JP2006165051A - Semiconductor light emitting element and manufacturing method of the same - Google Patents

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裕久 齊藤
Hideki Matsubara
秀樹 松原
Takashi Misaki
貴史 三崎
Akira Yamaguchi
章 山口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for easily obtaining a semiconductor light emitting element including high precision photonic crystal and also provide a semiconductor light emitting element manufactured with the same manufacturing method. <P>SOLUTION: The method for manufacturing an element including the structures 3, 5 having the photonic crystal effect comprises the steps of forming a GaN system semiconductor layer 3 including a crystal inverting region 4 and removing the crystal inverting region 4 with the wet etching process. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same.

GaN系半導体発光素子の中でも、特に半導体レーザ(LD)は、その発光波長が400nm近辺と従来の半導体レーザよりも短波長なことから、高密度記録媒体用の光源として開発が進められてきた。その形態は端面発光型が大多数であり、近年、高出力化が進んできている。   Among GaN-based semiconductor light-emitting elements, a semiconductor laser (LD), in particular, has been developed as a light source for a high-density recording medium because its emission wavelength is around 400 nm and is shorter than that of a conventional semiconductor laser. Most of the forms are edge-emitting types, and in recent years, the output has been increasing.

一方、面発光型の開発も進められている。垂直共振器構造においては通常よく用いられるサファイア基板とGaNとの格子定数不適合により、反射を得るためのミラーを形成する途中でクラックが発生するなどの問題がある。このため未だ十分な発光がなされていないという状況である。   On the other hand, surface-emitting types are also being developed. In the vertical resonator structure, there is a problem that cracks are generated in the middle of forming a mirror for obtaining reflection due to mismatch of lattice constant between sapphire substrate and GaN which are usually used. For this reason, sufficient light emission has not yet been made.

これに対して、近年、フォトニック結晶構造を用いて面発光レーザを形成する技術がInP系材料で提案されている(非特許文献1)。光バンドギャップに相当する波長域の光は、光周期構造体中を伝播することはできない。このため、光バンドギャップに相当する光を、上記光周期構造体の周期性を消失させた導光路に導入すれば、その光は周囲の周期性を有する領域に漏れることなくその導光路を伝播する。そこでフォトニックバンド構造におけるバンド端において、光が多方向の面内分布帰還を受けることにより定在波が生じることを利用して作製される面発光素子などが提案されている。   On the other hand, in recent years, a technique for forming a surface emitting laser using a photonic crystal structure has been proposed for InP-based materials (Non-Patent Document 1). Light in a wavelength region corresponding to the optical band gap cannot propagate through the optical periodic structure. For this reason, if light corresponding to the optical band gap is introduced into the light guide path in which the periodicity of the optical periodic structure has been lost, the light propagates through the light guide path without leaking into the surrounding periodic region. To do. In view of this, a surface light-emitting element manufactured by utilizing the fact that standing waves are generated by light receiving multidirectional in-plane distributed feedback at the band edge in the photonic band structure has been proposed.

GaN系半導体レーザは、GaNの化学的安定性の高さから、端面発光レーザの構成に必須であるリッジ構造の形成にウェットエッチングを用いることができず、反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching :RIE)法が適用されている(非特許文献2)。RIEを用いて孔あけ加工等を行なうことにより、高能率でフォトニック結晶を作製することができる。   GaN-based semiconductor lasers cannot use wet etching to form a ridge structure, which is essential for the structure of edge-emitting lasers, due to the high chemical stability of GaN. Reactive ion etching (RIE) ) Method is applied (Non-Patent Document 2). By performing drilling using RIE, a photonic crystal can be produced with high efficiency.

上記のフォトニック結晶は、光媒体として屈折率の異なる部分が交互に配列された周期構造を有するため、作製に際しては、異なる2種以上の光媒体の周期構造を形成する必要がある。この場合、可視光域の光を対象とする場合には、波長がサブミクロンの範囲になるので、加工精度もサブミクロンの加工精度が必要となる。   Since the above-mentioned photonic crystal has a periodic structure in which portions having different refractive indexes are alternately arranged as an optical medium, it is necessary to form a periodic structure of two or more different optical media in production. In this case, when the light in the visible light range is targeted, the wavelength is in the sub-micron range, so the processing accuracy is also required to be sub-micron.

上記光周期構造体の周期構造として、例えば、半導体基板の作製において低密度欠陥領域を広く得るために欠陥を集中させた高密度欠陥領域を周期的に設けた半導体基板の構造が考えられる(特許文献1)。この構造では、低密度欠陥領域中に高密度欠陥領域が配列され、屈折率の高低領域が交互に並ぶことになる。また、上記とは別に半導体基板の結晶欠陥密度を高める方法のなかでウェットエッチングを用いる方法が提案されている(特許文献2)。この方法では、結晶欠陥密度を高めるためにイオン注入を用いる。これによって高い制御性で結晶欠陥密度の高低の周期構造を形成することができる。
特開2003−183100号公報 特開平10−233385号公報 横山光、野田進「二次元フォトニック結晶面発光レーザー」日本赤外線学会誌、第12巻2号 2003年 Thomas D.Happ, Alexander Markard, Martin Kamp, and Alfred Forchel, "Single-mode operation of coupled-cavity lasers based on two-dimensional photonic crystals",Applied Physics Letters, Vol.79,No.25,pp.4091-4093
As the periodic structure of the optical periodic structure, for example, a structure of a semiconductor substrate in which high-density defect regions in which defects are concentrated in order to obtain a wide range of low-density defect regions in the production of a semiconductor substrate can be considered (patent) Reference 1). In this structure, the high density defect regions are arranged in the low density defect region, and the high and low refractive index regions are alternately arranged. In addition to the above, a method using wet etching is proposed among methods for increasing the crystal defect density of a semiconductor substrate (Patent Document 2). In this method, ion implantation is used to increase the crystal defect density. As a result, a periodic structure with high and low crystal defect density can be formed with high controllability.
JP 2003-183100 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-233385 Hikaru Yokoyama, Susumu Noda "Two-dimensional photonic crystal surface emitting laser" Journal of Infrared Radiology, Vol. 12, No. 2003 2003 Thomas D. Happ, Alexander Markard, Martin Kamp, and Alfred Forchel, "Single-mode operation of coupled-cavity lasers based on two-dimensional photonic crystals", Applied Physics Letters, Vol. 79, No. 25, pp.4091- 4093

しかしながら、例えば上記の特許文献1に開示された方法は、光周期構造を得るために欠陥集中領域を配置するという発想がないために、可視光域を対象とするサブミクロン周期のフォトニック結晶を高精度で得ることできない。また、特許文献2に開示された方法では、高密度欠陥領域をイオン注入で形成するため、工程が増加して高コストとなる。また結晶欠陥密度を高める材料を付着させることが示されているが、平均で104/cm2程度の結晶欠陥密度領域でも、局所的にエッチングされると記載されている1010/cm2以上の領域が形成されてエッチピット等が形成される可能性がある。したがって、本方法は、フォトニック結晶の作製に用いることは難しい。 However, for example, in the method disclosed in Patent Document 1 described above, since there is no idea of arranging defect concentration regions in order to obtain an optical periodic structure, a photonic crystal having a submicron period intended for the visible light region is used. It cannot be obtained with high accuracy. Further, in the method disclosed in Patent Document 2, since the high-density defect region is formed by ion implantation, the number of steps is increased and the cost is increased. Moreover, although it has been shown that a material that increases the crystal defect density is attached, it is described that 10 10 / cm 2 or more, which is described as being locally etched even in an average crystal defect density region of about 10 4 / cm 2. There is a possibility that etch pits and the like are formed. Therefore, it is difficult to use this method for producing a photonic crystal.

また、非特許文献2に開示されたRIEを用いる方法では、RIEは化学的な反応とともに、物理的な除去加工が平行して行なわれるため、加工表面に物理的加工に起因するダメージ層が形成される。GaN系半導体はGaAsやInPに比べて強固であるため、RIE法でリッジ構造を形成してもレーザ発振が可能なものが作製されるが、少なからず入るダメージ層により発光出力の低下が問題となっている。また、フォトニック結晶構造型面発光レーザは、基板とのミスマッチによるクラックは解決できても、そのフォトニック結晶の微細構造を形成する方法が上記のRIE法であるため、RIEの条件によってはそのダメージ層の深さは数百nmにも及び、周期構造体全体にダメージが入ったものとなることがある。   Further, in the method using RIE disclosed in Non-Patent Document 2, since RIE is performed in parallel with chemical reaction and physical removal processing, a damage layer caused by physical processing is formed on the processing surface. Is done. Since GaN-based semiconductors are stronger than GaAs and InP, those capable of laser oscillation are produced even if a ridge structure is formed by the RIE method. It has become. In addition, although the photonic crystal structure type surface emitting laser can solve the crack due to mismatch with the substrate, the method of forming the fine structure of the photonic crystal is the RIE method described above. The depth of the damaged layer may be several hundred nm, and the entire periodic structure may be damaged.

本発明は、結晶性に優れた高精度のフォトニック結晶を含む半導体発光素子を容易に得ることができる製造方法およびその製造方法を用いた半導体発光素子を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method which can obtain easily the semiconductor light-emitting device containing the highly accurate photonic crystal excellent in crystallinity, and the semiconductor light-emitting device using the manufacturing method.

本発明の半導体発光素子の製造方法は、フォトニック結晶効果を有する構造を含む素子を製造する方法であって、結晶反転領域を含むGaN系材料層を形成する工程と、結晶反転領域をウェットエッチングにより除去する工程とを含むことを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention is a method for manufacturing a device including a structure having a photonic crystal effect, the step of forming a GaN-based material layer including a crystal inversion region, and wet etching of the crystal inversion region. And removing it.

上記の構成により、パターンマスク上、GaN系材料層中に結晶反転領域を2次元周期配列しておけば、GaN系材料の屈折率と、ウェットエッチングで除去された部分の大気または他の気体などの1付近の屈折率とが、2次元的に周期配列される。このためフォトニック結晶効果を発現させることができる。本方法のポイントは2次元周期パターンのパターンマスク上にGaN系材料の結晶反転領域が形成される点、およびその結晶反転領域が容易にウェットエッチされやすい点にある。上記の方法によれば簡単に高精度のフォトニック効果を得ることができる。   With the above configuration, if the crystal inversion region is two-dimensionally arranged in the GaN-based material layer on the pattern mask, the refractive index of the GaN-based material and the air or other gas removed from the wet etching, etc. The refractive index in the vicinity of 1 is periodically arranged in a two-dimensional manner. For this reason, the photonic crystal effect can be expressed. The point of this method is that a crystal inversion region of a GaN-based material is formed on a pattern mask having a two-dimensional periodic pattern, and that the crystal inversion region is easily wet-etched. According to the above method, a highly accurate photonic effect can be easily obtained.

本発明の別の半導体発光素子の製造方法は、フォトニック結晶効果を有する構造を含む素子を製造する方法であって、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成する工程と、基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上の少なくとも一部分には結晶反転領域が形成されるようにする工程と、エピタキシャル成長したGaN系半導体層を平坦化する工程と、パターンマスク上に形成された結晶反転領域をアルカリ性溶剤により除去する工程とを備える。そして、上記の基板と異なる活性層形成用基板を準備してその活性層形成用基板上に、活性層を含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長する工程と、活性層を含む半導体層の上面を平坦化する工程と、上記の基板の平坦化したGaN系半導体層の面と、活性層形成用基板において平坦化した面とを向かい合わせて基板と活性層形成用基板とを貼り合わせる工程とを備えることを特徴とする。   Another method of manufacturing a semiconductor light emitting device of the present invention is a method of manufacturing a device including a structure having a photonic crystal effect, the step of forming a pattern mask of a material layer containing Si on a substrate, A step of epitaxially growing a GaN-based semiconductor layer so that a crystal inversion region is formed on at least a part of the pattern mask, a step of planarizing the epitaxially-grown GaN-based semiconductor layer, and a step of forming on the pattern mask And a step of removing the crystal inversion region with an alkaline solvent. Then, a step of preparing an active layer forming substrate different from the above substrate and epitaxially growing a plurality of semiconductor layers including the active layer on the active layer forming substrate, and flattening the upper surface of the semiconductor layer including the active layer And a step of bonding the substrate and the active layer forming substrate so that the surface of the flattened GaN-based semiconductor layer of the substrate and the flattened surface of the active layer forming substrate face each other. It is characterized by that.

上記の構成により、フォトニック効果を有する層を簡単に高精度で形成した上で、活性層を含む層と一体化することができる。したがって、簡単にフォトニック効果を有する層を含む発光素子をコンパクト化することができる。   With the above structure, a layer having a photonic effect can be easily formed with high accuracy and integrated with a layer including an active layer. Therefore, a light-emitting element including a layer having a photonic effect can be easily made compact.

本発明の半導体発光素子は、GaN系半導体層を含む発光素子であって、2次元周期パターンのパターンマスクを有し、そのパターンマスク上において、GaN系半導体層と屈折率が異なる物質がGaN系半導体層と2次元周期配列を形成するように配置されていることを特徴とする。   The semiconductor light-emitting device of the present invention is a light-emitting device including a GaN-based semiconductor layer, having a two-dimensional periodic pattern mask, and a substance having a refractive index different from that of the GaN-based semiconductor layer is a GaN-based material on the pattern mask. The semiconductor layer is arranged to form a two-dimensional periodic array.

上記の構造の発光素子は、簡単に高精度で製造されたフォトニック効果を発現する部分を含む半導体発光素子である。   The light-emitting element having the above structure is a semiconductor light-emitting element that includes a portion that exhibits a photonic effect that is easily manufactured with high accuracy.

本発明の別の半導体発光素子は、成膜用基層上に形成された発光素子であって、成膜用基層が、2次元周期配列された結晶反転領域を含むエピタキシャル成長したGaN系半導体層であり、その成膜用基層上において、エピタキシャル成長されたGaN系半導体層と、成膜用基層中の結晶反転領域上に位置して前記GaN系半導体層と異なる屈折率を有する物質とが、2次元周期配列されていることを特徴とする。   Another semiconductor light-emitting device of the present invention is a light-emitting device formed on a film-forming base layer, wherein the film-forming base layer is an epitaxially grown GaN-based semiconductor layer including crystal inversion regions arranged two-dimensionally. A GaN-based semiconductor layer epitaxially grown on the film-forming base layer and a substance having a refractive index different from that of the GaN-based semiconductor layer located on the crystal inversion region in the film-forming base layer It is arranged.

上記の構造によれば、1つのパターンマスク上に、結晶反転領域を含むエピタキシャル層を厚く形成しておけば、多数の成膜用基層を得ることができ、半導体発光素子ごとにパターンマスクを作製する必要がない。このため、半導体発光素子の製造能率を大幅に向上させることができる。   According to the above structure, if a thick epitaxial layer including a crystal inversion region is formed on one pattern mask, a large number of base layers for film formation can be obtained, and a pattern mask is produced for each semiconductor light emitting device. There is no need to do. For this reason, the manufacturing efficiency of the semiconductor light emitting device can be greatly improved.

次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における半導体発光素子の例としてフォトニック結晶を用いた半導体レーザ素子の構成を示す概略断面図である。図1を参照して、半導体レーザ素子10は、たとえば、基板1と、パターンマスク2と、二次元回折格子としてのフォトニック結晶3、5と、n型クラッド層14と、活性層15と、p型クラッド層16と、アノード電極21と、カソード電極22とを有している。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser element using a photonic crystal as an example of the semiconductor light emitting element in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a semiconductor laser device 10 includes, for example, a substrate 1, a pattern mask 2, photonic crystals 3, 5 as a two-dimensional diffraction grating, an n-type cladding layer 14, an active layer 15, A p-type cladding layer 16, an anode electrode 21, and a cathode electrode 22 are included.

基板1は、たとえばn型のGaN(窒化ガリウム)よりなっている。基板1の表面1aに、2次元周期性を有するパターンマスク2が位置している。また、基板表面1a上にはフォトニック結晶3、5が配置されている。このフォトニック結晶3、5は、第1の屈折率を有する媒質3とその媒質の表面に二次元回折格子を構成するように設けられた第2の屈折率の部分5とを有している。第1の屈折率を有する媒質3はたとえばエピタキシャル成長で形成されたn型のGaNクラッド層(屈折率:2.54)である。第2の屈折率の部分5はウェットエッチングで抜かれた跡なので、たとえば空気で満たされた孔(屈折率:1)である。第2の屈折率の部分5は、柱状(例えば、円柱形状)の空間部であり、第1の屈折率を有する媒質3の表面に、たとえば三角格子、正方格子などを構成するようにその格子点に配列されている。   The substrate 1 is made of, for example, n-type GaN (gallium nitride). A pattern mask 2 having a two-dimensional periodicity is located on the surface 1 a of the substrate 1. Photonic crystals 3 and 5 are disposed on the substrate surface 1a. The photonic crystals 3 and 5 have a medium 3 having a first refractive index and a second refractive index portion 5 provided on the surface of the medium so as to form a two-dimensional diffraction grating. . The medium 3 having the first refractive index is, for example, an n-type GaN cladding layer (refractive index: 2.54) formed by epitaxial growth. Since the second refractive index portion 5 is a trace removed by wet etching, for example, it is a hole filled with air (refractive index: 1). The second refractive index portion 5 is a columnar (for example, columnar) space, and the lattice is formed on the surface of the medium 3 having the first refractive index so as to form, for example, a triangular lattice or a square lattice. Arranged at points.

また第2の屈折率の部分5内には空気が満たされた場合について説明したが、空気以外の気体が満たされていてもよく、また固体が満たされていてもよい。この場合、第2の屈折率の部分5内に満たされる材料、つまり低屈折率の誘電体材料としては、シリコン窒化膜(SiNx)などを用いることができる。このように屈折率の差を大きくとると、第1の屈折率の媒質3内に光を閉じ込めることができる。   In addition, the case where the second refractive index portion 5 is filled with air has been described. However, a gas other than air may be filled, or a solid may be filled. In this case, a silicon nitride film (SiNx) or the like can be used as a material filled in the second refractive index portion 5, that is, a low refractive index dielectric material. When the difference in refractive index is thus increased, light can be confined in the medium 3 having the first refractive index.

フォトニック結晶3、5の表面上には、n型クラッド層14、活性層15およびp型クラッド層16が順に形成されている。   On the surface of the photonic crystals 3 and 5, an n-type cladding layer 14, an active layer 15 and a p-type cladding layer 16 are formed in this order.

活性層15はキャリアの注入により光を発生する材質よりなっており、たとえばAlxGa1-x-yInyN(0≦x、y≦1、0≦x+y≦1)よりなる多重量子井戸により構成されていてもよく、単一の半導体材料より構成されていてもよい。 The active layer 15 is made of a material that generates light by injecting carriers, and is composed of, for example, a multiple quantum well made of Al x Ga 1 -xy In y N (0 ≦ x, y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). It may be made of a single semiconductor material.

n型クラッド層14はたとえばn型GaNよりなっており、p型クラッド層16はたとえばp型GaNよりなっている。n型クラッド層14およびp型クラッド層16は、活性層15に与えられるべきキャリアが伝導する導電層として機能する。このため、n型クラッド層14およびp型クラッド層16は、活性層15を挟むように設けられている。また、n型クラッド層14およびp型クラッド層16は、共に、活性層15にキャリア(電子および正孔)を閉じ込める閉じ込め層として機能する。つまり、n型クラッド層14、活性層15およびp型クラッド層16はダブルヘテロ接合を形成しており、発光に寄与するキャリアを活性層15に集中させることができる。   The n-type cladding layer 14 is made of, for example, n-type GaN, and the p-type cladding layer 16 is made of, for example, p-type GaN. The n-type cladding layer 14 and the p-type cladding layer 16 function as conductive layers through which carriers to be given to the active layer 15 are conducted. For this reason, the n-type cladding layer 14 and the p-type cladding layer 16 are provided so as to sandwich the active layer 15. The n-type cladding layer 14 and the p-type cladding layer 16 both function as confinement layers that confine carriers (electrons and holes) in the active layer 15. That is, the n-type cladding layer 14, the active layer 15, and the p-type cladding layer 16 form a double heterojunction, and carriers contributing to light emission can be concentrated in the active layer 15.

また、n型クラッド層14は、フォトニック結晶3、5への正孔の進入をブロックするブロック層としても機能させるようにしてもよい。これにより、フォトニック結晶3,5内で電子と正孔とが非発光再結合するのを抑止することができる。特に、回折格子点5が空気よりなっている場合には、回折格子点5の表面において非発光再結合が起こりやすくなるので、ブロック層としての機能が重要になる。   Further, the n-type cladding layer 14 may function as a blocking layer that blocks the entrance of holes into the photonic crystals 3 and 5. As a result, it is possible to prevent non-radiative recombination of electrons and holes in the photonic crystals 3 and 5. In particular, when the diffraction grating point 5 is made of air, non-radiative recombination is likely to occur on the surface of the diffraction grating point 5, so that the function as a block layer is important.

p型クラッド層16の表面にはアノード電極21がp型クラッド層16と電気的に接続するように形成されており、基板1の裏面にはカソード電極22が基板1と電気的に接続するように形成されている。   An anode electrode 21 is formed on the surface of the p-type cladding layer 16 so as to be electrically connected to the p-type cladding layer 16, and a cathode electrode 22 is electrically connected to the substrate 1 on the back surface of the substrate 1. Is formed.

なおアノード電極21にはボンディングワイヤ(図示せず)が電気的に接続されている。   A bonding wire (not shown) is electrically connected to the anode electrode 21.

図2は、図1に示す半導体発光素子10の平面図である。この図1および図2に示す半導体発光素子10が、図3に示すようにアレイ状に配列されていてもよい。   FIG. 2 is a plan view of the semiconductor light emitting device 10 shown in FIG. The semiconductor light emitting devices 10 shown in FIGS. 1 and 2 may be arranged in an array as shown in FIG.

図1に示す半導体発光素子では、フォトニック結晶構造のフォトニックバンド端において、光が多方向の面内分布帰還を受けることにより定在波が生じる。このため、たとえば光が上方(電極21の側)に向けて出射される。本実施の形態の半導体発光素子は面発光タイプの素子である。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1, a standing wave is generated when light undergoes multidirectional in-plane distributed feedback at the photonic band edge of the photonic crystal structure. For this reason, for example, light is emitted upward (on the electrode 21 side). The semiconductor light emitting device of this embodiment is a surface light emitting type device.

次に、上記の半導体発光素子の製造方法について、原理的な部分も含めて説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor light emitting element will be described including the principle part.

(製造原理)
図4は、GaNの結晶構造の模式図である。ウルツ鉱構造のc軸に垂直にGa面とN面とが交互に配置される。c軸は成長方向でもあり、単結晶基板、高配向基板またはエピタキシャル層はc軸に垂直な表面を形成しやすい。c軸方向に関して、GaとNとの結合は、図4に示す点線部B1、B2で切れやすいため、GaN基板はその上面(表面)1aでたとえばGa面の極性を、また下面(裏面)1bでN面の極性を有する。
(Manufacturing principle)
FIG. 4 is a schematic diagram of the crystal structure of GaN. Ga planes and N planes are alternately arranged perpendicular to the c-axis of the wurtzite structure. The c-axis is also the growth direction, and a single crystal substrate, a highly oriented substrate, or an epitaxial layer tends to form a surface perpendicular to the c-axis. With respect to the c-axis direction, the bond between Ga and N is easily broken at the dotted line parts B 1 and B 2 shown in FIG. 4, so that the GaN substrate has, for example, the polarity of the Ga surface on its upper surface (front surface) 1a and the lower surface (back surface). ) 1b has N-plane polarity.

図5は、基板上にパターンマスク2を形成した状態を示す図である。この上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長した状態を図6に示す。図6を参照して、本発明者らは、パターンマスク2を選択的に形成した基板1(たとえばGaN(0001)基板)上に、塩素系ガスを導入した雰囲気中でGaN系半導体層をエピタキシャル成長させた場合、基板1に接してエピタキシャル成長したGaN系半導体層3の部分の上面3aはGa面となり、かつパターンマスク2に接するGaN系半導体層4の部分の上面4aはN面となることを見出した。つまり、本発明者らは、パターンマスク2上においてGaN系半導体層に結晶反転領域4が生成することを見出した。このように本発明では、パターンマスク2上に結晶反転領域4を形成できることを利用して、2次元周期パターンを形成する点に大きな特徴を有している。   FIG. 5 is a diagram showing a state in which the pattern mask 2 is formed on the substrate. FIG. 6 shows a state in which a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown thereon. Referring to FIG. 6, the present inventors epitaxially grow a GaN-based semiconductor layer on a substrate 1 (for example, a GaN (0001) substrate) on which a pattern mask 2 is selectively formed in an atmosphere into which a chlorine-based gas is introduced. It is found that the upper surface 3a of the portion of the GaN-based semiconductor layer 3 epitaxially grown in contact with the substrate 1 is a Ga surface and the upper surface 4a of the portion of the GaN-based semiconductor layer 4 in contact with the pattern mask 2 is an N-plane. It was. That is, the present inventors have found that the crystal inversion region 4 is generated in the GaN-based semiconductor layer on the pattern mask 2. As described above, the present invention has a great feature in that a two-dimensional periodic pattern is formed by utilizing the fact that the crystal inversion region 4 can be formed on the pattern mask 2.

なお、GaN系半導体層の形成方法は、有機金属CVD法、CVD法、各種の真空蒸着法などを用いることができる。   As a method for forming the GaN-based semiconductor layer, an organic metal CVD method, a CVD method, various vacuum deposition methods, or the like can be used.

図7は、図6に示すエピタキシャル成長層3、4における表面凹凸部分(除去部分)17をなくすために平坦化した状態を示す図である。図7では、研磨によって平坦化しているが、内部に大きなダメージを与えない方法として通常知られている任意の平坦化方法を用いてもよい。   FIG. 7 is a diagram showing a flattened state in order to eliminate the surface uneven portion (removed portion) 17 in the epitaxial growth layers 3 and 4 shown in FIG. In FIG. 7, the surface is flattened by polishing, but any flattening method that is generally known as a method that does not damage the inside largely may be used.

次にパターンマスクの形状について詳しく説明する。図8は、図5に示すパターンマスク2の形状を示すための平面図である。基板表面1aに円状のマスク2が離散的に規則配列(たとえば正方格子配列)されている。図9は、図8に示すパターンマスク上に形成された結晶反転領域4のパターンを示す平面図である。マスクの円の径より小さい径の結晶反転領域4がGaN系半導体層3の中にたとえば正方格子状に規則配列されている。結晶反転領域4の径が、パターンマスク2の径より小さくなるのは、図6に示すようにマスクの縁の少し内側までGaNエピタキシャル成長層3が入り込むためである。パターンマスク2はSiを含む材料で形成されることができるが、その下の基板にGaN系半導体層3、4をエピタキシャル成長させたときパターンマスク上にGaN系材料層の結晶反転領域4が形成されるものであれば、Siを含む材料に限定されない。   Next, the shape of the pattern mask will be described in detail. FIG. 8 is a plan view for showing the shape of the pattern mask 2 shown in FIG. Circular masks 2 are discretely arranged regularly (for example, a square lattice array) on the substrate surface 1a. FIG. 9 is a plan view showing a pattern of the crystal inversion region 4 formed on the pattern mask shown in FIG. The crystal inversion regions 4 having a diameter smaller than that of the mask circle are regularly arranged in the GaN-based semiconductor layer 3 in a square lattice shape, for example. The reason why the diameter of the crystal inversion region 4 is smaller than the diameter of the pattern mask 2 is that the GaN epitaxial growth layer 3 enters a little inside the edge of the mask as shown in FIG. The pattern mask 2 can be formed of a material containing Si, but when the GaN-based semiconductor layers 3 and 4 are epitaxially grown on the underlying substrate, the crystal inversion region 4 of the GaN-based material layer is formed on the pattern mask. If it is a thing, it will not be limited to the material containing Si.

図9に示すエピタキシャル成長層3、4のN面領域(結晶反転領域)4はアルカリ液によって腐食されやすく、Ga面領域3は腐食されにくい。この特性を利用して、エピタキシャル成長層3、4をアルカリ液によりウェットエッチングすることにより、N面領域(結晶反転領域)4のみを選択的に除去することができる。これにより、図10に示すように結晶反転領域のN面領域4は孔(空隙)5となり、孔5がGaN系半導体層3の中に規則配列することにより、フォトニック結晶3、5が形成される。孔5中には空気が自然に入ることになる。また、後工程で発生するガスなどが含まれてもよい。   The N-plane region (crystal inversion region) 4 of the epitaxial growth layers 3 and 4 shown in FIG. 9 is easily corroded by the alkaline liquid, and the Ga-plane region 3 is not easily corroded. By utilizing this characteristic, only the N-plane region (crystal inversion region) 4 can be selectively removed by wet etching the epitaxial growth layers 3 and 4 with an alkaline solution. As a result, as shown in FIG. 10, the N-plane region 4 of the crystal inversion region becomes a hole (gap) 5, and the holes 5 are regularly arranged in the GaN-based semiconductor layer 3 to form the photonic crystals 3 and 5. Is done. Air will naturally enter the hole 5. Moreover, the gas etc. which generate | occur | produce in a post process may be contained.

図8〜図10は規則配列した孔を開けるためのパターンマスクの形状について説明したが、図11〜図13には、空間(空隙)中に規則配列された柱状構造を形成するためのパターンマスクについて説明する。図11は、空間中に規則配列された柱状構造を形成するためのパターンマスクを示す図である。蜂の巣状に六角形の孔が開いたパターンマスクが基板表面1a上に形成されている。図11の状態の基板上にGaN系半導体層を形成すると、蜂の巣の壁面に相当する領域に結晶反転領域(N面領域)4が形成され、蜂の巣の六角形の孔に相当する領域にGaN系半導体層(Ga面領域)3がエピタキシャル成長する。   8 to 10 describe the shape of the pattern mask for forming the regularly arranged holes. FIGS. 11 to 13 show the pattern mask for forming the columnar structure regularly arranged in the space (gap). Will be described. FIG. 11 is a diagram showing a pattern mask for forming a columnar structure regularly arranged in the space. A pattern mask having hexagonal holes in a honeycomb shape is formed on the substrate surface 1a. When a GaN-based semiconductor layer is formed on the substrate in the state shown in FIG. 11, a crystal inversion region (N-plane region) 4 is formed in a region corresponding to the honeycomb wall, and a GaN-based semiconductor is formed in a region corresponding to the hexagonal hole in the honeycomb. The semiconductor layer (Ga face region) 3 is epitaxially grown.

図12の状態の基板を裏面を保護しながらアルカリ液でウェットエッチングすると、結晶反転領域(N面領域)4が選択的に除去されて、図13に示すような柱6が空隙中に規則配列(三角格子配列)された柱状構造を得ることができる。図13は六角柱を示すが図11のパターンを修正するだけで、円柱とすることは容易である。図13において、柱の間の空間(空隙)5は、図10における孔(空隙)5に対応する部分であり、どちらもパターンマスク上に形成された結晶反転領域(N面領域)4をアルカリ液でウェットエッチングすることにより空間(空隙)となった部分である。   When the substrate in the state of FIG. 12 is wet-etched with an alkaline solution while protecting the back surface, the crystal inversion region (N-plane region) 4 is selectively removed, and the columns 6 as shown in FIG. 13 are regularly arranged in the gap. A columnar structure (triangular lattice arrangement) can be obtained. Although FIG. 13 shows a hexagonal column, it is easy to make a cylinder by only correcting the pattern of FIG. In FIG. 13, the space (gap) 5 between the pillars is a part corresponding to the hole (gap) 5 in FIG. 10, and both of the crystal inversion regions (N-plane regions) 4 formed on the pattern mask are alkaline. It is a portion that has become a space (void) by wet etching with a liquid.

(製造方法)
図14(a)はフォトニック結晶を作製するための基板1を示す。基板1上に、図14(b)に示すように、パターンマスク2を形成する。図14(b)のパターンは、図8〜図10に示す孔パターンを形成するためのパターンマスクである。このあと、図5〜図7に示す各工程を経て、結晶反転領域が2次元周期配列された状態を得る(図7参照)。次いで、アルカリ液を用いてウェットエッチングを行い、図14(c)に示すように、結晶反転領域があった領域を選択的に除去して孔または空間5を開ける。
(Production method)
FIG. 14A shows a substrate 1 for producing a photonic crystal. A pattern mask 2 is formed on the substrate 1 as shown in FIG. The pattern shown in FIG. 14B is a pattern mask for forming the hole patterns shown in FIGS. Thereafter, through the respective steps shown in FIGS. 5 to 7, a state in which the crystal inversion regions are two-dimensionally arranged is obtained (see FIG. 7). Next, wet etching is performed using an alkali solution, and as shown in FIG. 14C, the region where the crystal inversion region is present is selectively removed to form a hole or space 5.

一方、発光部分を形成するために、図14(d)に示すように、上記基板1とは別の活性層形成用基板51を準備する。次に、図14(e)に示すように活性層形成用基板51の上に、p型クラッド層16、活性層15およびn型クラッド層14を順に形成する。活性層形成用基板51とp型クラッド層16との間にはキャリアブロック層や電極形成用のコンタクト層を設けることができる。またn型クラッド層14と活性層15との間にはn型ガイド層を設けることができ、またn型クラッド層14にはn型バッファ層を設けることもできる。さらにこの後、図14(f)に示すように、積層したエピタキシャル成長層の表面凹凸層17をなくすために、ポリッシングなどの平坦化法を用いて平坦化する。   On the other hand, in order to form a light emitting portion, an active layer forming substrate 51 different from the substrate 1 is prepared as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 14E, the p-type cladding layer 16, the active layer 15, and the n-type cladding layer 14 are sequentially formed on the active layer forming substrate 51. Between the active layer forming substrate 51 and the p-type cladding layer 16, a carrier block layer and an electrode forming contact layer can be provided. An n-type guide layer can be provided between the n-type cladding layer 14 and the active layer 15, and an n-type buffer layer can be provided in the n-type cladding layer 14. Thereafter, as shown in FIG. 14F, planarization is performed using a planarization method such as polishing in order to eliminate the uneven surface layer 17 of the laminated epitaxial growth layer.

図14(c)の状態の基板と、図14(f)の状態の活性層形成用基板とを、互いに平坦化した面を向き合わせて貼り合わせる。貼り合わせは加熱雰囲気中で加圧しながら加熱して行なうことができる。図14(g)は貼り合わせたあとの状態を示す図である。この後、活性層形成用基板51が除去される。さらにこの後、図1に示すように、p型クラッド層16の表面にアノード電極21を形成し、基板1の裏面にカソード電極22を形成することにより、図1に示す半導体発光素子を得ることができる。   The substrate in the state of FIG. 14C and the active layer forming substrate in the state of FIG. 14F are bonded to each other with their planarized surfaces facing each other. Bonding can be performed by heating while applying pressure in a heated atmosphere. FIG. 14 (g) is a diagram showing a state after bonding. Thereafter, the active layer forming substrate 51 is removed. Thereafter, as shown in FIG. 1, the anode electrode 21 is formed on the surface of the p-type cladding layer 16, and the cathode electrode 22 is formed on the back surface of the substrate 1, thereby obtaining the semiconductor light emitting device shown in FIG. Can do.

図14(g)に示すように、本実施の形態の発光素子10は、活性層15を含み、パターンマスク2上の孔または空間5と、GaN系半導体層3とが高精度で2次元周期配列されている。上記空間5と、GaN系半導体層3との2次元周期配列は、「2次元周期パターンのマスクの形成と、その上に形成される結晶反転領域(N面領域)、およびその結晶反転領域のウェットエッチングによる除去」という非常に簡単な方法で得ることができる。   As shown in FIG. 14G, the light emitting device 10 of the present embodiment includes an active layer 15, and the hole or space 5 on the pattern mask 2 and the GaN-based semiconductor layer 3 have a two-dimensional period with high accuracy. It is arranged. The two-dimensional periodic arrangement of the space 5 and the GaN-based semiconductor layer 3 is “the formation of a mask of a two-dimensional periodic pattern, the crystal inversion region (N-plane region) formed thereon, and the crystal inversion region. It can be obtained by a very simple method of “removal by wet etching”.

上記の(製造方法)は次のように包括的に述べることができる。本実施の形態における半導体発光素子の製造方法は、フォトニック結晶効果を有する構造を含む素子を製造する方法であって、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成する工程と、基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には結晶反転領域が形成されるようにする工程と、エピタキシャル成長したGaN系半導体層を平坦化する工程と、パターンマスク上に形成された結晶反転領域をアルカリ性溶剤により除去する工程とを有する。また、本実施の形態に係る方法は、上記の基板と異なる活性層形成用基板を準備してその上に、活性層を含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長する工程と、活性層を含む半導体層の上面を平坦化する工程と、上記の基板の平坦化したGaN系半導体層の面と、活性層形成用基板において平坦化した面とを向かい合わせて基板と活性層形成用基板とを貼り合わせる工程とを備える。   The above (manufacturing method) can be comprehensively described as follows. A method for manufacturing a semiconductor light-emitting element in the present embodiment is a method for manufacturing an element including a structure having a photonic crystal effect, which includes a step of forming a pattern mask of a material layer containing Si on a substrate, Epitaxially growing a GaN-based semiconductor layer to form a crystal inversion region on the pattern mask, flattening the epitaxially grown GaN-based semiconductor layer, and a crystal inversion region formed on the pattern mask And removing with an alkaline solvent. Further, the method according to the present embodiment includes a step of preparing an active layer forming substrate different from the above substrate and sequentially epitaxially growing a plurality of semiconductor layers including the active layer thereon, and a semiconductor layer including the active layer. The substrate and the active layer forming substrate are bonded together with the step of planarizing the upper surface of the substrate and the surface of the flattened GaN-based semiconductor layer of the substrate facing the planarized surface of the active layer forming substrate. A process.

(実施の形態2)
実施の形態1においては、表面発光タイプの半導体発光素子について説明したが、端面発光タイプの半導体発光素子に本発明が適用されてもよい。
(Embodiment 2)
In Embodiment 1, a surface-emitting type semiconductor light-emitting element has been described, but the present invention may be applied to an edge-emitting type semiconductor light-emitting element.

図15および図16は、本発明の実施の形態2における端面発光タイプの半導体発光素子の構成を示す断面図および平面図である。また図17は光伝播領域27を示す図である。   15 and 16 are a cross-sectional view and a plan view showing the configuration of the edge-emitting type semiconductor light emitting device in the second embodiment of the present invention. FIG. 17 is a diagram showing the light propagation region 27.

図15および図16を参照して、基板1の表面上には所定のパターンでパターンマスク2が形成されている。このパターンマスク2上には、n型クラッド層14と活性層15とp型クラッド層16とが順に積層して形成されている。パターンマスク2上には、n型クラッド層14と活性層15とp型クラッド層16とを貫通するように孔5が形成されている。この孔5は平面的に見て三角格子の格子点に配列されており、このような孔5の配置によりフォトニック結晶が構成されている。ただし図17に示すように、光伝播領域27には孔5は形成されていない。この光伝播領域27上においてはp型クラッド層16と電気的に接続するようにアノード電極21が形成されており、基板1の裏面には基板1と電気的に接続するようにカソード電極22が形成されている。また光の出射面となる端面には反射防止膜25が形成されている。   Referring to FIGS. 15 and 16, pattern mask 2 is formed on the surface of substrate 1 in a predetermined pattern. On the pattern mask 2, an n-type cladding layer 14, an active layer 15, and a p-type cladding layer 16 are sequentially stacked. A hole 5 is formed on the pattern mask 2 so as to penetrate the n-type cladding layer 14, the active layer 15, and the p-type cladding layer 16. The holes 5 are arranged at triangular lattice points when seen in a plan view, and the arrangement of the holes 5 constitutes a photonic crystal. However, as shown in FIG. 17, the hole 5 is not formed in the light propagation region 27. An anode electrode 21 is formed on the light propagation region 27 so as to be electrically connected to the p-type cladding layer 16, and a cathode electrode 22 is formed on the back surface of the substrate 1 so as to be electrically connected to the substrate 1. Is formed. In addition, an antireflection film 25 is formed on the end face serving as the light exit surface.

このn型クラッド層14と活性層15とp型クラッド層16とに孔5を形成する工程に、図5〜図10に示す方法を適用することができる。つまり、図15を参照して、パターンマスク2上にn型クラッド層14と活性層15とp型クラッド層16とを順に積層して形成することで、パターンマスク2上のみを結晶反転領域(N面領域)とし、それ以外をGa面領域とし、アルカリ液でウェットエッチングすることにより結晶反転領域のみを選択的に除去して、孔5を形成することができる。   The method shown in FIGS. 5 to 10 can be applied to the step of forming the holes 5 in the n-type cladding layer 14, the active layer 15, and the p-type cladding layer 16. That is, referring to FIG. 15, the n-type cladding layer 14, the active layer 15, and the p-type cladding layer 16 are sequentially laminated on the pattern mask 2, so that only the pattern inversion region ( It is possible to form the hole 5 by selectively removing only the crystal inversion region by wet etching with an alkaline solution.

アノード電極21に正電圧を印加し、カソード電極22に負電圧を印加することにより活性層15から発光した光の波長は、孔5と各層14、15、16とによって形成される2次元周期パターンのフォトニック結晶のフォトニックバンド域の波長とされる。このため、活性層15で生じた光はフォトニック結晶中を伝播することができず、光伝播領域27のみを伝播する。このため、端面に反射防止膜25を形成しておけば、光伝播領域27を伝播する光は反射防止膜25を通してのみ外部に出射される。   The wavelength of light emitted from the active layer 15 by applying a positive voltage to the anode electrode 21 and a negative voltage to the cathode electrode 22 is a two-dimensional periodic pattern formed by the holes 5 and the layers 14, 15, 16. The wavelength of the photonic band of the photonic crystal. For this reason, the light generated in the active layer 15 cannot propagate through the photonic crystal and propagates only through the light propagation region 27. For this reason, if the antireflection film 25 is formed on the end face, the light propagating through the light propagation region 27 is emitted outside only through the antireflection film 25.

(実施の形態3)
図18は、本発明の実施の形態3における製造方法を説明する図である。図19は結晶反転領域4を含むGaN系半導体層から形成される成膜用基層61を示す図である。図18に示すように、本実施の形態では、パターンマスク2を用いて形成した結晶反転領域4を含むGaN系半導体層3から層S1,..SNを取り出して成膜用基層61とする。その成膜用基層61の上に、図20に示すように、GaN系半導体層3,4をエピタキシャル成長させ、パターンマスクを用いることなく結晶反転領域4を含むGaN系半導体層62を得ることができる。
(Embodiment 3)
FIG. 18 is a diagram for explaining a manufacturing method according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 19 is a diagram showing a film formation base layer 61 formed of a GaN-based semiconductor layer including the crystal inversion region 4. As shown in FIG. 18, in the present embodiment, the layers S 1 ,... S N are taken out from the GaN-based semiconductor layer 3 including the crystal inversion region 4 formed using the pattern mask 2, and the film formation base layer 61 and To do. As shown in FIG. 20, GaN-based semiconductor layers 3 and 4 are epitaxially grown on the film-forming base layer 61, and a GaN-based semiconductor layer 62 including the crystal inversion region 4 can be obtained without using a pattern mask. .

本実施の形態によれば、パターンマスクを用いることなく結晶反転領域を含むGaN系半導体層を得ることができるので、フォトニック結晶構造を含む半導体発光素子を安価に供給することが可能となる。   According to the present embodiment, since a GaN-based semiconductor layer including a crystal inversion region can be obtained without using a pattern mask, a semiconductor light emitting element including a photonic crystal structure can be supplied at low cost.

次に上記実施の形態1〜3における変形例または具体例について説明する。上記の結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には結晶反転領域が含まれるようにすることができる。この方法により、簡単に結晶反転領域が2次元周期配列されたパターンを得て、そのあとウェットエッチングによりフォトニック結晶を容易に形成することができる。   Next, modified examples or specific examples in the first to third embodiments will be described. In the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of the material layer containing Si is formed on the substrate, and the GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on the substrate, and the crystal inversion region is formed on the pattern mask. Can be included. By this method, it is possible to easily obtain a pattern in which crystal inversion regions are two-dimensionally arranged, and then easily form a photonic crystal by wet etching.

上記の結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長してパターンマスク上には結晶反転領域が含まれるようにし、次いで、エピタキシャル成長したGaN系半導体層の少なくとも一部の厚み部分を層状に基板から取り出して成膜用基層とし、その成膜用基層の上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長して成膜用基層の結晶反転領域の上には、直接エピタキシャル成長した結晶反転領域が形成されるようにしてもよい。パターンマスクを用いることなく容易に結晶反転領域を含むGaN系半導体層を得ることができ、その後、フォトニック結晶を得ることができ、本半導体発光素子を安価に提供することが可能になる。   In the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of the material layer containing Si is formed on the substrate, and the GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on the substrate, and the crystal inversion region is formed on the pattern mask. Next, at least a part of the thickness of the epitaxially grown GaN-based semiconductor layer is taken out from the substrate in the form of a layer to form a film-forming base layer, and the GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on the film-forming base layer. A crystal inversion region directly epitaxially grown may be formed on the crystal inversion region of the film forming base layer. A GaN-based semiconductor layer including a crystal inversion region can be easily obtained without using a pattern mask, and then a photonic crystal can be obtained, so that this semiconductor light-emitting element can be provided at low cost.

また、上記の結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、基板上にn型GaN系半導体層、量子井戸構造型GaN系半導体活性層およびp型GaN系半導体層を順次エピタキシャル成長してパターンマスク上にはこれら層それぞれの結晶反転領域が形成されるようにしてもよい。   Further, in the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of the material layer including Si is formed on the substrate, and the n-type GaN-based semiconductor layer and the quantum well structure-type GaN-based semiconductor are formed on the substrate. The active layer and the p-type GaN-based semiconductor layer may be epitaxially grown sequentially to form a crystal inversion region for each of these layers on the pattern mask.

上記のウェットエッチング工程では、パターンマスク上に形成された結晶反転領域をアルカリ性溶剤により除去するのがよい。   In the wet etching process, the crystal inversion region formed on the pattern mask is preferably removed with an alkaline solvent.

上記活性層を含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長する工程では、活性層形成用基板上に、p型GaN系半導体層、量子井戸構造型GaN系半導体活性層およびn型GaN系半導体層を順次エピタキシャル成長してもよい。この方法により、基板と活性層形成用基板とを貼り合わせたとき、活性層形成用基板の表層のn型導電型が基板の表層のn導電型に合うので不要なpn接合を形成しないですむ。   In the step of sequentially epitaxially growing a plurality of semiconductor layers including the active layer, a p-type GaN-based semiconductor layer, a quantum well structure-type GaN-based semiconductor active layer, and an n-type GaN-based semiconductor layer are sequentially epitaxially grown on the active layer forming substrate. May be. By this method, when the substrate and the active layer forming substrate are bonded together, the n-type conductivity type of the surface layer of the active layer forming substrate matches the n conductivity type of the surface layer of the substrate, so an unnecessary pn junction can be avoided. .

上記の基板および活性層形成用基板の少なくとも一方を除去する工程と、前記除去工程で除去したあとの面を平坦化する工程とを、さらに備えることができる。この方法により、必要な印加電圧、電流の減少による電源の簡素化、小型化、軽量化を実現することができる。   The method may further include a step of removing at least one of the substrate and the active layer forming substrate and a step of planarizing the surface after the removal in the removing step. By this method, it is possible to realize simplification, miniaturization, and weight reduction of the power supply by reducing the necessary applied voltage and current.

また、半導体発光素子は、半導体面上に複数個形成され、それら複数個の半導体発光素子を個片化する工程をさらに備えてもよい。この方法に製造の高能率化をはかり大量生産することが可能となる。   In addition, a plurality of semiconductor light emitting elements may be formed on the semiconductor surface, and the semiconductor light emitting elements may be further separated into individual pieces. This method can increase the production efficiency and enable mass production.

上記の基板は、単結晶Si(111)面基板、単結晶GaAs(111)面基板(Ga面基板)、単結晶GaN(0001)面基板、高配向GaN(0001)面基板およびサファイア(0001)面基板のうちから選ばれた基板としてもよい。これらの基板により、GaN系半導体層に結晶反転領域を含ませながら容易にエピタキシャル層を形成することができる。   The above substrates are a single crystal Si (111) plane substrate, a single crystal GaAs (111) plane substrate (Ga plane substrate), a single crystal GaN (0001) plane substrate, a highly oriented GaN (0001) plane substrate, and sapphire (0001). A substrate selected from the surface substrates may be used. With these substrates, an epitaxial layer can be easily formed while including a crystal inversion region in the GaN-based semiconductor layer.

また、上記の活性層形成用基板は、単結晶Si(111)面基板、単結晶GaAs(111)面基板(Ga面基板)、単結晶GaN(0001)面基板、高配向GaN(0001)面基板およびサファイア(0001)面基板のうちから選ばれた基板としてもよい。この構成により、活性層にGaN系半導体を含む層を用いて高効率の可視域の発光層を得ることができる。   The active layer forming substrate includes a single crystal Si (111) plane substrate, a single crystal GaAs (111) plane substrate (Ga plane substrate), a single crystal GaN (0001) plane substrate, and a highly oriented GaN (0001) plane. It is good also as a board | substrate chosen from a board | substrate and a sapphire (0001) surface board. With this configuration, a highly efficient light-emitting layer in the visible region can be obtained using a layer containing a GaN-based semiconductor in the active layer.

上記の結晶反転領域は、GaN系材料のGa面方位(0001)が主である領域の中に存在するN面方位(000−1)の領域とするのがよい。この構成により、ウェットエッチングで容易に除去できるN面領域を結晶反転領域としてGaN系エピタキシャル層を得ることができる。   The crystal inversion region is preferably an N-plane orientation (000-1) region existing in a region where the Ga-plane orientation (0001) of the GaN-based material is main. With this configuration, a GaN-based epitaxial layer can be obtained using the N-plane region that can be easily removed by wet etching as the crystal inversion region.

上記のSiを含む材料層は、SiO2およびSi34の少なくとも一方を含むようにしてもよい。この構成により、既存の半導体デバイス製造装置を用いて安価にパターンマスクを得ることができる。 The material layer containing Si may include at least one of SiO 2 and Si 3 N 4 . With this configuration, a pattern mask can be obtained at low cost using an existing semiconductor device manufacturing apparatus.

上記のパターンマスクの形状は、円形および多角形のいずれかであり、3角格子および正方格子のいずれかの格子状に配列されるようにしてもよい。また、上記のパターンマスクの形状は、3角格子および正方格子のいずれかの格子状配列で、円形および多角形の形状の孔が開いていてもよい。いずれも、標準的な2次元周期パターンを容易に得ることができる。   The shape of the pattern mask is either a circle or a polygon, and may be arranged in any one of a triangular lattice and a square lattice. Moreover, the shape of the pattern mask may be a lattice arrangement of either a triangular lattice or a tetragonal lattice, and circular and polygonal holes may be opened. In either case, a standard two-dimensional periodic pattern can be easily obtained.

上記の平坦化工程において、ラッピング、ポリッシング、ウェットエッチングおよびドライエッチングのうちの少なくとも1つの方法を用いてもよい。この方法により、内部に大きな損傷を与えることなく高精度の平坦面を得ることができる。   In the planarization step, at least one of lapping, polishing, wet etching, and dry etching may be used. By this method, a highly accurate flat surface can be obtained without damaging the inside.

上記の結晶反転領域をウェットエッチングにより除去する工程では、NaOHおよびKOHの少なくとも一方を含む液を用いることができる。この方法により、GaN系半導体層中の反転領域であるN面領域を容易に除去して、屈折率がGaN系材料と大きく相違する気体が封入される空間(空隙)領域を、安価に設けることができる。   In the step of removing the crystal inversion region by wet etching, a liquid containing at least one of NaOH and KOH can be used. By this method, the N-plane region, which is an inversion region in the GaN-based semiconductor layer, is easily removed, and a space (void) region in which a gas whose refractive index is significantly different from that of the GaN-based material is enclosed is provided at a low cost. Can do.

本発明の実施例1では、図15〜図17に示す端面発光タイプの半導体発光素子を製作した。まず、直径2インチの単結晶n型GaAs(111)基板を用意した。洗浄後、基板全面にスパッタ蒸着で厚さ0.1μmのSiO2膜を形成した。次いで、露光技術により径0.3μm、ピッチ0.5μmで3角格子配列のパターンマスクを3μmの幅部分(光伝播領域)27が開くように形成した(図17参照)。このパターンマスクの上に有機金属CVD法を用いて、順にn型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層14、n型GaNガイド層、GaN/InGaNからなる量子井戸構造の活性層15、p型AlGaNクラッド層16およびp型GaNコンタクト層をエピタキシャル成長させた。 In Example 1 of the present invention, an edge-emitting type semiconductor light emitting device shown in FIGS. 15 to 17 was manufactured. First, a single crystal n-type GaAs (111) substrate having a diameter of 2 inches was prepared. After cleaning, a SiO 2 film having a thickness of 0.1 μm was formed on the entire surface of the substrate by sputtering deposition. Next, a pattern mask of a triangular lattice arrangement with a diameter of 0.3 μm and a pitch of 0.5 μm was formed by an exposure technique so that a 3 μm wide portion (light propagation region) 27 was opened (see FIG. 17). An n-type GaN buffer layer, an n-type AlGaN cladding layer 14, an n-type GaN guide layer, an active layer 15 having a quantum well structure made of GaN / InGaN, and a p-type AlGaN are sequentially formed on the pattern mask by using an organic metal CVD method. The clad layer 16 and the p-type GaN contact layer were epitaxially grown.

基板のGaAs基板面1bをレジストで保護しながら、5規定のKOHアルカリ溶液中で1時間エッチング処理した。エピタキシャル成長した層のSiO2パターンマスク2の位置にはN型結晶反転領域4が形成されており、基板を取り出してみると上記パターンマスクに対応する位置に、直径0.23μmの孔(空隙)5が開いていた(図10参照)。 While protecting the GaAs substrate surface 1b of the substrate with a resist, etching was performed in a 5N KOH alkaline solution for 1 hour. An N-type crystal inversion region 4 is formed at the position of the SiO 2 pattern mask 2 in the epitaxially grown layer. When the substrate is taken out, a hole (gap) 5 having a diameter of 0.23 μm is formed at a position corresponding to the pattern mask. Was open (see FIG. 10).

この基板のエピタキシャル成長面1a側において、3μm幅のパターンマスクがなく、エッチングされなかった領域(光伝播領域)27にPt電極21を形成した。また、GaAs基板面にはAuGe電極22を形成した。このあと、レーザの発振面に垂直な方向にへき開し、発振端部にAl23で反射防止膜25を形成した。 On the epitaxial growth surface 1a side of this substrate, a Pt electrode 21 was formed in a region 27 (light propagation region) 27 which was not etched without a pattern mask having a width of 3 μm. An AuGe electrode 22 was formed on the GaAs substrate surface. Thereafter, cleavage was performed in a direction perpendicular to the oscillation surface of the laser, and an antireflection film 25 was formed of Al 2 O 3 at the oscillation end.

上記のように作製した端面発光型レーザのチップをAlN製のサブマウントに搭載し、発振試験を実施したところ、低閾値での発振を確認することができた。   When the edge-emitting laser chip manufactured as described above was mounted on an AlN submount and an oscillation test was performed, oscillation at a low threshold could be confirmed.

本発明の実施例2においても、図15〜図17に示す端面発光タイプの半導体発光素子を製作した。ただし、基板にSi基板1を用い、また、パターン形状も異なる。まず、直径2インチの単結晶n型Si(111)基板を用意した。洗浄後、基板全面にスパッタ蒸着で厚さ0.1μmのSi34膜を形成した。次いで、露光技術により径0.32μm、ピッチ0.54μmで正方格子配列のパターンマスク2を2μmの幅が開くように形成した。このパターンマスクの上に有機金属CVD法を用いて、順にn型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層14、n型GaNガイド層、GaN/InGaNからなる量子井戸構造の活性層15、p型電子ブロック層、p型AlGaNクラッド層16およびp型GaNコンタクト層をエピタキシャル成長させた。 Also in Example 2 of the present invention, the edge-emitting type semiconductor light emitting device shown in FIGS. 15 to 17 was manufactured. However, the Si substrate 1 is used as the substrate, and the pattern shape is also different. First, a single crystal n-type Si (111) substrate having a diameter of 2 inches was prepared. After cleaning, a Si 3 N 4 film having a thickness of 0.1 μm was formed on the entire surface of the substrate by sputtering deposition. Next, a pattern mask 2 having a square lattice arrangement with a diameter of 0.32 μm and a pitch of 0.54 μm was formed by an exposure technique so as to open a width of 2 μm. An n-type GaN buffer layer, an n-type AlGaN cladding layer 14, an n-type GaN guide layer, an active layer 15 having a quantum well structure made of GaN / InGaN, and a p-type electron are sequentially formed on the pattern mask by using an organic metal CVD method. The block layer, p-type AlGaN cladding layer 16 and p-type GaN contact layer were epitaxially grown.

基板裏面1bをレジストで保護しながら、3規定のKOHアルカリ溶液中で3時間エッチング処理した。基板には、上記の理由により、エピタキシャル層の領域中のSi34パターンマスクの位置に、直径0.2μmの孔(空隙)5が開いていた。 While protecting the back surface 1b of the substrate with a resist, the substrate was etched in a 3N KOH alkaline solution for 3 hours. For the above reason, a hole (void) 5 having a diameter of 0.2 μm was opened in the substrate at the position of the Si 3 N 4 pattern mask in the region of the epitaxial layer.

この基板のエピタキシャル成長面1a側において、2μm幅のパターンマスクがなく、エッチングされなかった領域(光伝播領域)27にPt電極21を形成した。また、Si基板裏面1bにはAl電極22を形成した。このあと、レーザの発振面に垂直な方向にへき開し、発振端部にAl23とSiO2の積層構造で反射防止膜25を形成した。 On the epitaxial growth surface 1a side of this substrate, a Pt electrode 21 was formed in a region (light propagation region) 27 that had no pattern mask with a width of 2 μm and was not etched. An Al electrode 22 was formed on the back surface 1b of the Si substrate. Thereafter, cleavage was performed in a direction perpendicular to the oscillation surface of the laser, and an antireflection film 25 was formed at the oscillation end with a laminated structure of Al 2 O 3 and SiO 2 .

上記のように作製した端面発光型レーザのチップをAlN製のサブマウントに搭載し、発振試験を実施したところ、低閾値での発振を確認することができた。   When the edge-emitting laser chip manufactured as described above was mounted on an AlN submount and an oscillation test was performed, oscillation at a low threshold could be confirmed.

本発明の実施例3では、図1または図14(g)に示す端面発光タイプの半導体発光素子を製作した。まず、直径50mmの高配向n型GaN(0001)基板1を用意した。この基板のGa型結晶面1a上にSiO2膜をスパッタ蒸着で厚み0.1μmに成膜した。このSiO2薄膜に対して露光技術を用い、開口径0.2μm、ピッチ0.5μmで3角格子に配列したパターンマスク2を形成した。 In Example 3 of the present invention, an edge-emitting type semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 or FIG. 14G was manufactured. First, a highly oriented n-type GaN (0001) substrate 1 having a diameter of 50 mm was prepared. A SiO 2 film was formed to a thickness of 0.1 μm by sputtering deposition on the Ga type crystal face 1a of this substrate. An exposure technique was used for this SiO 2 thin film to form a pattern mask 2 arranged in a triangular lattice with an aperture diameter of 0.2 μm and a pitch of 0.5 μm.

このパターンマスク2の上に有機金属CVD法を用いて、結晶反転領域(N面領域)4を含むn型GaN層3を厚さ0.3μmだけエピタキシャル成長させた。このエピタキシャル成長面をポリッシングでRMS10Å(1nm)まで平坦化した。このとき、エピタキシャル成長層の厚みは0.15μmとなっていた。このポリッシング加工面の加工ダメージを除去するため、塩素ガスを用いたRIEで表面を1分間加工した。この基板の裏面(GaN基板のN型結晶面)1bをレジストで保護し、5規定のKOHアルカリ溶液中に約2時間漬けた。これによりSiO2パターンマスク2上に形成されたN型結晶領域4のみ選択的にエッチングされ、直径0.18μm、高さ0.15μmの柱状構造が形成された。 An n-type GaN layer 3 including a crystal inversion region (N-plane region) 4 was epitaxially grown on the pattern mask 2 by a thickness of 0.3 μm by using an organic metal CVD method. This epitaxial growth surface was flattened to an RMS of 10 mm (1 nm) by polishing. At this time, the thickness of the epitaxial growth layer was 0.15 μm. In order to remove the processing damage on the polished surface, the surface was processed for 1 minute by RIE using chlorine gas. The back surface (N-type crystal surface of the GaN substrate) 1b of this substrate was protected with a resist and immersed in a 5N KOH alkaline solution for about 2 hours. As a result, only the N-type crystal region 4 formed on the SiO 2 pattern mask 2 was selectively etched to form a columnar structure having a diameter of 0.18 μm and a height of 0.15 μm.

次に活性層形成用基板51のサファイア基板(図14(d)参照)を用意して、有機金属CVD法を用いて、順にp型GaNコンタクト層、p型AlGaNクラッド層14、p型AlGaN電子ブロック層、GaN/InGaNからなる量子井戸構造の活性層15、n型GaNガイド層、n型AlGaNクラッド層16、およびn型GaNバッファ層をエピタキシャル成長させた。n型GaNバッファ層は、ラッピング、ポリッシングによりRMS12Å(1.2nm)まで平坦化した。その後、加工ダメージを除去するため、塩素系ガスを用いたRIEで表面を1分間加工した。   Next, a sapphire substrate (see FIG. 14D) of the active layer forming substrate 51 is prepared, and a p-type GaN contact layer, a p-type AlGaN cladding layer 14, and a p-type AlGaN electron are sequentially formed by using an organic metal CVD method. A block layer, an active layer 15 having a quantum well structure made of GaN / InGaN, an n-type GaN guide layer, an n-type AlGaN cladding layer 16 and an n-type GaN buffer layer were epitaxially grown. The n-type GaN buffer layer was flattened to RMS 12 mm (1.2 nm) by lapping and polishing. Thereafter, in order to remove the processing damage, the surface was processed for 1 minute by RIE using a chlorine-based gas.

さきに柱状構造を作製したGaN基板1(図14(c)参照)と、上記サファイア基板51(図14(f)参照)とを、平坦化した面を向かい合わせ、表面を窒素プラズマに曝した。その後、真空中で互いの表面を接して、750℃まで加熱しながら加圧して貼り合わせた(図14(g)参照)。サファイア基板51は不要となるためRIE法にて平坦面を維持したまま除去した。露出されたp型GaNコンタクト層上およびn型GaN基板裏面1bにそれぞれ、Pt基板21および0Ti/Al電極22とを形成した。   The planarized surface of the GaN substrate 1 (see FIG. 14C) on which the columnar structure was previously formed and the sapphire substrate 51 (see FIG. 14F) face each other, and the surface was exposed to nitrogen plasma. . Thereafter, the surfaces were brought into contact with each other in a vacuum, and were pressed and bonded to each other while heating to 750 ° C. (see FIG. 14G). Since the sapphire substrate 51 becomes unnecessary, the sapphire substrate 51 was removed while maintaining a flat surface by the RIE method. A Pt substrate 21 and a 0Ti / Al electrode 22 were formed on the exposed p-type GaN contact layer and on the back surface 1b of the n-type GaN substrate, respectively.

上記面発光タイプのGaN系半導体発光素子をAlNサブマウントに搭載し、通電したところ低閾値での発光を確認することができた。   When the surface-emitting type GaN-based semiconductor light-emitting device was mounted on an AlN submount and energized, light emission at a low threshold could be confirmed.

本発明の実施例4でも、図1または図14(g)に示す端面発光タイプの半導体発光素子を製作した。まず、1辺30mmの四角形の高配向n型GaN(0001)基板1を用意した。この基板のGa型結晶面上にSi34膜をスパッタ蒸着で厚み0.12μm成膜した。このSi34薄膜に対して露光技術を用い、開口径0.27μm、ピッチ0.52μmで正方格子に配列したパターンマスク2を形成した。 Also in Example 4 of the present invention, an edge-emitting type semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 or FIG. First, a square highly oriented n-type GaN (0001) substrate 1 having a side of 30 mm was prepared. A Si 3 N 4 film having a thickness of 0.12 μm was formed on the Ga-type crystal surface of this substrate by sputtering deposition. An exposure technique was used for this Si 3 N 4 thin film to form a pattern mask 2 arranged in a square lattice with an aperture diameter of 0.27 μm and a pitch of 0.52 μm.

このパターンマスクの上に有機金属CVD法を用いて、結晶反転領域(N面領域)4を含むn型GaN3層を厚さ0.32μmだけエピタキシャル成長させた。このエピタキシャル成長面をポリッシングでRMS10Å(1nm)まで平坦化した。このとき、エピタキシャル成長層の厚みは0.18μmとなっていた。このポリッシング加工面の加工ダメージを除去するため、塩素ガスを用いたRIEで表面を1分間加工した。この基板の裏面(GaN基板のN型結晶面)をレジストで保護し、5規定のKOHアルカリ溶液中に約2.5時間漬けた。これによりSi34パターンマスク上に形成されたN型結晶領域4のみ選択的にエッチングされ、直径0.23μm、深さ0.15μmの孔構造が形成された。 An n-type GaN 3 layer including a crystal inversion region (N-plane region) 4 was epitaxially grown on the pattern mask by a thickness of 0.32 μm by using an organic metal CVD method. This epitaxial growth surface was flattened to an RMS of 10 mm (1 nm) by polishing. At this time, the thickness of the epitaxial growth layer was 0.18 μm. In order to remove the processing damage on the polished surface, the surface was processed for 1 minute by RIE using chlorine gas. The back surface of the substrate (N-type crystal surface of the GaN substrate) was protected with a resist and immersed in a 5N KOH alkaline solution for about 2.5 hours. As a result, only the N-type crystal region 4 formed on the Si 3 N 4 pattern mask was selectively etched to form a hole structure having a diameter of 0.23 μm and a depth of 0.15 μm.

次に同様に1辺30mmの四角形の高配向n型GaN(0001)基板51を用意して(図14(d)参照)、有機金属CVD法を用いて、順にp型GaNコンタクト層、p型AlGaN・GaN超格子クラッド層14、p型AlGaN電子ブロック層、GaN/InGaNからなる量子井戸構造の活性層15、n型GaNガイド層、n型AlGaNクラッド層16、およびn型GaNバッファ層をエピタキシャル成長させた。n型GaNバッファ層は、ラッピング、ポリッシングによりRMS11Å(1.1nm)まで平坦化した。その後、加工ダメージを除去するため、塩素系ガスを用いたRIEで表面を1分間加工した。   Next, similarly, a rectangular highly oriented n-type GaN (0001) substrate 51 having a side of 30 mm is prepared (see FIG. 14D), and a p-type GaN contact layer and a p-type are sequentially formed by using an organic metal CVD method. Epitaxial growth of an AlGaN / GaN superlattice cladding layer 14, a p-type AlGaN electron block layer, an active layer 15 having a quantum well structure made of GaN / InGaN, an n-type GaN guide layer, an n-type AlGaN cladding layer 16, and an n-type GaN buffer layer I let you. The n-type GaN buffer layer was planarized to RMS 11 mm (1.1 nm) by lapping and polishing. Thereafter, in order to remove the processing damage, the surface was processed for 1 minute by RIE using a chlorine-based gas.

さきに孔構造を作製したGaN基板(図14(c)参照)と、上記n型GaN基板51(図14(f)参照)とを、平坦化した面を向かい合わせ、表面を窒素プラズマに曝した。その後、真空中で互いの表面を接して、750℃まで加熱しながら加圧して貼り合わせた(図14(g)参照)。活性層15を形成したGaN基板51は不要となるためRIE法にて平坦面を維持したまま除去した。露出されたp型GaNコンタクト層上およびn型GaN基板裏面1bに、それぞれ、Pt基板21とTi/Al電極22とを形成した。   The planarized surface of the GaN substrate (see FIG. 14C) on which the hole structure has been previously formed and the n-type GaN substrate 51 (see FIG. 14F) face each other, and the surface is exposed to nitrogen plasma. did. Thereafter, the surfaces were brought into contact with each other in a vacuum, and were pressed and bonded to each other while heating to 750 ° C. (see FIG. 14G). Since the GaN substrate 51 on which the active layer 15 is formed is unnecessary, the GaN substrate 51 is removed while maintaining a flat surface by the RIE method. A Pt substrate 21 and a Ti / Al electrode 22 were formed on the exposed p-type GaN contact layer and on the back surface 1b of the n-type GaN substrate, respectively.

上記GaN系半導体発光素子をAlNサブマウントに搭載し、通電したところ低閾値での発光を確認することができた。   When the GaN-based semiconductor light-emitting device was mounted on an AlN submount and energized, light emission at a low threshold could be confirmed.

上記のように本発明の実施例のいずれの半導体発光素子においても、非常に簡単な方法でフォトニック結晶構造を形成し、通常よりも低い閾値で発光することを確認することができた。   As described above, in any of the semiconductor light emitting devices of the examples of the present invention, it was confirmed that a photonic crystal structure was formed by a very simple method and light was emitted at a threshold lower than usual.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、その独自の製造方法に拠り、結晶反転領域をGaN系半導体層中に形成でき、ウェットエッチングによりその結晶反転領域を簡単に除去して、空間とGaN系半導体層との2次元周期パターンからなるフォトニック結晶を形成することができる。そして、そのフォトニック結晶を含む半導体発光素子を容易に提供することができる。このため、今後、光を用いる多くの装置において多大な貢献をすることが期待される。   According to the present invention, the crystal inversion region can be formed in the GaN-based semiconductor layer based on the unique manufacturing method, and the crystal inversion region can be easily removed by wet etching, so that the two-dimensional period between the space and the GaN-based semiconductor layer is obtained. A photonic crystal composed of a pattern can be formed. And the semiconductor light-emitting device containing the photonic crystal can be provided easily. For this reason, it is expected to make a great contribution in many devices using light in the future.

本発明の実施の形態1における半導体発光素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor light-emitting device in Embodiment 1 of this invention. 図1の半導体発光素子の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the semiconductor light emitting device of FIG. 1. 図2の半導体発光素子を個片化する前の状態を示す図である。It is a figure which shows the state before dividing the semiconductor light-emitting device of FIG. 2 into pieces. 本発明の実施の形態1におけるGaNの結晶構造の模式図である。It is a schematic diagram of the crystal structure of GaN in Embodiment 1 of the present invention. 基板表面にパターンマスクを形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the pattern mask in the substrate surface. GaN系半導体層をエピタキシャル成長させたあとの状態を示す図である。It is a figure which shows the state after carrying out the epitaxial growth of the GaN-type semiconductor layer. 平坦化した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which planarized. 孔構造を形成するためのパターンマスクを基板表面に形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the pattern mask for forming a hole structure in the substrate surface. 結晶反転領域を含むGaN系半導体層をエピタキシャル成長させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which epitaxially grown the GaN-type semiconductor layer containing a crystal inversion area | region. ウェットエッチングにより結晶反転領域のN面領域を除去して孔構造を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which removed the N surface area | region of the crystal inversion area | region by wet etching, and formed the hole structure. 柱状構造を形成するためのパターンマスクを基板表面に形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which formed the pattern mask for forming columnar structure in the substrate surface. 結晶反転領域を含むGaN系半導体層をエピタキシャル成長させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which epitaxially grown the GaN-type semiconductor layer containing a crystal inversion area | region. ウェットエッチングにより結晶反転領域のN面領域を除去して柱状構造を形成した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which removed the N surface area | region of the crystal inversion area | region by wet etching, and formed the columnar structure. 図1の半導体発光素子の製造方法を示す図であり、(a)フォトニック結晶を形成するための基板、(b)パターンマスクを形成した状態、(c)ウェットエッチングにより結晶反転領域(N面領域)を除去した状態、(d)活性層形成用基板、(e)活性層を含む積層構造を形成した状態、(f)平坦化した状態、(g)フォトニック結晶形成用基板と活性層形成用基板とを貼り合わせた状態、をそれぞれ示す。2A and 2B are diagrams illustrating a method for manufacturing the semiconductor light emitting device of FIG. 1, in which (a) a substrate for forming a photonic crystal, (b) a pattern mask is formed, (c) a crystal inversion region (N-plane by wet etching) (Region) is removed, (d) active layer forming substrate, (e) a stacked structure including the active layer, (f) planarized state, (g) photonic crystal forming substrate and active layer The state which bonded the formation board | substrate together is each shown. 本発明の実施の形態2における半導体発光素子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor light-emitting device in Embodiment 2 of this invention. 図15の半導体発光素子の平面図である。FIG. 16 is a plan view of the semiconductor light emitting device of FIG. 15. 図15の半導体発光素子の光伝播を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the light propagation of the semiconductor light-emitting device of FIG. 本発明の実施の形態3における半導体発光素子の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device in Embodiment 3 of this invention. 図18に説明する製造方法によって得られた成膜用基層を示す図である。It is a figure which shows the film-forming base layer obtained by the manufacturing method demonstrated in FIG. 成膜用基層上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which grew the GaN-type semiconductor layer epitaxially on the film-forming base layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板(フォトニック結晶形成用)、1a 基板表面、1b 基板裏面、2 パターンマスク、3 GaN系半導体層(Ga面領域)、4 結晶反転領域(N面領域)、5 孔(空隙)、6 柱、10 半導体発光素子、14,16 クラッド層、15 活性層、17 凹凸表面層、21,22 電極、25 反射防止膜、27 光伝播領域、51 活性層形成用基板、61 成膜用基層、62 成膜用基層上のGaN系半導体層、S1,・・・,SN 成膜用基層。 1 substrate (for photonic crystal formation), 1a substrate surface, 1b substrate back surface, 2 pattern mask, 3 GaN-based semiconductor layer (Ga surface region), 4 crystal inversion region (N surface region), 5 hole (void), 6 Pillar, 10 Semiconductor light emitting element, 14, 16 Clad layer, 15 Active layer, 17 Concavity and convexity surface layer, 21, 22 Electrode, 25 Antireflection film, 27 Light propagation region, 51 Substrate for forming active layer, 61 Base layer for forming film, 62 GaN-based semiconductor layer on film formation base layer, S 1 ,..., SN film formation base layer.

Claims (21)

フォトニック結晶効果を有する構造を含む素子を製造する方法であって、結晶反転領域を含むGaN系材料層を形成する工程と、前記結晶反転領域をウェットエッチングにより除去する工程とを含む、半導体発光素子の製造方法。   A method of manufacturing an element including a structure having a photonic crystal effect, comprising: a step of forming a GaN-based material layer including a crystal inversion region; and a step of removing the crystal inversion region by wet etching. Device manufacturing method. 前記結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、次いで前記基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長して前記パターンマスク上の少なくとも一部分には結晶反転領域が形成されるようにする、請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。   In the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of a material layer containing Si is formed on the substrate, and then a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on the substrate to at least a part of the pattern mask. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a crystal inversion region is formed in the semiconductor light emitting device. 前記結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、次いで前記基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長して前記パターンマスク上の少なくとも一部分には結晶反転領域が形成されるようにし、前記エピタキシャル成長したGaN系半導体層の少なくとも一部の厚み部分を層状に前記基板から取り出して成膜用基層として用い、その成膜用基層の上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長して前記成膜用基層の結晶反転領域上には直接結晶反転領域が形成されるようにする、請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。   In the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of a material layer containing Si is formed on the substrate, and then a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on the substrate to at least a part of the pattern mask. A crystal inversion region is formed, and at least a part of the thickness of the epitaxially grown GaN-based semiconductor layer is taken out from the substrate in a layer form and used as a film formation base layer, and the GaN layer is formed on the film formation base layer. 2. The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a crystal inversion region is formed directly on the crystal inversion region of the film forming base layer by epitaxially growing a system semiconductor layer. 3. 前記結晶反転領域を含むGaN系材料層の形成工程では、基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成し、前記基板上にn型GaN系半導体層、量子井戸構造型GaN系半導体活性層およびp型GaN系半導体層を順次エピタキシャル成長して前記パターンマスク上の少なくとも一部分にはこれら層それぞれの結晶反転領域が形成されるようにする、請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。   In the step of forming the GaN-based material layer including the crystal inversion region, a pattern mask of a material layer including Si is formed on the substrate, and an n-type GaN-based semiconductor layer and a quantum well structure-type GaN-based semiconductor active layer are formed on the substrate. 2. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a p-type GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown sequentially so that a crystal inversion region of each of these layers is formed on at least a part of the pattern mask. 前記ウェットエッチング工程では、前記パターンマスク上の少なくとも一部分に形成された結晶反転領域をアルカリ性溶剤により除去する、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein in the wet etching step, a crystal inversion region formed in at least a part on the pattern mask is removed with an alkaline solvent. フォトニック結晶効果を有する構造を含む素子を製造する方法であって、
基板上にSiを含む材料層のパターンマスクを形成する工程と、
前記基板上にGaN系半導体層をエピタキシャル成長して前記パターンマスク上の少なくとも一部分には結晶反転領域が形成されるようにする工程と、
前記エピタキシャル成長したGaN系半導体層を平坦化する工程と、
前記パターンマスク上の結晶反転領域をアルカリ性溶剤により除去する工程と、
前記基板と異なる活性層形成用基板を準備してその活性層形成用基板上に、活性層を含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長する工程と、
前記活性層を含む半導体層の上面を平坦化する工程と、
前記基板の平坦化したGaN系半導体層の面と、前記活性層形成用基板の平坦化した面とを向かい合わせて前記基板と前記活性層形成用基板とを貼り合わせる工程とを備える、半導体発光素子の製造方法。
A method of manufacturing an element including a structure having a photonic crystal effect,
Forming a pattern mask of a material layer containing Si on a substrate;
A step of epitaxially growing a GaN-based semiconductor layer on the substrate to form a crystal inversion region in at least a part of the pattern mask;
Planarizing the epitaxially grown GaN-based semiconductor layer;
Removing the crystal inversion region on the pattern mask with an alkaline solvent;
A step of preparing an active layer forming substrate different from the substrate and sequentially epitaxially growing a plurality of semiconductor layers including the active layer on the active layer forming substrate;
Planarizing the upper surface of the semiconductor layer including the active layer;
A step of bonding the substrate and the active layer forming substrate to each other so that the surface of the flattened GaN-based semiconductor layer of the substrate faces the flattened surface of the active layer forming substrate. Device manufacturing method.
前記活性層を含む複数の半導体層を順次エピタキシャル成長する工程では、前記活性層形成用基板上に、第1導電型のGaN系半導体層、量子井戸構造型GaN系半導体活性層および第2導電型のGaN系半導体層を順次エピタキシャル成長する、請求項6に記載の半導体発光素子の製造方法。   In the step of sequentially epitaxially growing a plurality of semiconductor layers including the active layer, a first conductivity type GaN-based semiconductor layer, a quantum well structure type GaN-based semiconductor active layer, and a second conductivity type are formed on the active layer forming substrate. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein the GaN-based semiconductor layers are epitaxially grown sequentially. 前記基板および前記活性層形成用基板の少なくとも一方を除去する工程と、前記除去工程で除去したあとの面を平坦化する工程とをさらに備える、請求項6または7に記載の半導体発光素子の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 6, further comprising a step of removing at least one of the substrate and the substrate for forming an active layer, and a step of flattening a surface after being removed in the removal step. Method. 前記半導体発光素子は、半導体面上に複数個形成され、それら複数個の半導体発光素子を個片化する工程をさらに備える、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, further comprising a step of forming a plurality of the semiconductor light emitting elements on a semiconductor surface and dividing the plurality of semiconductor light emitting elements into pieces. 前記基板が、単結晶Si(111)面基板、単結晶GaAs(111)面基板、単結晶GaN(0001)面基板、高配向GaN(0001)面基板およびサファイア(0001)面基板のうちから選ばれた基板である、請求項2〜9のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The substrate is selected from a single crystal Si (111) plane substrate, a single crystal GaAs (111) plane substrate, a single crystal GaN (0001) plane substrate, a highly oriented GaN (0001) plane substrate, and a sapphire (0001) plane substrate. The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein the semiconductor light emitting device is a substrate. 前記活性層形成用基板が、単結晶Si(111)面基板、単結晶GaAs(111)面基板、単結晶GaN(0001)面基板、高配向GaN(0001)面基板およびサファイア(0001)面基板のうちから選ばれた基板である、請求項6〜10のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The active layer forming substrate includes a single crystal Si (111) plane substrate, a single crystal GaAs (111) plane substrate, a single crystal GaN (0001) plane substrate, a highly oriented GaN (0001) plane substrate, and a sapphire (0001) plane substrate. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device according to any one of claims 6 to 10, which is a substrate selected from among the above. 前記結晶反転領域はGaN系材料のN面方位(000-1)の領域であって、Ga面方位(0001)が主である領域の中に配置されている、請求項1〜11のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   12. The crystal inversion region according to claim 1, wherein the crystal inversion region is a region of an N-plane orientation (000-1) of a GaN-based material, and is disposed in a region mainly having a Ga-plane orientation (0001). The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of description. 前記Siを含む材料層が、SiO2およびSi34の少なくとも一方を含む、請求項2〜12のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to claim 2, wherein the material layer containing Si includes at least one of SiO 2 and Si 3 N 4 . 前記パターンマスクの形状が、円形および多角形のいずれかであり、3角格子および正方格子のいずれかの格子状に配列される、請求項2〜13のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The manufacturing of the semiconductor light-emitting element according to claim 2, wherein a shape of the pattern mask is one of a circle and a polygon, and the pattern mask is arranged in any one of a triangular lattice and a square lattice. Method. 前記パターンマスクの形状が、3角格子および正方格子のいずれかの格子状配列で、円形および多角形の形状の孔が開いている、請求項2〜13のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   14. The semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein the pattern mask has a lattice arrangement of any one of a triangular lattice and a square lattice, and holes having a circular shape and a polygonal shape are opened. Production method. 前記平坦化工程において、ラッピング、ポリッシング、ウェットエッチングおよびドライエッチングのうちの少なくとも1つの方法を用いる、請求項2〜15のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 2, wherein at least one of lapping, polishing, wet etching, and dry etching is used in the planarization step. 前記結晶反転領域をウェットエッチングにより除去する工程では、NaOHおよびKOHの少なくとも一方を含む液を用いる、請求項1〜16のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein a liquid containing at least one of NaOH and KOH is used in the step of removing the crystal inversion region by wet etching. GaN系半導体層を含む発光素子であって、
2次元周期パターンのパターンマスクを有し、
前記パターンマスク上において、前記GaN系半導体層と屈折率が異なる物質が前記GaN系半導体層と2次元周期配列を形成するように配置されている、半導体発光素子。
A light emitting device including a GaN-based semiconductor layer,
Having a pattern mask of a two-dimensional periodic pattern;
A semiconductor light emitting device, wherein a substance having a refractive index different from that of the GaN-based semiconductor layer is disposed on the pattern mask so as to form a two-dimensional periodic array with the GaN-based semiconductor layer.
前記パターンマスクがSiO2およびSi34の少なくとも一方で形成されている、請求項18に記載の半導体発光素子。 The semiconductor light emitting element according to claim 18, wherein the pattern mask is formed of at least one of SiO 2 and Si 3 N 4 . 成膜用基層上に形成された発光素子であって、
前記成膜用基層が、2次元周期配列された結晶反転領域を含むエピタキシャル成長したGaN系半導体層であり、
前記成膜用基層上において、前記エピタキシャル成長されたGaN系半導体層と、前記成膜用基層中の結晶反転領域上に位置して前記GaN系半導体層と異なる屈折率を有する物質とが2次元周期配列されている、半導体発光素子。
A light-emitting element formed on a film-forming base layer,
The film-forming base layer is an epitaxially grown GaN-based semiconductor layer including crystal inversion regions arranged two-dimensionally,
The epitaxially grown GaN-based semiconductor layer on the film-forming base layer and a substance having a refractive index different from that of the GaN-based semiconductor layer located on the crystal inversion region in the film-forming base layer An array of semiconductor light emitting devices.
前記GaN系半導体層と屈折率が異なる物質が、空隙に封入された気体である、請求項18〜20のいずれかに記載の半導体発光素子。   21. The semiconductor light emitting element according to claim 18, wherein the substance having a refractive index different from that of the GaN-based semiconductor layer is a gas sealed in a gap.
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