAG）で形成し、その上下に反射鏡を形成する。そして、既存の半導体レーザー製造方法の中で高い解像度を有する電子ビームリソグラフィとエッチングとを利用してナノレーザーを製造する。
しかしながら、量子点の自己組立成長工程で、大きさ、形状、位置の再演性、及び均一性が難しいため、理想的な特性を得るのがむずかしい。特に、単一光子素子（Single Photon Source;SPS）の製造は、素子の活性層である微小共振器内には単一量子点のみ位置するのが理想的であるが、これを大量に再演する確実な方法がない。一方、前記自己組立成長法で数十から数百ナノミリメーターサイズのメサ（MESA）を形成する時、素子のメササイズが小さすぎるので、電気的なポンピングのためのキャップ層の金属蒸着工程が難しい。
本発明の目的は、イオンビームエッチング法を利用して再演性のある、双曲面ドラム型素子を大量に製造する方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、活性層の大きさの調節が可能であって、ナノ規模の光素子及び電子素子の製造に活用することができる、双曲面ドラム型構造を提供することにある。
請求項１に記載の発明は、双曲面ドラム型素子において、境界をおいて互いに接合されるn型半導体及びp型半導体;及び前記境界を含む境界付近の領域に形成される活性層;を含み、前記活性層で最小の直径を有するように、前記n型半導体及びp型半導体の各々の外側端から前記境界付近の領域へ行くほど直径が漸進的に減少することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の双曲面ドラム型素子において、前記n型半導体及びp型半導体の間に真性半導体が介在して接合され、前記活性層は、前記真性半導体と、この真性半導体が前記p型半導体及びn型半導体の各々となす境界を含む境界付近の領域とに形成されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の双曲面ドラム型素子において、前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の双曲面ドラム型素子において
前記活性層は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とすることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、双曲面ドラム型素子において、量子井戸構造を有する活性層;前記活性層の両側面に各々形成されるn型障壁層及びp型障壁層;前記n型障壁層の外側に配置されるn型分散ブラグ反射器;及び前記p型障壁層の外側に配置されるp型分散ブラグ反射器;を含み、前記活性層で最小の直径を有するように、前記分散ブラグ反射器の各々から活性層側に行くほど直径が漸進的に減少しながら前記活性層に量子点が形成されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の双曲面ドラム型素子において、前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とする。
請求項７に記載の発明によれば、請求項５に記載の双曲面ドラム型素子において、前記活性層は、GaAsを基盤物質とすることを特徴とする。
請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の双曲面ドラム型素子において、前記n型障壁層にn型AlGaAs層が配置され、前記p型障壁層にp型AlGaAs層が配置されることを特徴とする。
請求項９に記載の発明によれば、請求項７に記載の双曲面ドラム型素子において、前記分散ブラグ反射器は、屈折率の高いAl0.3Ga0.7As層と屈折率の低いAl0.9Ga0.1As層とが各々λ/４の厚さで交互に蒸着されることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明によれば、双曲面ドラム型素子の製造方法において、基板上にn型半導体及びp型半導体の接合により構成され、前記n型半導体及びp型半導体の間の境界とその付近の領域とに活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及びイオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含むことを特徴とする。
請求項１１に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記基板は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とすることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記エッチング段階は、光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含むことを特徴とする。
請求項１３に記載の発明によれば、請求項１２に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階は、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングすることを特徴とする。
請求項１４に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階には、腐食性ガスであるBCl3またはCl2が使用されることを特徴とする。
請求項１５に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階には、不活性ガスイオンビームが使用されることを特徴とする。
請求項１６に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階後に、エッチング工程で発生するサンプルの表面の損傷を防止するために湿式エッチングをさらに行うことを特徴とする。
請求項１７に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階後に、表面の自然酸化膜の生成を防止するために硫化アンモニウムで表面処理することを特徴とする。
請求項１８に記載の発明によれば、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階後に、表面の自然酸化膜の生成を防止するためにN2、H2、NH3からなる群より選択される一種以上のガスでプラズマ処理することを特徴とする。
請求項１９に記載の発明によれば、双曲面ドラム型素子の製造方法において、基板上に活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及びイオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含み、前記エピタキシャル層形成段階は、n+でドーピングされた基板上にn型分散ブラグ反射器を形成する段階;前記n型分散ブラグ反射器上にn型障壁層を形成する段階;前記n型障壁層上に量子井戸構造の活性層を形成する段階;前記活性層上にp型障壁層を形成する段階;前記p型障壁層上にp型分散ブラグ反射器を形成する段階;を含むことを特徴とする。
請求項２０に記載の発明によれば、請求項１９に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記エッチング段階は、光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含むことを特徴とする。
請求項２１に記載の発明によれば、請求項２０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記イオンビームエッチング段階は、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングすることを特徴とする。
請求項２２に記載の発明によれば、請求項１９に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法において、前記p型分散ブラグ反射器の外側面にポリイミドをコーティングして平坦化する段階;及び前記ポリイミドをエッチングし、Cr/Auを蒸着して電極を形成する段階;をさらに含むことを特徴とする。
本発明の一実施形態による双曲面ドラム型素子は、境界をおいて互いに接合されるn型半導体及びp型半導体;及び前記境界を含む境界付近の領域に形成される活性層;を含み、前記活性層で最小の直径を有するように、前記n型半導体及びp型半導体の各々の外側端から前記境界付近の領域へ行くほど直径が漸進的に減少する。
前記n型半導体及びp型半導体の間に真性半導体が介在して接合されることができ、この時、前記活性層は、前記真性半導体と、この真性半導体が前記p型半導体及びn型半導体の各々となす境界を含む境界付近の領域とに形成される。
前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とし、前記活性層は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とする。
本発明の他の実施形態による双曲面ドラム型素子は、量子井戸構造を有する活性層;前記活性層の両側面に各々形成されるn型障壁層及びp型障壁層;前記n型障壁層の外側に配置されるn型分散ブラグ反射器（Distributed Bragg Reflector:DBR）;及び前記p型障壁層の外側に配置されるp型分散ブラグ反射器;を含み、前記活性層で最小の直径を有するように、前記分散ブラグ反射器の各々から活性層側に行くほど直径が漸進的に減少しながら前記活性層に量子点が形成される。
前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とし、前記活性層はGaAsを基盤物質とする。
また、前記n型障壁層にn型AlGaAs層が配置され、前記p型障壁層にp型AlGaAs層が配置され、前記分散ブラグ反射器は、屈折率の高いAl0.3Ga0.7As層と屈折率の低いAl0.9Ga0.1As層とが各々λ/４の厚さで交互に蒸着される。
一方、本発明の一実施形態による双曲面ドラム型素子の製造方法は、基板上にn型半導体及びp型半導体の接合により構成され、前記n型半導体及びp型半導体の間の境界と、その付近の領域とに活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及びイオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含む。
前記基板は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とすることができる。
前記エッチング段階は、光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含み、この時、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングするのが好ましい。
前記イオンビームエッチング段階には、腐食性ガスであるBCl3またはCl2を使用することができ、イオンビームとしては、不活性ガスイオンビームを使用するのが好ましい。
前記イオンビームエッチング段階後に、エッチング工程で発生するサンプルの表面の損傷を防止するために湿式エッチングをさらに行うことができ、表面の自然酸化膜の生成を防止するために硫化アンモニウムで表面処理することもできる。また、前記イオンビームエッチング段階後に、表面の自然酸化膜の生成を防止するためにN2、H2、NH3からなる群より選択される一種以上のガスでプラズマ処理することもできる。
一方、本発明の一実施形態による双曲面ドラム型素子の製造方法は、基板上に活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及びイオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含む。この時、前記エピタキシャル層形成段階は、n+でドーピングされた基板上にn型分散ブラグ反射器を形成する段階;前記n型分散ブラグ反射器上にn型障壁層を形成する段階;前記n型障壁層上に量子井戸構造の活性層を形成する段階;前記活性層上にp型障壁層を形成する段階;前記p型障壁層上にp型分散ブラグ反射器を形成する段階;を含む。
前記エッチング段階は、光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;及び前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;を含み、この時、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングするのが好ましい。
本発明の実施形態による双曲面ドラム型素子の製造方法は、前記p型分散ブラグ反射器の外側面にポリイミドをコーティングして平坦化する段階;及び前記ポリイミドをエッチングし、Cr/Auを蒸着して電極を形成する段階;をさらに含むことができる。
本発明による双曲面ドラム型素子の製造方法によると、自己組立成長（SAG）法の量子点を使用せずに既存の量子井戸構造の活性層を数十から数百nmの大きさにエッチングするので、大きさの調節が容易であり、大量生産の再演性を確保することができる。また、この場合のナノ規模の双曲面ドラム型素子の構造は、活性層の大きさはnmの範囲であるが、上端表面部分はμmの大きさに拡大調節が可能であるため、金属電極を蒸着することも容易である。したがって、光ポンピングだけでなく電気的なポンピングも可能である。
以下、本発明の実施形態を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態による双曲面ドラム型素子を示した模式図である。
図示しているように、本実施形態による双曲面ドラム型素子は、量子井戸構造の活性層３３を有し、この活性層３３の両側面には各々n型障壁層３１及びp型障壁層３５が配置される。そして、n型障壁層３１の外側にはn型分散ブラグ反射器（Distributed Bragg Reflector:DBR）２０が配置され、p型障壁層３５の外側にはp型分散ブラグ反射器４０が配置される。
活性層３３は、ドーピングされていないGaAs層の両側が、これよりエネルギーの高いドーピングされていないAlGaAs層からなる障壁層３１、３５によって囲まれている量子井戸構造からなっており、各々n型及びp型でドーピングされた分散ブラグ反射器２０、４０を通じて入る正孔及び電子を拘束する。
n型分散ブラグ反射器２０は、屈折率の高いAl0.3Ga0.7As層２１、２３と屈折率の低いAl0.9Ga0.1As層２２、２４とが交互に蒸着されている。p型分散ブラグ反射器４０も同様に、屈折率の高いAl0.3Ga0.7As層４１、４３と屈折率の低いAl0.9Ga0.1As層４２、４４とが交互に蒸着されている。これらの各々はλ/４の厚さに形成され、各々の間の直列抵抗を減らすためにアルミニウムのモル分率を線形的に変化させて形成するのが好ましい。
一方、以上のような構造は、n+でドーピングされたGaAs基板１０上に金属有機化学蒸着法（metal organic chemical vapor deposition:MOCVD）を利用して蒸着することができる。そして、前記構造は、活性層３３で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態からなるが、前記分散ブラグ反射器２０、４０または基板１０から活性層３３側に行くほど直径が漸進的に減少しながら前記活性層３３に量子点を形成することができる。このような双曲面ドラム型構造は、イオンビームエッチングによって加工することができる。
このように双曲面ドラム形態にエッチングして活性層３３の領域を小さくすることによって、このような構造を有するレーザー素子で発振が起こるしきい電流を下げるすることができる。特に、ナノ規模に活性層３３の領域を小さく加工して量子点と同様にすれば、量子拘束効果が起こり、このような素子は単一光素子光源、単一電子トランジスタなどに応用することができる。
n型GaAs基板１０の下面にはAuGe/Ni/Au層が蒸着されてn型電極１２を形成し、p型分散ブラグ反射器４０の上面にはCr/Au層が蒸着されてp型電極５３を形成する。このようなp型電極５３は、前記p型分散ブラグ反射器４０をポリイミドでコーティングして平坦化させた後、これをエッチングしてCr/Au層を蒸着して形成される。
本実施形態による素子は、双曲面ドラム形態にエッチングすることによって、活性層３３の領域はナノ規模であるのに対して、電気的なポンピングのための金属電極が蒸着される最上位層はマイクロ規模となる。したがって、一般的な光学リソグラフィ法を利用してパターニングして金属電極を蒸着することができる。もし、双曲面ドラム形態ではないシリンダー形態であれば、活性層３３の領域と最上位層との直径が同一であるため、活性層がナノ規模になれば最上位層もナノ規模になるため、一般的な光学リソグラフィ法を利用してパターニングすることができない。したがって、双曲面ドラム形態にエッチングすれば、エッチング後に直ちに光ポンピングすることができ、前記のように後工程で電極を蒸着して電気的なポンピングも可能になる。
図２a乃至図２eは、本発明の一実施形態による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。
本実施形態による双曲面ドラム型素子は、基板上に活性層３３を有するエピタキシャル層を形成し、イオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層３３で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングして構成される。前記エピタキシャル層は、金属有機化学蒸着法（MOCVD）を利用して基板上に蒸着される。
図２a乃至図２dを参照すれば、前記エピタキシャル層の形成段階は次の通りである。
まず、n+でドーピングされた基板１０上にn型分散ブラグ反射器２０を形成する。このようなn型分散ブラグ反射器２０を形成するために、屈折率の高いn型Al0.3Ga0.7As層２１、２３と屈折率の低いn型Al0.9Ga0.1As層２２、２４とを各々λ/４の厚さで交互に蒸着する。そして、これらの層の間の直列抵抗を減らすためにアルミニウムのモル分率を線形的に変化させて形成する。
次に、前記n型分散ブラグ反射器２０上に活性層３３を形成する。活性層３３は、ドーピングされていないGaAs層の両側面に障壁層３１、３５であるAlGaAs層を配置して、量子井戸構造を構成するように形成する。
次いで、前記活性層３３上にp型分散ブラグ反射器４０を形成する。このようなp型分散ブラグ反射器４０を形成するために、屈折率の高いp型Al0.3Ga0.7As層４１、４３と屈折率の低いp型Al0.9Ga0.1As層４２、４４とを各々λ/４の厚さで交互に蒸着する。そして、これらの層の間の直列抵抗を減らすためにアルミニウムのモル分率を線形的に変化させて形成する。
このように形成されたエピタキシャル層の基板の外側面にn型電極１２を蒸着する。n型電極１２を形成するために、n型基板１０の外側面にAuGe/Ni/Au層を蒸着する。この時、前記AuGeとNi、Auとが合金になる温度である４００乃至５００℃の範囲、例えば４２５℃で熱処理を行って、オーム接触（ohmic contact）を形成する。
その後、前記のように形成された積層構造を双曲面ドラム形態にエッチングするために、まず、光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造し、このように製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して図２eに示したようにエッチングする。
一般的なイオンビームエッチング装置としては、RIE（reactive ion etching）、CAIBE（chemically-assisted ion beam etching）、ICP（inductive coupled plasma）などがある。基本的な構成は、真空チャンバーと、DCまたはRF biasをかけてイオンを形成する生成器とからなっている。このようなエッチング法の核心は、ガスをイオン生成器によってイオンに分解して、このようなイオンの運動エネルギーを利用してサンプルをエッチングする乾式エッチング法であるという点である。一般に、イオンの運動は直線運動であるため、このようなイオンビームとサンプルとの角度を変えることによってエッチングされる形状を変えることができる。
本実施形態では、前記積層構造を双曲面ドラム形態にエッチングするために、エッチング対象物をイオンビームの入射方向に対して所定の角度（θ）に傾斜させてエッチングを行う。この時、傾斜角度θはイオンビームの入射方向と基板に対して垂直方向との間の角度と定義することができ、０゜乃至９０゜の範囲で適切に選択してエッチングすることによって、前記積層構造を双曲面ドラム形態にエッチングすることができる。
また、本実施形態で、フォトレジストマスクは、フォトレジストを利用して円形にパターニングされ、このようなフォトレジストマスクはエッチングマスクの役割を果たす。つまり、マスクのある部分はエッチングされず、マスクのない部分でエッチングが行われる。
このようなエッチング工程で、腐食性ガスであるBCl3、Cl2ガスを化学的に利用しながらアルゴンイオン（Ar+）ビームでエッチングする。この時、前記腐食性ガスはイオンによるエッチングを助ける役割を果たすが、サンプルの表面であるといえるGaAsまたはAlGaAsのような物質と化学反応して表面から剥がれやすい化合物に変えながら、イオンによって容易に剥がれるようにする。このような腐食性ガスの役割は、エッチング速度やエッチング面の粗度などに影響を与える。
イオンビームと基板との角度、サンプルの温度、イオンソースとサンプルとの距離、腐食性ガスの流量などを調節することによって、図３のような双曲面ドラム形態にエッチングすることができる。
前記のような化学補助イオンビームエッチング工程後には、エッチング工程に起因したサンプルの表面の損傷を補償するために湿式エッチングを多少行い、表面の自然酸化膜の生成を防止するために多様な溶媒に溶けている硫化アンモニウム処理をしたり、N2、H2、またはNH3のようなガスでプラズマ処理することによって表面処理することができる。硫化アンモニウム処理とプラズマ処理とを組み合わせて表面処理することもできる。
この工程後に、金属電極を前記双曲面ドラム型素子に載せるためにポリイミド５１をサンプル全体にコーティングして平坦化し、再び前記素子の上部分のみを露出するためにポリイミド５１をエッチングした後、Cr/Au層を蒸着して、p型電極５３を形成する。
図３（a）及び（b）はイオンビームの入射方向と基板との角度による双曲面の形成角度を定義した模式図である。
図３で、側壁の傾斜角度（α）は、基板の垂直方向が前記素子の側壁となす角度を示すもので、前記傾斜角度（θ）が小さい時には図３（a）のように外側が細い（outward-tapered）側壁（α<０゜）が形成される。傾斜角度（θ）が増加するほど側壁の傾斜角度（α）は減少するが、特定の傾斜角度（θc）では垂直側壁（α=０゜）が形成される。傾斜角度（θ）がθcより大きくなれば、図３（b）のように内側が細い（inward-tapered）側壁を形成することができる。
図３（b）の下部分はイオンビームエッチングのためのエッチングマスクの影下でエッチングされた表面である影領域（shadow region）６０である。本実施形態による双曲面ドラム型ナノ構造を加工するためにこのような影効果を利用する。つまり、双曲面ドラム型ナノ構造は、一般にエッチングされて内側が細い領域と外側が細い影領域との結合体からなる。図面で、Hはエッチングされたメサの高さ、つまり双曲面ドラム形態の高さであり、hは影領域６０を除いた上面から活性層までの高さを示す。
以上の実施形態では、GaAsを基盤物質とした構造物を双曲面ドラム形態にエッチングすることを説明したが、本発明はこのような基盤物質に限定されず、化学補助イオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングすることができる全ての構造物を含む。したがって、GaN、ZnSe、SiC、InPなどを基盤物質として双曲面ドラム形態の構造物に加工することも可能であり、これも本発明の範囲に属する。
以上のことより、本発明による双曲面ドラム型素子の製造方法によると、自己組立成長（SAG）法の量子点を使用せずに既存の量子井戸構造の活性層を数十から数百nmの大きさにエッチングするので、大きさの調節が容易であり、大量生産の再演性を確保することができる。また、この場合のナノ規模の双曲面ドラム型素子の構造は、活性層の大きさはnmの範囲であるが、上端表面部分はμmの大きさに拡大調節が可能であるため、金属電極を蒸着することも容易である。したがって、光ポンピングだけでなく電気的なポンピングも可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
図４に示した化学補助イオンビームエッチング装置を利用して双曲面ドラム型素子を製造する実験を行い、以下でこれを詳細に説明する。前記装置は、直径が３ｃｍである二重格子カウフマン（Kaufman）型イオンソース７２を備えている。
本実験で、基板は、基板ホルダー７６に装着されて２５rpmの速度で回転し、その温度はエッチングの均一性及び再演性が確保できるように一定に維持した。傾斜角度（θ）は所望の形状にエッチングされた側壁が得られるように制御した。
また、前記装置は、ガス注入のための４つのノズル７４を備えており、これらは基板の近くに配置される。ノズル７４の端部は基板と共に傾斜しており、これによりガス供給の配列が傾斜角度によって変わらないようにした。Ar、Cl2、BCl3ガスの流速は各々５、２、３sccmである。
与えられたイオンビームエネルギーと電流とに対して、傾斜角度（θ）が変わる間に、同一なビームプロファイルが維持されるように、基板とイオンソースとの間の距離は１３ｃｍに維持した。
前記装置は、ロードロック（load-lock）チャンバー７５と２６７００rpmの速度で回転するターボ分子ポンプ（turbomolecular pump:TMP）７８とを備えている。背景圧力は１×１０-6Torr前後であり、化学補助イオンビームエッチングのための圧力は５．２×１０-4Torr前後とした。
前記装置で化学補助イオンビームエッチング法を行って、図５に示したような双曲面ドラム型素子を製造した。
前記素子製造のための積層構造は、n型GaAs基板上に有機金属気相エピタキシャル法で成長させて製造した。前記積層構造は、３つの８０ÅGaAs量子井戸、Al0.3Ga0.7As障壁層、及びスペーサから構成された１-λキャビティ（cavity）を２つの分散ブラグ反射器（DBR）鏡が囲んでおり、１-λキャビティの厚さは２６９．４nmである。n型下部鏡には３８周期が存在し、p型上部鏡には２１．５周期が存在する。前記鏡は４１９．８ÅのAl0.15Ga0.85As層と４８８．２ÅのAl0.95Ga0.05As層とが交互に形成される。これらの層の間には、２００Åの厚さが線形的になだらかに変わるAlGaAs層が形成された。p型及びn型分散ブラグ反射器鏡は、各々C及びSiで１０18ｃｍ-3ドス（dose）以上にドーピングされた。双曲面ドラム型ナノ構造の高さは８μmである。
化学補助イオンビームエッチングのために、Karl Suss MJB３接触アライナ（aligner）と接触マスクとを使用して、１．７μm以下の厚さのマスク層をAZ５２１４ PRと接着させた。化学補助イオンビームエッチング工程で起こった損傷はH2SO4ポリシング工程で除去された。この工程で、サンプルをH2SO4:H2O2:H2O=１:８:１０００溶液に５秒間浸した。次に、レーザー強度と寿命の向上のために硫黄保護膜処理を行った。硫黄保護膜(sulfur passivation)処理のために、硫黄を６％以上含有する（NH4)2Sx溶液を６０℃で使用し、サンプルをこの溶液に８分間浸した。このように硫黄保護膜処理されたサンプルをダウンストリーム型のプラズマ化学気相蒸着チャンバーに搭載し、Si3N4層の蒸着前にNH3雰囲気で３０分間３００℃の温度でプレベーク（prebake）した。このような温度処理は、過剰な硫黄がGaAsの表面に付いて昇華しないようにする。硫黄保護膜処理された後、ポリイミドコーティング、平坦化のためのエッチング、p及びn接触のためのCr/Au及びAuGe/Ni/Auの蒸着の工程を経る。ポリイミド層は壊れやすい双曲面ドラム型ナノ構造を強化する。
図６は化学補助イオンビームエッチング工程で、入射ビームと基板との角度（θ）変化による側壁角度（α）の変化を示すグラフである。
図６で、横軸はイオンビームとサンプルとの角度（θ）を示しており、縦軸は側壁角度（α）を示す。通常、イオンビームの方向は上から下、つまり垂直方向に決まっているので、イオンビームとサンプルとの角度を調節するためには、サンプルのみを傾斜させる。また、図６で、インデックスボックス内の電圧及び電流はイオンビームの強さを表現するものであって、イオンビームの強さは電圧及び電流の積で示すことができる。
陰（-）の値を有するαは外側が細い側壁を示しており、陽（＋）の値を有するαは内側が細い側壁を示す。θ=０゜では、７５０eV、３０mAビームでエッチングする場合を除いた全ての側壁が外側が細くなるように形成された。与えられたビームに対して、側壁角度（α）は、傾斜角度（θ）が増加すると共に増加しており、θ=５０゜である場合、１５乃至２５゜の範囲に属した。固定されたθに対して、側壁角度（α）は、ビームエネルギー及び電流が増加すると共に増加した。
この条件によると、イオンビームと基板との角度を調節することによって、梯形態（αが陰（-）の値を有する場合）から双曲面ドラム形態（αが陽（＋）の値を有する場合）に形状が変わることを確認することができる。
図７は入射ビームと基板との角度の変化によって双曲面ドラム型素子の腰形状の部分（活性層部分）と上端表面部分（金属が蒸着される部分）との形状がフォトレジストマスクの大きさによって変化する様子を示すグラフである。
本実験で、混合ガスは、１０sccmの全流速を有するAr:Cl2:BCl3=５:２:３を適用した。ビームエネルギー、ビーム電流、傾斜角度θ、イオンビームエッチング時間は、各々５００eV、２０mA、５０゜、２７．５minとした。基板温度はイオンビームエッチング工程の間に、２０℃（図面で三角形ノード）、４０℃（図面で菱形ノード）、６０℃（図面で円形ノード）を各々維持した。このような温度条件で、基板の温度がマスクのエッチング速度に与える影響は無視できる程度であり、エッチングされた双曲面ドラム型ナノ構造は図７のようにほぼ同じ大きさの上端表面を有する。
化学補助イオンビームエッチング後に、マスクの直径で観察された損失はほぼ１．６μmであった。与えられた基板の温度で、活性層の直径はマスクの大きさに比例して増加する。基板の温度が２０℃である時、マスクの大きさ５．４μmに対する活性層の直径は９００nm前後である。反応副産物の吸収率は温度と共に増加するため、活性層の直径は基板の温度が増加すると共に減少し、基板温度が６０℃である時、活性層の直径は２００nm前後まで減少する。
図８は製造された双曲面ドラム型素子のSEMイメージを示した図面である。図８（a）及び８（c）に示された構造は、マスクの大きさが各々５．７μm、５．２μmである時に基板の温度が６０℃で製造されたものである。そして各々が拡大されたイメージを図８（b）、図８（d）に示した。二つの構造とも同一なエッチングの高さ８μmを有する。図８（b）及び図８（d）で、活性層の直径は各々６００nm及び９５nmであり、これはナノ規模の活性層を有する双曲面ドラム型素子の製造がマスクの大きさを調整することによって可能であるということを示す。
図面を参照すれば、エッチング条件によって金属電極が蒸着される上部分（mesa top）及び光発振が起こる活性層部分（Active region）の大きさをフォトレジストマスクの大きさによって正確に調節することができる。つまり、エッチングマスクの大きさによって素子の上部分と活性層部分とはほぼ線状的な関係で比例するので、エッチングマスクの大きさを調節することによって、活性層部分の大きさを容易に制御することができる。このような双曲面ドラム型素子は、発振が起こる活性層の領域の直径をナノミリメーター（nm）級に調節することができるだけでなく、金属電極が蒸着されるメサの上部分が広いので、電気的なレーザー発振に有利である。インデックスボックスの温度はサンプルの温度を示す。このようなサンプルの温度はサンプルが置かれるホルダーに熱を加えたり冷却することによって調節することができる。
図９は本実施例によって製造した双曲面ドラム型素子の電流の変化による発振光度に対するグラフであって、活性層の直径が６００nmである素子に関する。
試験素子が示した初期LI（Light power vs．Current）特性は不十分であるが、電気的なポンピングによって光素子の発振が起こったことを確認することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。
以上のことより、本発明による双曲面ドラム型素子の製造方法によると、自己組立成長（SAG）法の量子点を使用せずに既存の量子井戸構造の活性層を数十から数百nmの大きさにエッチングするので、大きさの調節が容易であり、大量生産の再演性を確保することができる。また、この場合のナノ規模の双曲面ドラム型素子の構造は、活性層の大きさはnmの範囲であるが、上端表面部分はμmの大きさに拡大調節が可能であるため、金属電極を蒸着することも容易である。したがって、光ポンピングだけでなく電気的なポンピングも可能である。
本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子を示した模式図である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子の製造方法を順に示した工程図である。 本発明の一実施例による製造方法で、イオンビームの入射方向と基板との角度による双曲面の形成角度を定義した模式図である。 本発明に関する実験で使用された化学補助イオンビームエッチング装置を概略的に示した図面である。 本発明の一実施例による双曲面ドラム型素子を示した写真である。 化学補助イオンビームエッチング工程で、入射ビームと基板との角度（θ）の変化による側壁角度（α）の変化を示すグラフである。 入射ビームと基板との角度の変化によって、双曲面ドラム型素子の腰部分（活性層部分）及び上端表面部分（金属が蒸着される部分）の形状がフォトレジストマスクの大きさによって変化する様子を示すグラフである。 本発明の一実施例によって製造された双曲面ドラム型素子の走査電子顕微鏡イメージである。（b）は（a）の活性層部分の拡大イメージであり、（d）は（c）の活性層部分の拡大イメージである。 本実施例によって製造した双曲面ドラム型素子の電流の変化による発振光度に対するグラフであって、活性層の直径が６００nmである素子に関する。
符号の説明
１０ n型GaAs基板
１２ ｎ型電極
２０ ｎ型分散ブラグ反射器
２１、２３ Al0.3Ga0.7As層
３１ ｎ型障壁層
３３ 活性層
４０ ｐ型分散ブラグ反射器
４１、４３ Al0.3Ga0.7As層
４２、４４ Al0.9Ga0.1As層
５３ ｐ型電極
６０ 影領域
７４ ノズル
７５ チャンバー
７６ 基板ホルダー
７８ ターボ分子ポンプ

Claims (22)

  1. 境界をおいて互いに接合されるn型半導体及びp型半導体;及び
    前記境界を含む境界付近の領域に形成される活性層;
    を含み、
    前記活性層で最小の直径を有するように、前記n型半導体及びp型半導体の各々の外側端から前記境界付近の領域へ行くほど直径が漸進的に減少することを特徴とする、双曲面ドラム型素子。
  2. 前記n型半導体及びp型半導体の間に真性半導体が介在して接合され、
    前記活性層は、前記真性半導体と、この真性半導体が前記p型半導体及びn型半導体の各々となす境界を含む境界付近の領域とに形成されることを特徴とする、請求項１に記載の双曲面ドラム型素子。
  3. 前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とする、請求項１または２に記載の双曲面ドラム型素子。
  4. 前記活性層は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とすることを特徴とする、請求項１または２に記載の双曲面ドラム型素子。
  5. 量子井戸構造を有する活性層;
    前記活性層の両側面に各々形成されるn型障壁層及びp型障壁層;
    前記n型障壁層の外側に配置されるn型分散ブラグ反射器;及び
    前記p型障壁層の外側に配置されるp型分散ブラグ反射器;
    を含み、
    前記活性層で最小の直径を有するように、前記分散ブラグ反射器の各々から活性層側に行くほど直径が漸進的に減少しながら前記活性層に量子点が形成されることを特徴とする、双曲面ドラム型素子。
  6. 前記活性層の直径は、数十nm乃至数μmの範囲に属することを特徴とする、請求項５に記載の双曲面ドラム型素子。
  7. 前記活性層は、GaAsを基盤物質とすることを特徴とする、請求項５に記載の双曲面ドラム型素子。
  8. 前記n型障壁層にn型AlGaAs層が配置され、前記p型障壁層にp型AlGaAs層が配置されることを特徴とする、請求項７に記載の双曲面ドラム型素子。
  9. 前記分散ブラグ反射器は、屈折率の高いAl0.3Ga0.7As層と屈折率の低いAl0.9Ga0.1As層とが各々λ/４の厚さで交互に蒸着されることを特徴とする、請求項７に記載の双曲面ドラム型素子。
  10. 基板上にn型半導体及びp型半導体の接合により構成され、前記n型半導体及びp型半導体の間の境界とその付近の領域とに活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及び
    イオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;
    を含むことを特徴とする、双曲面ドラム型素子の製造方法。
  11. 前記基板は、GaAs、GaN、ZnSe、SiC、InPからなる群より選択される物質を基盤物質とすることを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  12. 前記エッチング段階は、
    光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;
    前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;
    を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  13. 前記イオンビームエッチング段階は、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングすることを特徴とする、請求項１２に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  14. 前記イオンビームエッチング段階には、腐食性ガスであるBCl3またはCl2が使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  15. 前記イオンビームエッチング段階には、不活性ガスイオンビームが使用されることを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  16. 前記イオンビームエッチング段階後に、エッチング工程で発生するサンプルの表面の損傷を防止するために湿式エッチングをさらに行うことを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  17. 前記イオンビームエッチング段階後に、表面の自然酸化膜の生成を防止するために硫化アンモニウムで表面処理することを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  18. 前記イオンビームエッチング段階後に、表面の自然酸化膜の生成を防止するためにN2、H2、NH3からなる群より選択される一種以上のガスでプラズマ処理することを特徴とする、請求項１０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  19. 基板上に活性層を有するエピタキシャル層を形成する段階;及び
    イオンビームエッチング法を利用して前記エピタキシャル層を前記活性層で最小の直径を有するように、双曲面ドラム形態にエッチングする段階;
    を含み、
    前記エピタキシャル層形成段階は、
    n+でドーピングされた基板上にn型分散ブラグ反射器を形成する段階;
    前記n型分散ブラグ反射器上にn型障壁層を形成する段階;
    前記n型障壁層上に量子井戸構造の活性層を形成する段階;
    前記活性層上にp型障壁層を形成する段階;
    前記p型障壁層上にp型分散ブラグ反射器を形成する段階;
    を含むことを特徴とする、双曲面ドラム型素子の製造方法。
  20. 前記エッチング段階は、
    光リソグラフィを利用してフォトレジストマスクを製造する段階;
    前記製造されたマスクを利用してイオンビームエッチング法を利用して双曲面ドラム形態にエッチングする段階;
    を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  21. 前記イオンビームエッチング段階は、前記エピタキシャル層が形成される基板に対して垂直方向とイオンビームの入射方向との間の角度を鋭角に設定してエッチングすることを特徴とする、請求項２０に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
  22. 前記p型分散ブラグ反射器の外側面にポリイミドをコーティングして平坦化する段階;及び
    前記ポリイミドをエッチングし、Cr/Auを蒸着して電極を形成する段階;
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の双曲面ドラム型素子の製造方法。
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