JP2010010290A - Method and apparatus of manufacturing columnar crystal structure - Google Patents
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Description
本発明は、III−V族化合物半導体発光素子などとして実現され、基板上にナノコラムやナノロッドなどと称されるナノスケールの柱状結晶構造体が形成されて成る半導体素子を製造するための方法および装置に関する。 The present invention is realized as a III-V compound semiconductor light-emitting device and the like, and a method and apparatus for manufacturing a semiconductor device in which a nanoscale columnar crystal structure called a nanocolumn or nanorod is formed on a substrate About.
前記柱状結晶構造体を有する半導体は、従来からのいわゆるバルク結晶を用いた半導体に比べて、結晶内の貫通転位が非常に少なく、発光素子を構成した場合に、前記貫通転位による非発光再結合が減少して発光効率を向上することができ、注目されている。その柱状結晶構造体を有する半導体発光素子を代表する従来例としては、たとえば特許文献1が挙げられる。その従来例では、サファイア基板上に、n型GaNバッファ層を形成した後、アレイ状に配列された多数の前記柱状結晶構造体(ナノコラム)を形成している。そして前記ナノコラムは、n型GaNナノコラム、InGaN量子井戸、p型GaNナノコラムから構成されている。 The semiconductor having the columnar crystal structure has very few threading dislocations in the crystal as compared with a conventional semiconductor using a so-called bulk crystal. When a light-emitting element is formed, non-radiative recombination due to the threading dislocation is formed. Has been attracting attention because it can improve the luminous efficiency. As a conventional example representative of a semiconductor light emitting device having the columnar crystal structure, for example, Patent Document 1 can be cited. In the conventional example, after forming an n-type GaN buffer layer on a sapphire substrate, a large number of the columnar crystal structures (nanocolumns) arranged in an array are formed. The nanocolumn is composed of an n-type GaN nanocolumn, an InGaN quantum well, and a p-type GaN nanocolumn.
このように構成することで、柱状結晶構造体からは、高輝度な発光を得ることができる。そして、発光波長に影響する前記柱状結晶構造体の柱径についても、成長条件を調整することで、或る程度のばらつきの範囲に抑えることができるようになってきている。しかしながら、その幾何学的配置については、自己組織的に形成されたランダムなままである。このため、林立する柱状結晶構造体が接触したり、或るものから発生した光が周囲のものに取込まれてしまったりして、期待通りの発光効率が得られていないのが現状である。 With this configuration, light emission with high luminance can be obtained from the columnar crystal structure. Further, the column diameter of the columnar crystal structure that affects the emission wavelength can be suppressed to a certain degree of variation by adjusting the growth conditions. However, its geometry remains random, self-organized. For this reason, it is the present situation that the expected light emission efficiency is not obtained because the columnar crystal structure in contact with the forest or the light generated from a certain thing is taken into the surroundings. .
そこで、本願出願人は、先に特許文献2を提案した、その従来技術は、カタリストと称される成長を促進する薄膜を用い、前記カタリスト材料膜を蒸着などで形成し、その薄膜を、所望の位置で所望の径となるようにパターニングすることで、前記カタリスト材料膜が残された部分では該カタリスト材料膜に結晶材料が取込まれ、その部分だけで前記柱状結晶構造体が効率良く成長してゆくというものである。
上述の従来技術は、柱状結晶構造体を前記のように所望の位置で所望の径に形成することができるという優れた技術である。しかしながら、工程上、新たな問題が生じる。具体的には、カタリストとなる薄膜を堆積する工程およびパターニングするフォトリソグラフィーの工程は、ナノコラム結晶の成長工程とは別の真空容器で行われるので、ナノコラム結晶の成長工程の前に、成長基板は大気暴露による酸化および汚染の影響を受けることになる。これらの影響は、結晶成長前に洗浄工程を入れても完全には拭い切れず、結果として、結晶品質の低下を招く。また、カタリストのパターニングにはnmオーダーのリソグラフィーが必要となり、パターニングの工程コストが高いという問題もある。 The above-described conventional technique is an excellent technique in which the columnar crystal structure can be formed in a desired diameter at a desired position as described above. However, new problems arise in the process. Specifically, the catalyst thin film deposition process and the patterning photolithography process are performed in a vacuum container different from the nanocolumn crystal growth process, so that the growth substrate is formed before the nanocolumn crystal growth process. It will be affected by oxidation and pollution from atmospheric exposure. These effects cannot be completely wiped off even if a cleaning step is performed before crystal growth, and as a result, crystal quality is degraded. In addition, the patterning of catalyst requires nm-order lithography, and there is a problem that the patterning process cost is high.
本発明の目的は、カタリストを用いる利点を生かしながら、高品質な柱状結晶構造体を安価に成長させることができる柱状結晶構造体の製造方法および装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the manufacturing method and apparatus of a columnar crystal structure which can grow a high quality columnar crystal structure cheaply, making use of the advantage using a catalyst.
本発明の柱状結晶構造体の製造方法は、成長基板上にパターニングされたカタリスト材料膜を形成し、柱状結晶構造体を形成する材料が前記カタリスト材料膜に取込まれて前記成長基板との間で成長することによって、前記成長基板上に該柱状結晶構造体を形成する柱状結晶構造体の製造方法において、前記カタリスト材料膜は、カタリストとなる材料を含む雰囲気中で、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかが、前記柱状結晶構造体の柱径に収束されて前記成長基板上に照射されることで、パターニングおよび薄膜形成されることを特徴とする。 The columnar crystal structure manufacturing method of the present invention forms a patterned catalyst material film on a growth substrate, and the material for forming the columnar crystal structure is taken into the catalyst material film to form a gap with the growth substrate. In the columnar crystal structure manufacturing method of forming the columnar crystal structure on the growth substrate by growing in a step, the catalyst material film is an ion beam, an electron beam or an electron beam in an atmosphere containing a material to be a catalyst. One of the laser beams is converged on the column diameter of the columnar crystal structure and irradiated onto the growth substrate, whereby patterning and thin film formation are performed.
また、本発明の柱状結晶構造体の製造装置は、成長基板から柱状結晶構造体を成長させるにあたって、前記柱状結晶構造体が成長すべき箇所を規定するカタリスト材料膜を形成する柱状結晶構造体の製造装置において、前記成長基板を収容する真空容器と、前記真空容器内にカタリストとなる材料を含むガスを供給するガス供給源と、前記真空容器に連通し、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかを、前記柱状結晶構造体の柱径に収束し、前記成長基板上で前記柱状結晶構造体が成長すべき箇所に照射するビーム源とを含むことを特徴とする。 Further, the columnar crystal structure manufacturing apparatus of the present invention provides a columnar crystal structure that forms a catalyst material film that defines a position where the columnar crystal structure is to be grown when the columnar crystal structure is grown from a growth substrate. In the manufacturing apparatus, a vacuum container that accommodates the growth substrate, a gas supply source that supplies a gas containing a material serving as a catalyst in the vacuum container, an ion beam, an electron beam, or a laser beam that communicates with the vacuum container. Any one of them includes a beam source that converges on a column diameter of the columnar crystal structure and irradiates a position where the columnar crystal structure should grow on the growth substrate.
上記の構成によれば、III−V族化合物半導体発光素子などとして実現され、成長基板上に柱状結晶構造体を有する半導体の製造方法および装置において、成長基板上にパターニングされたカタリスト材料膜を形成し、前記カタリスト材料膜に柱状結晶構造体を形成する材料が取込まれて前記成長基板との間で成長することで前記柱状結晶構造体を成長させるにあたって、前記カタリスト材料膜を蒸着およびフォトリソグラフィによって形成するのではなく、前記成長基板を真空容器に収容し、ガス供給源からカタリストとなる材料を含むガスを供給し、その雰囲気中で、ビーム源から、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかを、前記柱状結晶構造体の柱径であるnmオーダーに収束させて前記成長基板上に照射することで、前記カタリスト材料膜を、パターニングされた状態で、直接薄膜形成する。 According to the above configuration, a patterned catalyst material film is formed on a growth substrate in a semiconductor manufacturing method and apparatus realized as a group III-V compound semiconductor light emitting device or the like and having a columnar crystal structure on the growth substrate. In order to grow the columnar crystal structure by taking the material for forming the columnar crystal structure into the catalyst material film and growing it with the growth substrate, the catalyst material film is deposited and photolithography is performed. The growth substrate is housed in a vacuum vessel, a gas containing a material to be a catalyst is supplied from a gas supply source, and an ion beam, an electron beam, or a laser beam is supplied from the beam source in the atmosphere. By irradiating the growth substrate with one of them converged on the order of nm which is the column diameter of the columnar crystal structure The Catalyst material film, in a patterned state, directly forming a thin film.
したがって、MOCVD装置やMBE装置などと同様の真空度に保った雰囲気のまま、マスクレスでカタリスト材料膜を形成することができ、該カタリスト材料膜の形成後、成長基板を大気に暴露することなく、MOCVD装置やMBE装置などに搬入して、柱状結晶構造体を成長させることができる。これによって、柱状結晶構造体の位置や柱径を制御可能であるというカタリストを用いる利点を生かしながら、高品質な柱状結晶構造体を、高いスループットで安価に成長させることができる。たとえば、柱状結晶構造体の成長(1μm程度)に1時間程度、柱状結晶構造体上の電極形成に半日程度必要となり、従来の蒸着およびフォトリソグラフィ(露光・現像・エッチング)による電極形成では、前記柱状結晶構造体上の電極形成と同様にさらに半日程度必要であったのが、前記ビーム照射では、たとえば2インチ基板で10分程度と、素子形成の時間を半分程度にまで短縮することができる。 Therefore, a catalyst material film can be formed without a mask in an atmosphere maintained at a vacuum level similar to that of an MOCVD apparatus or an MBE apparatus, and the growth substrate is not exposed to the air after the formation of the catalyst material film. The columnar crystal structure can be grown by being carried into an MOCVD apparatus or an MBE apparatus. This makes it possible to grow a high-quality columnar crystal structure with high throughput and low cost while taking advantage of the use of a catalystist that the position and column diameter of the columnar crystal structure can be controlled. For example, it takes about 1 hour to grow a columnar crystal structure (about 1 μm) and about half a day to form an electrode on the columnar crystal structure. In the conventional electrode formation by vapor deposition and photolithography (exposure / development / etching), Similar to the electrode formation on the columnar crystal structure, about half a day was required. However, in the beam irradiation, the element formation time can be reduced to about half, for example, about 10 minutes for a 2-inch substrate. .
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法は、前記ビームの走査に加えて、これと同期した成長基板の移動と回転との少なくとも一方を用いることを特徴とする。 Furthermore, the method for manufacturing a columnar crystal structure according to the present invention is characterized in that in addition to the beam scanning, at least one of movement and rotation of the growth substrate synchronized with the beam scanning is used.
また、本発明の柱状結晶構造体の製造装置では、前記ビーム源はxy方向に走査可能であり、前記成長基板を搭載し、前記ビーム源の走査に同期して、前記成長基板に、前記xy方向の少なくとも一方への移動と、z軸回りの回転との少なくとも一方を行わせる支持台をさらに備えることを特徴とする。 In the columnar crystal structure manufacturing apparatus of the present invention, the beam source can be scanned in the xy direction, the growth substrate is mounted, and the growth substrate is synchronized with the scanning of the beam source. It further includes a support base that performs at least one of movement in at least one of directions and rotation around the z-axis.
上記の構成によれば、柱状結晶構造体を有する半導体を製造するにあたって、柱状結晶構造体の成長工程、その中でも上記のようにカタリスト材料膜の形成工程が生産のクリティカルパスになる可能性が大きいので、ビームの走査に、成長基板の移動や回転を併用する。 According to the above configuration, in manufacturing a semiconductor having a columnar crystal structure, the growth process of the columnar crystal structure, particularly the catalyst material film forming step as described above, is likely to be a critical path for production. Therefore, the movement and rotation of the growth substrate are used in combination with the beam scanning.
したがって、大面積の成長基板を使用することができ、このカタリスト材料膜を形成する効率を高め、高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。 Therefore, a growth substrate having a large area can be used, the efficiency of forming this catalyst material film can be increased, and a high throughput and therefore a lower cost process can be realized.
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法は、前記ビームを複数本用いることを特徴とする。 Furthermore, the columnar crystal structure manufacturing method of the present invention is characterized in that a plurality of the beams are used.
また、本発明の柱状結晶構造体の製造装置は、前記ビーム源を複数備えることを特徴とする。 In addition, the columnar crystal structure manufacturing apparatus of the present invention includes a plurality of the beam sources.
上記の構成によれば、複数本のビームを走査することで、カタリスト材料膜の形成工程の時間を短縮し、高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。 According to the above configuration, by scanning a plurality of beams, it is possible to shorten the time for the catalyst material film forming step and to realize a high throughput and therefore a low-cost process.
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法は、前記柱状結晶構造体の成長工程において、前記成長基板を、重力と平行もしくは重力と垂直かつ表面が重力方向に向くように支持することを特徴とする。 Furthermore, the columnar crystal structure manufacturing method of the present invention supports the growth substrate in a growth step of the columnar crystal structure so that the growth substrate is parallel to or perpendicular to gravity and the surface is directed in the direction of gravity. Features.
上記の構成によれば、真空容器内の異物の成長基板表面への吸着を防止し、より欠陥の少ない結晶成長を実現することができる。 According to said structure, adsorption | suction to the growth substrate surface of the foreign material in a vacuum vessel can be prevented, and crystal growth with fewer defects can be implement | achieved.
また、本発明の柱状結晶構造体の製造装置では、前記真空容器で前記のカタリスト材料膜の形成と柱状結晶構造体の成長とが連続して行われ、または前記カタリスト材料膜の形成を行う真空容器と、柱状結晶構造体の成長を行う真空容器とが別体に設けられて両者が真空通路によって結合されていることを特徴とする。 In the columnar crystal structure manufacturing apparatus of the present invention, the formation of the catalyst material film and the growth of the columnar crystal structure are continuously performed in the vacuum vessel, or the vacuum for forming the catalyst material film is performed. The container and the vacuum container for growing the columnar crystal structure are provided separately, and both are connected by a vacuum passage.
上記の構成によれば、カタリスト材料膜の形成と柱状結晶構造体の成長とを同一の真空容器で行うか、別体の真空容器で行う場合には両者が真空通路によって結合されているので、カタリスト材料膜の形成された成長基板を大気に暴露せずに柱状結晶構造体の成長を連続して実施することができ、極めてクリーンな環境でカタリスト材料膜の形成および柱状結晶構造体の成長を行わせることができる。 According to the above configuration, when the catalyst material film is formed and the columnar crystal structure is grown in the same vacuum vessel, or in a separate vacuum vessel, both are connected by a vacuum passageway. The columnar crystal structure can be continuously grown without exposing the growth substrate on which the catalyst material film is formed to the atmosphere, and the catalyst material film can be formed and the columnar crystal structure can be grown in an extremely clean environment. Can be done.
本発明の柱状結晶構造体の製造方法および装置は、以上のように、III−V族化合物半導体発光素子などとして実現され、成長基板上に柱状結晶構造体を有する半導体の製造方法および装置において、成長基板上にパターニングされたカタリスト材料膜を形成し、前記カタリスト材料膜に柱状結晶構造体を形成する材料が取込まれて前記成長基板との間で成長することで前記柱状結晶構造体を成長させるにあたって、前記カタリスト材料膜を蒸着およびフォトリソグラフィによって形成するのではなく、前記成長基板を真空容器に収容し、ガス供給源からカタリストとなる材料を含むガスを供給し、その雰囲気中で、ビーム源から、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかを、前記柱状結晶構造体の柱径であるnmオーダーに収束させて前記成長基板上に照射することで、前記カタリスト材料膜を、パターニングされた状態で、直接薄膜形成する。 The columnar crystal structure manufacturing method and apparatus of the present invention is realized as a group III-V compound semiconductor light-emitting element as described above, and in a semiconductor manufacturing method and apparatus having a columnar crystal structure on a growth substrate, A patterned catalyst material film is formed on a growth substrate, and a material for forming a columnar crystal structure is taken into the catalyst material film and grown with the growth substrate to grow the columnar crystal structure. In this case, the catalyst material film is not formed by vapor deposition and photolithography, but the growth substrate is housed in a vacuum vessel, a gas containing a material to be a catalyst is supplied from a gas supply source, and the beam is generated in the atmosphere. From the source, either an ion beam, an electron beam or a laser beam is applied to the order of nm which is the column diameter of the columnar crystal structure. By irradiating onto the growth substrate by the bundle, the Catalyst material film, in a patterned state, directly forming a thin film.
それゆえ、MOCVD装置やMBE装置などと同様の真空度に保った雰囲気のまま、マスクレスでカタリスト材料膜を形成することができ、該カタリスト材料膜の形成後、成長基板を大気に暴露することなく、MOCVD装置やMBE装置などに搬入して、柱状結晶構造体を成長させることができる。これによって、柱状結晶構造体の位置や柱径を制御可能であるというカタリストを用いる利点を生かしながら、高品質な柱状結晶構造体を、高いスループットで安価に成長させることができる。 Therefore, a catalyst material film can be formed without a mask in an atmosphere maintained at a vacuum level similar to that of an MOCVD apparatus or an MBE apparatus, and the growth substrate is exposed to the atmosphere after the formation of the catalyst material film. In addition, the columnar crystal structure can be grown by being carried into an MOCVD apparatus or an MBE apparatus. This makes it possible to grow a high-quality columnar crystal structure with high throughput and low cost while taking advantage of the use of a catalystist that the position and column diameter of the columnar crystal structure can be controlled.
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法および装置は、以上のように、柱状結晶構造体を有する半導体を製造するにあたって、カタリスト材料膜の形成工程において、ビームの走査に、成長基板の移動や回転を併用する。 Furthermore, in the method and apparatus for producing a columnar crystal structure according to the present invention, as described above, in the production of a semiconductor having a columnar crystal structure, in the step of forming a catalyst material film, scanning of the beam Use both movement and rotation.
それゆえ、大面積の成長基板を使用することができ、カタリスト材料膜を形成する効率を高め、高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。 Therefore, a growth substrate having a large area can be used, the efficiency of forming a catalyst material film can be increased, and a high throughput and therefore a lower cost process can be realized.
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法および装置は、以上のように、複数本のビームを走査する。 Furthermore, the columnar crystal structure manufacturing method and apparatus of the present invention scan a plurality of beams as described above.
それゆえ、カタリスト材料膜の形成工程の時間を短縮し、高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。 Therefore, it is possible to shorten the time of the catalyst material film forming process and realize a high throughput and therefore a lower cost process.
さらにまた、本発明の柱状結晶構造体の製造方法は、以上のように、前記柱状結晶構造体の成長工程において、前記成長基板を、重力と平行もしくは重力と垂直かつ表面が重力方向に向くように支持する。 Furthermore, in the method for producing a columnar crystal structure according to the present invention, as described above, in the step of growing the columnar crystal structure, the growth substrate is parallel to gravity or perpendicular to gravity and the surface is directed in the direction of gravity. To support.
それゆえ、真空容器内の異物の成長基板表面への吸着を防止し、より欠陥の少ない結晶成長を実現することができる。 Therefore, it is possible to prevent the foreign matter in the vacuum vessel from adsorbing to the surface of the growth substrate and realize crystal growth with fewer defects.
また、本発明の柱状結晶構造体の製造装置は、以上のように、カタリスト材料膜の形成と柱状結晶構造体の成長とを同一の真空容器で行うか、別体の真空容器で行う場合には両者を真空通路によって結合する。 In addition, as described above, the columnar crystal structure manufacturing apparatus of the present invention performs the formation of the catalyst material film and the growth of the columnar crystal structure in the same vacuum container or in separate vacuum containers. Connects the two by a vacuum passage.
それゆえ、カタリスト材料膜の形成された成長基板を大気に暴露せずに柱状結晶構造体の成長を連続して実施することができ、極めてクリーンな環境でカタリスト材料膜の形成および柱状結晶構造体の成長を行わせることができる。 Therefore, the growth of the columnar crystal structure can be continuously performed without exposing the growth substrate on which the catalyst material film is formed to the atmosphere, and the formation of the catalyst material film and the columnar crystal structure can be performed in an extremely clean environment. Can be made to grow.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の第1の形態に係る柱状結晶構造体(ナノコラム)を有する半導体である発光ダイオードの製造工程の前半を模式的に示す断面図である。本実施の形態および後述する他の実施の形態では、ナノコラムとしてはGaNを例にとるが、これに限定されるものではなく、酸化物、窒化物、または酸窒化物などを含む化合物半導体すべてを対象とする。また、ナノコラムの成長は、分子線エピタキシー(MBE)によって行うことを前提としているが、ナノコラムの成長方法はこれに限定されるものではなく、有機金属気相成長(MOCVD)やハイドライド気相成長(HVPE)等の装置を用いてもナノコラムが作製可能であることは公知である。以下、特に断らない限り、MBE装置を用いるものとする。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the first half of a manufacturing process of a light emitting diode which is a semiconductor having a columnar crystal structure (nanocolumn) according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment and other embodiments described later, GaN is taken as an example of a nanocolumn, but the invention is not limited to this, and all compound semiconductors including oxide, nitride, oxynitride, and the like are used. set to target. In addition, it is assumed that nanocolumn growth is performed by molecular beam epitaxy (MBE), but the nanocolumn growth method is not limited to this, and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or hydride vapor deposition ( It is well known that nanocolumns can be produced even using an apparatus such as HVPE). Hereinafter, unless otherwise specified, an MBE apparatus is used.
図1で示す製造装置1は、成長基板11からナノコラムを成長させるにあたって、前記ナノコラムが成長すべき箇所を規定するカタリスト材料膜12を形成するFIB(収束イオンビーム)装置である。この製造装置1は、大略的に、前記成長基板11を収容する真空容器2と、前記成長基板11を搭載する試料ホルダー3と、前記真空容器2内にカタリストとなる材料を含むガスを供給するガス供給源4と、前記真空容器2に連通し、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかを、前記ナノコラムの柱径に収束し、前記成長基板11上で前記ナノコラムが成長すべき箇所に照射するビーム源5とを備えて構成される。
The manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1 is a FIB (focused ion beam) apparatus that forms a
なお、以下の実施の形態では、ビーム源5からのビーム6として、イオンビームを例にとる、すなわち収束イオンビームデポジション法を用いるものとするが、電子ビームやレーザビームを用いる場合でも、全く同様に適用できる。これらのエネルギービームを用い、金属(カタリスト)材料と、CH3が付加されている等で、揮発し易い有機ガスとを結ぶ鎖をエネルギーを与えて切断し、前記カタリスト材料膜12となる金属材料を基板に貼付けることができる。前記カタリスト材料膜12としては、Pt,Tiなどを使用することができ、ガス供給源4からのガスとしては、前記Ptを含有する有機ガス、たとえばmetylcyclopentadienylplatinum:(CH3)3(CH3C5H4)Ptであり、前記Tiを含有する有機ガス、たとえばチタンプロパキシド[Ti−(iC3H7O)4]或いはテトラキスジメチルアミノチタン[Ti[N(CH3)2]4]などを使用することができ、前記ガス供給源4としては、ガス材料がガスの場合はボンベをそのまま用い、液体の場合は蒸発させる装置を用いることができる。
In the following embodiment, an ion beam is used as an example of the
上述のように構成される製造装置1において、先ずGa基板から成る成長基板11を試料ホルダー3の中に設置し、ベース真空度10−6がオーダーの状態で前記ガス供給源4から前記Ptを含有する有機ガスを真空容器2内に導入する。これによって、真空度は10−4程度に低下する。次に、このガスの雰囲気7中で、Gaイオン源から成るビーム源5に30KeVの電圧を印加し、ビーム電流10pAのイオンビーム6を収束させてスポット状に成長基板11へ照射すると、msオーダーで、数nmの厚みで円形のPtカタリスト材料膜12を形成することができる。走査電極8に走査電圧を与え、イオンビーム6を、参照符号6aや6bで示されるように成長基板11上で走査させることで、前記成長基板11上にPtカタリスト材料膜12のパターンを形成することができる。
In the manufacturing apparatus 1 configured as described above, a
その後、図2で示すように、成長基板11を試料ホルダー3ごと、ロードロック機構22を備える移動式真空容器21へ試料ロット23を用いて移し変え、真空度を保ったまま次工程のMBE装置へ移動する。
Thereafter, as shown in FIG. 2, the
図3は、前記発光ダイオードの製造工程の後半を模式的に示す断面図である。この図3で示す製造装置31は、成長基板11からナノコラム13を成長させる前記MBE装置である。前記移動式真空容器21からは、この製造装置31の真空容器32に成長基板11が移され、ベース真空度10−10がオーダーまで高められる。その状態で、基板温度は750℃、プラズマ出力は450Wで、キャリアガスとしてガス供給源33から水素ガス(H2)、Ga原料にはガス供給源34からトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)、窒素原料にはガス供給源35からアンモニア(NH3)を供給する。さらに、n型伝導性を有するSiを不純物として添加するために、ガス供給源36からシラン(SiH4)を供給する。Gaフラックスを3.4nm/minの流量で供給すると、n型半導体層が成長し、15分程度成長させることで、その高さが1μmとなる。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the latter half of the manufacturing process of the light emitting diode. The
続いて、基板温度を650℃に下げ、不純物ガスを前記シラン(SiH4)からIn原料となるトリメチルインジウム(In(CH3)3)に変更し、そのInフラックスの流量を10nm/minとして、InGaN量子井戸から成る前記発光層を成長させる。成長時間は1分間である。Gaフラックスの流量やプラズマ出力は、n型半導体層の成長時と同じである。ここで重要なのは、InフラックスのレートはGaフラックスのそれよりはるかに大きく、かつGaフラックスのレートはNフラックスのレートより小さいことである。前記発光層は、InGaN/GaN多重量子井戸構造に形成されてもよい。また、前記n型半導体層内に、適宜反射膜が形成されてもよい。 Subsequently, the substrate temperature is lowered to 650 ° C., the impurity gas is changed from the silane (SiH 4 ) to trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ) as an In raw material, and the flow rate of the In flux is set to 10 nm / min. The light emitting layer comprising an InGaN quantum well is grown. The growth time is 1 minute. The flow rate of Ga flux and the plasma output are the same as when the n-type semiconductor layer is grown. What is important here is that the rate of In flux is much higher than that of Ga flux, and the rate of Ga flux is lower than the rate of N flux. The light emitting layer may be formed in an InGaN / GaN multiple quantum well structure. A reflective film may be appropriately formed in the n-type semiconductor layer.
さらに、基板温度を750℃に上げ、不純物ガスを前記トリメチルインジウム(In(CH3)3)からp型伝導性を有するMgを含有するシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)に変更し、そのMgフラックスの流量を1nm/min、前記Gaフラックスの流量は5nm/minとして、p型半導体層を成長させ、図1(c)で示すようなナノコラム13が完成する。成長時間は4分間、プラズマ出力は、ナノコラム13の成長を通して、前記450Wで同じである。なお、p型半導体層の成長時には、アンモニア(NH3)の流量、キャリアガスH2の流量、もしくは成長温度を徐々に変えてゆくことで、ナノコラム13の径を徐々に増加させて、電極形成のために、プレーナータイプのp型層が形成される。
Further, the substrate temperature is raised to 750 ° C., and the impurity gas is cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) containing Mg having p-type conductivity from trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ). Then, the flow rate of Mg flux is set to 1 nm / min, the flow rate of Ga flux is set to 5 nm / min, and a p-type semiconductor layer is grown to complete the
その後、図示しないEB蒸着装置での蒸着によって、前記p型層の表面に透明電極が、その上にp型パッド電極が形成される。また同様に、EB蒸着装置での蒸着によって、Ga基板から成る成長基板11の裏面には、n型コンタクト層およびn型パッド電極から成るn型電極が形成されて、発光ダイオードが完成する。
Thereafter, a transparent electrode is formed on the surface of the p-type layer and a p-type pad electrode is formed thereon by vapor deposition using an EB vapor deposition apparatus (not shown). Similarly, an n-type electrode composed of an n-type contact layer and an n-type pad electrode is formed on the back surface of the
以上のように、本実施の形態では、最終、GaNLEDなどに形成されるナノコラム13をカタリスト材料膜12を用いて成長させるにあたって、前記カタリスト材料膜12を蒸着およびフォトリソグラフィによって形成するのではなく、成長基板11を真空容器2に収容し、ガス供給源4からカタリストとなる材料を含むガスを供給し、その雰囲気7中で、ビーム源5から、イオンビーム6を、前記ナノコラム13の柱径であるnmオーダーに収束させて前記成長基板11上に照射することで前記カタリスト材料膜12をパターニングされた状態で直接薄膜形成する。したがって、MOCVD装置やMBE装置などと同様の真空度に保った雰囲気のまま、マスクレスでカタリスト材料膜12を形成することができ、該カタリスト材料膜12の形成後、成長基板11を大気に暴露することなく、極めてクリーンな環境で、MOCVD装置やMBE装置などに搬入して、ナノコラム13を成長させることができる。これによって、ナノコラム13の位置や柱径を制御可能であるというカタリストを用いる利点を生かしながら、高品質なナノコラム13を、高いスループットで安価に成長させることができる。たとえば、ナノコラム13の成長(1μm程度)に1時間程度、ナノコラム13上の電極形成に半日程度必要となり、従来の蒸着およびフォトリソグラフィによる電極形成では、ナノコラム13上の電極形成と同様にさらに半日程度必要であったのが、前記ビーム6の照射では、たとえば2インチ基板で10分程度と、素子形成の時間を半分程度にまで短縮することができる。
As described above, in the present embodiment, when the
好ましくは、前記カタリスト材料膜12を、たとえば直径100nmの柱径で、一片が230nmの三角形を基本単位とする2次元フォトニック結晶による回折格子パターン状に形成することで、ナノコラム13の側面方向への光取出し効率を高めることができる。
Preferably, the
[実施の形態2]
図4は、本発明の実施の第2の形態に係る製造装置41を模式的に示す断面図である。この製造装置41も、成長基板11からナノコラム13を成長させるにあたって、前記ナノコラム13が成長すべき箇所を規定するカタリスト材料膜12を形成するものであり、前述の製造装置1に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この製造装置41では、前記走査電極8によるビーム6のxy方向の走査に同期して、支持台42によって、前記成長基板11に、前記xy方向の少なくとも一方への移動と、参照符号43で示すz軸回りの回転との少なくとも一方を行わせることである。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a
このように構成することで、ナノコラム13を有する半導体を製造するにあたって、該ナノコラム13の成長工程、その中でも上記のようにカタリスト材料膜12の形成工程が生産のクリティカルパスになる可能性が大きいので、ビーム6の走査に、成長基板11の移動や回転を併用することで、大面積の成長基板を使用することができ、このカタリスト材料膜12を形成する効率を高め、商業生産に適した高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。
With this configuration, in manufacturing a semiconductor having the
[実施の形態3]
図5は、本発明の実施の第3の形態に係る製造装置51を模式的に示す断面図である。この製造装置51も、成長基板11からナノコラム13を成長させるにあたって、前記ナノコラム13が成長すべき箇所を規定するカタリスト材料膜12を形成するものであり、前述の製造装置1に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この製造装置51では、真空容器2に、複数のイオンビーム源(図5では参照符号5a,5bの2つ)が設けられていることである。
[Embodiment 3]
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a
このように構成してもまた、カタリスト材料膜12の形成工程の時間を短縮し、高いスループット、したがってより低価格なプロセスを実現することができる。
Even with this configuration, it is possible to reduce the time for the
[実施の形態4]
図6および図7は、本発明の実施の第4の形態に係る製造装置61,71を模式的に示す断面図である。これらの製造装置61,71は、成長基板11からナノコラム13を成長させる前記MBE装置であり、前述の製造装置31に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、先ず図6で示す製造装置61では、真空容器32が90°傾けられて成長基板11が重力と平行に支持されており、次に図7で示す製造装置71では、真空容器32が180°回転されて成長基板11が重力と垂直かつ表面が重力方向に向くように支持されていることである。これらの製造装置61,71では、前記成長基板11および試料ホルダー3が、そのような傾き或いは回転に適応できるように、それぞれ試料ホルダー3および真空容器32に、適宜クランプ機構などが設けられる。
[Embodiment 4]
6 and 7 are cross-sectional views schematically showing
このように構成することで、真空容器32内の異物の成長基板11の表面への吸着を防止し、より欠陥の少ない結晶成長を実現することができる。
With such a configuration, it is possible to prevent the foreign matter in the
[実施の形態5]
図8は、本発明の実施の第5の形態に係る製造装置81を模式的に示す断面図である。注目すべきは、この製造装置81は、前述の図1で示すカタリスト材料膜12を形成する製造装置1の真空容器2と、ナノコラム13を成長させる製造装置31の真空容器32とが、ロードロック82で相互に接続されていることである。こうして、FIB装置とMBE装置とを真空通路であるロードロック82を介して連結することで、カタリスト材料膜12を用いたナノコラム13の製造専用装置である場合に、カタリスト材料膜12の形成された成長基板11を大気に暴露せずにナノコラム13の成長を連続的して実施することができ、極めてクリーンな環境でカタリスト材料膜12の形成およびナノコラム13の成長を行わせることができる。なお、相互に別体の真空容器2,32を使用するのではなく、同じ真空容器でカタリスト材料膜12の形成とナノコラム13の成長とが連続して行われてもよい。
[Embodiment 5]
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a
1,31,41,51,61,71,81 製造装置
2,32 真空容器
3 試料ホルダー
4 ガス供給源
5,5a,5b イオンビーム源
6,6a,6b ビーム
8 走査電極
11 成長基板
12 カタリスト材料膜
13 ナノコラム
21 移動式真空容器
22 ロードロック機構
23 試料ロット
33,34,35,36 ガス供給源
42 支持台
82 ロードロック
1, 31, 41, 51, 61, 71, 81
Claims (8)
前記カタリスト材料膜は、カタリストとなる材料を含む雰囲気中で、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかが、前記柱状結晶構造体の柱径に収束されて前記成長基板上に照射されることで、パターニングおよび薄膜形成されることを特徴とする柱状結晶構造体の製造方法。 A patterned catalyst material film is formed on the growth substrate, and the material forming the columnar crystal structure is taken into the catalyst material film and grown between the growth substrate and the growth substrate. In the method for producing a columnar crystal structure that forms the columnar crystal structure,
The catalyst material film is irradiated with an ion beam, an electron beam, or a laser beam focused on the column diameter of the columnar crystal structure and irradiated on the growth substrate in an atmosphere containing a material to be a catalyst. A method for producing a columnar crystal structure, wherein patterning and thin film formation are performed.
前記成長基板を収容する真空容器と、
前記真空容器内にカタリストとなる材料を含むガスを供給するガス供給源と、
前記真空容器に連通し、イオンビーム、電子ビームまたはレーザビームのいずれかを、前記柱状結晶構造体の柱径に収束し、前記成長基板上で前記柱状結晶構造体が成長すべき箇所に照射するビーム源とを含むことを特徴とする柱状結晶構造体の製造装置。 In growing a columnar crystal structure from a growth substrate, in the columnar crystal structure manufacturing apparatus for forming a catalyst material film that defines a place where the columnar crystal structure should grow,
A vacuum vessel containing the growth substrate;
A gas supply source for supplying a gas containing a material serving as a catalyst in the vacuum vessel;
The ion beam, the electron beam, or the laser beam communicates with the vacuum vessel, converges to the column diameter of the columnar crystal structure, and irradiates a portion on the growth substrate where the columnar crystal structure is to be grown. An apparatus for manufacturing a columnar crystal structure, comprising: a beam source.
前記成長基板を搭載し、前記ビーム源の走査に同期して、前記成長基板に、前記xy方向の少なくとも一方への移動と、z軸回りの回転との少なくとも一方を行わせる支持台をさらに備えることを特徴とする請求項5記載の柱状結晶構造体の製造装置。 The beam source can be scanned in the xy direction;
The growth substrate is mounted, and further includes a support base that causes the growth substrate to perform at least one of movement in at least one of the xy directions and rotation around the z axis in synchronization with scanning of the beam source. The columnar crystal structure manufacturing apparatus according to claim 5.
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