JP2012033748A - Semiconductor surface light emitting element, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体面発光素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor surface light emitting device and a method for manufacturing the same.
フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、これを通過する光の波長を制御することができる。次世代の半導体面発光素子として、2次元フォトニック結晶(以下2DPCと称す)を用いたフォトニック結晶面発光レーザ(以下PCSELと称す)が提案されている。PCSELは、その光学特性が微細構造の寸法・形状により決まり、材料に依らないという特徴を持ち、大面積・単一モード、2次元的な偏光制御、出射角度の制御といった、従来の半導体発光素子単体では実現困難な新しい特性を有し、高出力半導体レーザの可能性を切り拓くポテンシャルを有している。 A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and the wavelength of light passing through the nanostructure can be controlled. As a next generation semiconductor surface light emitting device, a photonic crystal surface emitting laser (hereinafter referred to as PCSEL) using a two-dimensional photonic crystal (hereinafter referred to as 2DPC) has been proposed. PCSEL has the characteristics that its optical characteristics are determined by the size and shape of the microstructure and does not depend on the material. Conventional semiconductor light emitting devices such as large area, single mode, two-dimensional polarization control, and emission angle control It has new characteristics that are difficult to realize by itself, and has the potential to open up the possibilities of high-power semiconductor lasers.
実際の2DPCの作製では、ウェハ貼合わせ技術を用いており、次の問題点(1)〜(3)を有している。
(1)大面積の2DPC作製が困難である。すなわち、貼合わせるウェハが反りを有している場合、ウェハ間にゴミがある場合、ウェハ表面に大きな凹凸がある場合などの場合には、これらのウェハを上手く貼り合わせることができない。
(2)2DPC層に空洞を含んでおり、結合係数κが大きく、大面積化に不向きである。その理由は、2DPC層に均一に光を分布させるために、電極長Lに対して面内方向の規格化結合係数κLを1〜2程度とすることが望ましいが、2DPC層に空洞を含む場合、κの値が1000cm−1以上の値となり、Lの値が数十μmに制限されるからである。
(3)貼り合わせられたウェハ間の界面に欠陥が形成されるため、寿命・信頼性に難点がある。
In actual production of 2DPC, a wafer bonding technique is used, and the following problems (1) to (3) are present.
(1) It is difficult to produce a large area 2DPC. That is, when the wafer to be bonded has a warp, when there is dust between the wafers, or when there are large irregularities on the wafer surface, these wafers cannot be bonded well.
(2) The 2DPC layer includes a cavity, has a large coupling coefficient κ, and is not suitable for increasing the area. The reason is that in order to distribute light uniformly in the 2DPC layer, the normalized coupling coefficient κL in the in-plane direction with respect to the electrode length L is preferably about 1 to 2, but the 2DPC layer includes a cavity. This is because the value of κ is a value of 1000 cm −1 or more, and the value of L is limited to several tens of μm.
(3) Since defects are formed at the interface between the bonded wafers, there are difficulties in life and reliability.
上記問題点を解決するための2DPC作製手段として、結晶再成長を利用する再成長型PCSELがあり、これには次の利点がある。
(1)大面積の2DPC作製が容易である。すなわち、再成長を用いた場合、結晶を貼り合わせる必要がない。
(2)2DPC層を完全に埋込んだ場合、その結合係数κはウェハを貼合せた場合の結合係数の1/10程度に小さくなるため、大面積化が容易である。
(3)2DPC層界面をエピ層で埋め込むため、欠陥が少なく、信頼性が改善する。
(4)2DPC層に空洞を含まないので、放熱性に優れ、大出力化に向いている。
As a 2DPC manufacturing means for solving the above problems, there is a regrowth type PCSEL utilizing crystal regrowth, and this has the following advantages.
(1) It is easy to produce a large area 2DPC. That is, when regrowth is used, there is no need to bond crystals.
(2) When the 2DPC layer is completely embedded, the coupling coefficient κ is reduced to about 1/10 of the coupling coefficient when the wafers are bonded, so that the area can be easily increased.
(3) Since the interface of the 2DPC layer is embedded with an epi layer, there are few defects and the reliability is improved.
(4) Since the 2DPC layer does not include cavities, it has excellent heat dissipation and is suitable for high output.
上記の観点から、高出力PCSELの実用化を目指す上では、再成長型PCSELが、貼り合わせ型のPCSELよりも優位である。 From the above viewpoint, the regrowth type PCSEL is superior to the bonded type PCSEL in aiming at the practical use of the high output PCSEL.
特許文献1は、結晶の再成長において空洞を生じないフォトニック結晶として、六角形の凸部を半導体層内に埋め込むことを提案している。この場合、凸部の主表面(0001)面に対して、側面を(1−100)面としている。
特許文献2では、極性面を有する(111)基板または、半極性面を有する(n11)基板(2≦n≦6が望ましい)を用いた閃亜鉛構造(zinc blende structure)の結晶成長において、再成長埋込みを行っており、その手段としてラテラル成長を用いている。
In
しかしながら、本願発明者らが閃亜鉛構造の半導体層に穴を開けて、穴内で結晶の再成長を行った場合、その上に形成される化合物半導体層の表面モフォロジーが十分でなく、結晶内部に大きな転位が発生していることを発見した。すなわち、形成された半導体層の結晶性は十分ではないため、半導体面発光素子の特性が十分ではない。 However, when the inventors of the present invention have made a hole in the zinc flash structure semiconductor layer and regrown the crystal in the hole, the surface morphology of the compound semiconductor layer formed thereon is not sufficient, and the crystal inside It was discovered that a large dislocation occurred. That is, since the crystallinity of the formed semiconductor layer is not sufficient, the characteristics of the semiconductor surface light emitting element are not sufficient.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特性が改善可能な半導体面発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the semiconductor surface light emitting element which can improve a characteristic, and its manufacturing method.
上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体面発光素子は、閃亜鉛構造の第1化合物半導体からなる基本層内に複数の穴を周期的に形成し、前記穴内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体からなる埋め込み層を成長させてなるフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層に対して光を供給する活性層と、を備え、前記基本層の主表面は(001)面であり、前記穴の側面は、異なる2つの{100}面を含んでいる、又は、これらの面を前記主表面の法線の回りに±15度以下の回転角度で回転させた面を含んでいることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a semiconductor surface light emitting device according to the present invention is formed by periodically forming a plurality of holes in a basic layer made of a first compound semiconductor having a zinc flash structure, and having a zinc flash structure in the hole. A photonic crystal layer obtained by growing a buried layer made of a second compound semiconductor, and an active layer that supplies light to the photonic crystal layer, and the main surface of the basic layer is (001) And the side surface of the hole includes two different {100} planes, or a plane obtained by rotating these planes at a rotation angle of ± 15 degrees or less around the normal of the main surface. It is characterized by including.
穴の側面が4つの異なる{110}面によって形成されている場合、(110)および(−1−10)の側面に垂直に成長した埋め込み層には(110)および(−1−10)Facetが出現し、これらのFacetが中央部で接触するとき、結晶に乱れが生じ、最終的な結晶性が劣化することが判明した。すなわち、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは荒れており、内部に多くの転位が発生している。また、穴の側面に(110)、(-1-10)を含む場合、再成長埋め込み過程の初期に現れるFacet(一例として(113)、(-1-13)、すなわち(113)A面)上で複数のFacetの競合が生じ、部分的に不均一に再成長される。この領域が転位形成の核となるという機構も存在する。 If the side surface of the hole is formed by four different {110} planes, the buried layer grown perpendicular to the (110) and (-1-10) side surfaces has (110) and (-1-10) Facet When these facets come into contact with each other at the center, it was found that the crystals were disturbed and the final crystallinity was deteriorated. That is, the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is rough, and many dislocations are generated inside. Further, when (110) and (−1-10) are included in the side surface of the hole, Facet that appears in the early stage of the regrowth embedding process (for example, (113), (−1-13), that is, (113) A surface) Multiple Facet competition occurs above and partially regrowth. There is also a mechanism that this region becomes the nucleus of dislocation formation.
一方、穴の側面形状が、本発明のものの場合、側面に(110)と(-1-10)の露出の割合が減り、上述のように、転位形成機構が抑制されるため、理論的に内部の半導体層の結晶性が改善すると考えられる。このように半導体層の結晶性が改善すると、温度や熱による耐性が高くなるため、寿命を増加させることができ、リーク電流や内部抵抗が低くなるため、発光効率を改善することが可能となる。すなわち、穴の形状を本発明のものとすることで、半導体面発光素子の特性を改善することができる。 On the other hand, when the shape of the side surface of the hole is that of the present invention, the ratio of (110) and (-1-10) exposure to the side surface is reduced, and the dislocation formation mechanism is suppressed as described above. It is considered that the crystallinity of the internal semiconductor layer is improved. When the crystallinity of the semiconductor layer is improved in this manner, the durability due to temperature and heat increases, so that the lifetime can be increased, and the leakage current and internal resistance are reduced, so that the light emission efficiency can be improved. . That is, the characteristics of the semiconductor surface light emitting device can be improved by setting the shape of the hole to that of the present invention.
また、前記第1化合物半導体はGaAsであり、前記第2化合物半導体はAlGaAsである。これらの閃亜鉛構造の化合物半導体を用いた場合、材料特性がよく知られているので、その形成が容易である。
なお、上述の半導体面発光素子を製造する半導体面発光素子の製造方法は、前記穴を形成する工程と、前記埋め込み層の成長を行う工程と、を備えることを特徴とする。なお、前記成長を行う工程の前に、エッチングにより{110}面、又は{110}を前記主表面の法線回りに±10度以内の回転角度で回転させた面を含むアライメントマークを、前記基本層の形成される半導体基板に形成する工程を含んでも良い。この方法によれば、上述の素子を形成する場合において、前記アライメントマークの再成長層に転位が形成されることで再成長表面が荒れ、光学露光の基準位置として利用することができる。
The first compound semiconductor is GaAs, and the second compound semiconductor is AlGaAs. When these zinc-blende compound semiconductors are used, the material characteristics are well known, and the formation thereof is easy.
In addition, the manufacturing method of the semiconductor surface light emitting element for manufacturing the above-described semiconductor surface light emitting element includes a step of forming the hole and a step of growing the buried layer. In addition, before the step of performing the growth, an alignment mark including a {110} plane or a plane obtained by rotating {110} by a rotation angle within ± 10 degrees around the normal of the main surface by etching, You may include the process of forming in the semiconductor substrate in which a base layer is formed. According to this method, when the above-described element is formed, the regrowth surface is roughened by forming dislocations in the regrowth layer of the alignment mark, and can be used as a reference position for optical exposure.
本発明の半導体面発光素子によれば、これを構成する半導体層の結晶性が改善されているため、発光出力や寿命などの特性を改善することが可能となる。 According to the semiconductor surface light emitting device of the present invention, since the crystallinity of the semiconductor layer constituting the semiconductor surface light emitting device is improved, it is possible to improve characteristics such as light emission output and lifetime.
以下、実施の形態に係る半導体面発光素子及びその製造方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, the semiconductor surface light emitting device and the manufacturing method thereof according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.
図1は、半導体面発光素子を一部破断して示す半導体面発光素子の斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor surface light emitting device, with the semiconductor surface light emitting device partially cut away.
半導体面発光素子は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3、活性層4、上部光ガイド層5、フォトニック結晶層6、上部クラッド層7、コンタクト層8を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層8の中央部には電極E2が設けられている。
The semiconductor surface light emitting device includes a
これらの化合物半導体層の材料/厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が1015/cm3以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、1017〜1020/cm3である。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層4およびフォトニック結晶層6を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。なお、括弧内の数値は、後述のアライメントマーク作成時の実験で用いた数値であり、MOCVD法によるAlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料としてSi2H6(ジシラン)、P型不純物用の原料としてDEZn(ジエチル亜鉛)を用いた。
・コンタクト層8:P型のGaAs/50〜500nm(200nm)
・上部クラッド層7:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm(2.0μm)
・フォトニック結晶層6:
基本層6A:GaAs/50〜200nm(100nm)
埋め込み層6B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜200nm(100nm)
・上部光ガイド層5:
上層:GaAs/10〜200nm(50nm)
下層:p型または真性のAlGaAs/10〜100nm(50nm)
・活性層4(多重量子井戸構造):
AlGaAs/InGaAs MQW/10〜100nm(30nm)
・下部光ガイド層3:AlGaAs/0〜300nm(150nm)
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm(2.0μm)
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm(150μm)
The materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. In addition, the density | concentration when an impurity is added is 10 < 17 > -10 < 20 > / cm < 3 >. Further, the following is an example of the present embodiment. If the configuration includes the
Contact layer 8: P-type GaAs / 50 to 500 nm (200 nm)
Upper clad layer 7: P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 μm (2.0 μm)
Photonic crystal layer 6:
Upper light guide layer 5:
Upper layer: GaAs / 10-200 nm (50 nm)
Lower layer: p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm (50 nm)
Active layer 4 (multiple quantum well structure):
AlGaAs / InGaAs MQW / 10 to 100 nm (30 nm)
Lower light guide layer 3: AlGaAs / 0 to 300 nm (150 nm)
Lower clad layer 2: N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 μm (2.0 μm)
Semiconductor substrate 1: N-type GaAs / 80 to 350 μm (150 μm)
上下の電極E1,E2間に電流を流すと、電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域が発光して、レーザ光LBが基板に垂直な方向に向かって出力される。 When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows in a region R immediately below the electrode E2, this region emits light, and the laser beam LB is output in a direction perpendicular to the substrate.
図2は、ウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。なお、平面図では、理解の明確化を目的として、実際のスケールよりも格段に大きく、複数の穴Hを記載しており、また、その数も実際よりは少ない。また、図3は、ウェハの正面図である。
FIG. 2 is a plan view of the
ウェハ(基板)の主表面は(001)面であり、同図では、基本層6Aの主表面(001)が表面に露出している状態が示されている。なお、閃亜鉛構造の結晶のa軸、b軸、c軸は、それぞれX軸、Y軸、Z軸として、図面に示されている。X軸、Y軸、Z軸の方向は、それぞれ[100]、[010]、 [001]である。
The main surface of the wafer (substrate) is the (001) plane, and in the drawing, the main surface (001) of the
ウェハの一端には、オリエンテーションフラット(以下、オリフラと称す)OFが形成されており、オリフラOFは[110]方向に垂直である。オリフラOFは(−1−10)面を有している。基本層6Aには、複数の穴H(H1〜H10)が形成されており、それぞれの穴Hは、半導体基板の厚み方向に深さを有する。
An orientation flat (hereinafter referred to as orientation flat) OF is formed at one end of the wafer, and the orientation flat OF is perpendicular to the [110] direction. The orientation flat OF has a (-1-10) plane. A plurality of holes H (H1 to H10) are formed in the
穴Hの平面形状における輪郭は、三角形であり、三角形の各辺はオリフラOFの延びた方向[1−10]に対して、45度傾斜している。すなわち、穴Hの3つの側面は、それぞれ、(−100)面、(010)面、(hk0)面を有している。なお、結晶学的に等価な面として、(−100)面、(010)面は、{100}面として表すことができる。 The outline of the hole H in the planar shape is a triangle, and each side of the triangle is inclined 45 degrees with respect to the direction [1-10] in which the orientation flat OF extends. That is, the three side surfaces of the hole H have a (−100) plane, a (010) plane, and a (hk0) plane, respectively. As crystallographically equivalent planes, the (-100) plane and the (010) plane can be represented as {100} planes.
なお、図4は、穴Hの形状を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the shape of the hole H.
(0−10)面と(hk0)面のなす角度(鋭角)をθとする。図では(hk0)面の面方位は、h1=−sinθ、k1=cosθとして、ベクトルV[h1,k1,0]に平行な面方位となっている。 An angle (acute angle) formed by the (0-10) plane and the (hk0) plane is defined as θ. In the figure, the plane orientation of the (hk0) plane is a plane orientation parallel to the vector V [h1, k1, 0] where h1 = −sin θ and k1 = cos θ.
図2の平面図において、XY平面内における穴Hの重心位置は、[1-10]方向に沿って、等間隔に並んでおり、また、[110]方向に沿っても等間隔に沿って並んでいる。同図では前者の間隔(例えばH1とH2の間)が、後者の間隔(例えばH1とH6の間)より短い場合が示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。また、前者の間隔(例えばH1とH2の間)の中点位置の[110]方向に沿った延長線上に、別の穴H4が位置する配置になっている。 In the plan view of FIG. 2, the positions of the centers of gravity of the holes H in the XY plane are arranged at regular intervals along the [1-10] direction, and also along the [110] direction along the regular intervals. Are lined up. In the drawing, the case where the former interval (for example, between H1 and H2) is shorter than the latter interval (for example, between H1 and H6) is shown, but the present invention is not limited to this. Further, another hole H4 is arranged on an extension line along the [110] direction of the midpoint position of the former interval (for example, between H1 and H2).
なお、実施の形態における穴Hの重心の[1-10]方向の間隔は、335nmであり、[110]方向の間隔は、580nmである。また、穴の形状は三角形であって、各辺の長さはそれぞれ120nm、160nm、200nm、面積は9.6×103nm2である。なお、穴Hの重心位置を結ぶ線群は、正方格子、長方格子、三角格子を構成することができ、ランダムな配置であってもよい。 In the embodiment, the interval in the [1-10] direction of the center of gravity of the hole H is 335 nm, and the interval in the [110] direction is 580 nm. The shape of the hole is a triangle, and the length of each side is 120 nm, 160 nm, and 200 nm, respectively, and the area is 9.6 × 10 3 nm 2 . In addition, the line group which connects the gravity center position of the hole H can comprise a square lattice, a rectangular lattice, and a triangular lattice, and may be a random arrangement | positioning.
図1に示した埋め込み層6Bは、基本層6Aの穴Hの内部に埋め込まれるため、その側面は穴Hの側面に接触し、その面方位は、穴Hの側面の面方位に一致している。
Since the buried
このように、上述の半導体面発光素子は、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層6A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層6Bを成長させてなるフォトニック結晶層6を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。
As described above, the above-described semiconductor surface light-emitting device has a plurality of holes H periodically formed in the
図5は、半導体面発光素子の断面図である。本例は、オリフラに平行な断面を示している。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor surface light emitting device. This example shows a cross section parallel to the orientation flat.
上述のように、半導体面発光素子は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3、活性層4、上部光ガイド層5、フォトニック結晶層6、上部クラッド層7、コンタクト層8を備えている。ここで、活性層4は、フォトニック結晶層6に対して光を供給するものであり、上下の半導体層4A,4Cと、これらに挟まれた中央の半導体層4Bとを有している。これらのエネルギーバンドギャップの関係は、通常のレーザと同じであり、4BのQW(量子井戸)層を4A、4Cのガイド層で挟んだ多重量子井戸構造となるように設定されている。フォトニック結晶層6は、光の共振によってレーザ光を生成するために用いられる。すなわち、この半導体面発光素子は、フォトニック結晶面発光レーザであるが、レーザ発振が起きなければ当該構造は、発光ダイオードとして用いることもできる。
As described above, the semiconductor surface light emitting device includes the
図6は、比較例に係るウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。図1〜図5において示した半導体面発光素子を実施例とすると、比較例の素子は、穴H(H1〜H10)の形状のみが、実施例と異なる。すなわち、穴Hの側面は、それぞれ、{110}面によって構成されている。詳説すれば、それぞれの側面は、(110)、(1-10)、(-1-10)、(-110)である。
FIG. 6 is a plan view of the
図7は、結晶性劣化の概念を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing the concept of crystallinity degradation.
比較例において、側面(110)、(-1-10)に垂直に成長した埋め込み層は上述の転位発生機構により、結晶性が劣化している。すなわち、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは荒れており、内部に多くの転位が発生している。 In the comparative example, the buried layer grown perpendicular to the side surfaces (110) and (-1-10) has deteriorated crystallinity due to the above-described dislocation generation mechanism. That is, the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is rough, and many dislocations are generated inside.
一方、本発明では、基本層6Aの主表面は(001)面であって、穴Hの側面のうち2つは、{100}面であり、側面に(110)、(-1-10)面の露出の割合が減少する。したがって、上述の転位発生機構が抑制されるため、理論的には結晶性が良好となると考えられる。
On the other hand, in the present invention, the main surface of the
図8は、穴の形状の詳細構成を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of the hole shape.
XY平面内において、穴Hの輪郭に外接する三角形において、直交する2辺の寸法をL1、L2とする。この三角形に相似の三角形を仮定し、1つの角部を内接させる。内接した三角形は、外接する三角形と重心Gを共通とし、XY平面内の回転位置も同一であるとする。この場合、それぞれ対応辺の三角形の直交する一辺((010)面)に平行な方向の離間距離をΔL11、ΔL12、他の一辺(−100)面)に平行な方向の離間距離をΔL21、ΔL22とする。 In the triangle circumscribing the outline of the hole H in the XY plane, the dimensions of two orthogonal sides are L1 and L2. A triangle similar to this triangle is assumed, and one corner is inscribed. The inscribed triangle has the same center of gravity G as the circumscribed triangle, and the rotational position in the XY plane is also the same. In this case, the separation distance in the direction parallel to one side ((010) plane) orthogonal to the triangle of the corresponding side is ΔL11, ΔL12, and the separation distance in the direction parallel to the other side (−100) plane is ΔL21, ΔL22. And
(ΔL11+ΔL12)/L1が29%未満であり、かつ、(ΔL21+ΔL22)/L2が29%未満の場合であり、且つ、XY平面内における穴の面積の最大値(最表面の面積)が、これに外接する三角形の面積の50%以上である場合、穴の形状を三角形と認定し、穴Hの側面が2つの{100}面を含むものと認めることとする。 This is a case where (ΔL11 + ΔL12) / L1 is less than 29% and (ΔL21 + ΔL22) / L2 is less than 29%, and the maximum value of the area of the hole in the XY plane (area of the outermost surface) is When the area of the circumscribed triangle is 50% or more, the shape of the hole is recognized as a triangle, and the side surface of the hole H is recognized as including two {100} planes.
図9は、様々な穴の形状について示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing various hole shapes.
図中の点線は、{100}面を示している。図9(A)は、上述の実施形態の穴の形状である。(B)は、(A)の1辺の一部が欠けて埋め込み層6Bが凹部(凹面)を有しているものである。(C)は、(A)の2辺の一部が欠けて埋め込み層6Bが凹部(凹面)を有しているものである。(D)は、(A)の3辺の一部が欠けて埋め込み層6Bが凹部(凹面)を有しているものである。なお、(B)〜(D)に示した凹部は複数であっても、また、凹部を凸部に置き換えてもよい。(E)は、(A)の埋め込み層6Bの中央の一部が欠けている場合である。(E)の欠けた領域は複数であってもよい。
(F)は、(A)の斜辺が曲線(曲面)となったものである。
The dotted line in the figure indicates the {100} plane. FIG. 9A shows the shape of the hole in the above-described embodiment. (B) is a part in which one side of (A) is missing and the embedded
(F) is a case where the hypotenuse of (A) is a curved line (curved surface).
これらの場合においても、上記のような(110)、(-1-10)に起因する転位形成の機構が抑制されるため、結晶性が良好となると考えられる。 Also in these cases, it is considered that the crystallinity is improved because the mechanism of dislocation formation due to the above (110) and (-1-10) is suppressed.
(G)は、穴の平面形状が四角形(台形)であり、側面が2つの{100}面を有するが、これらの{100}面が、対向しており、平行である場合を示している。(H)は、穴の平面形状が平行四辺形であり、側面が2つの{100}面を有するが、これらの{100}面が、対向しており、平行である場合を示している。(I)は、(G)に示した台形の底辺の一部が欠けて、埋め込み層6Bの一部がV溝を有する場合を示している。
(G) shows a case where the planar shape of the hole is a quadrangle (trapezoid) and the side surface has two {100} planes, and these {100} planes are opposed and parallel to each other. . (H) shows a case in which the planar shape of the hole is a parallelogram and the side surface has two {100} planes, but these {100} planes are opposed and parallel. (I) shows a case where a part of the bottom of the trapezoid shown in (G) is missing and a part of the buried
これらの場合においても、上記のような(110)、(-1-10)に起因する転位形成の機構が抑制されるため、結晶性が良好となると考えられる。 Also in these cases, it is considered that the crystallinity is improved because the mechanism of dislocation formation due to the above (110) and (-1-10) is suppressed.
以上、説明したように、上述の実施形態では、穴Hの側面が、異なる2つの{100}面を含んでいる。穴の側面形状が、本発明のものの場合、側面に(110)、(-1-10)面の露出の割合が減少し、上述の転位発生機構が抑制されるため、理論的に内部の半導体層の結晶性が改善すると考えられる。このように半導体層の結晶性が改善すると、温度や熱による耐性が高くなるため、寿命を増加させることができ、リーク電流や内部抵抗が低くなるため、発光効率を改善することが可能となる。すなわち、穴の形状の上述の実施形態のものとすることで、半導体面発光素子の特性を改善することができる。 As described above, in the above-described embodiment, the side surface of the hole H includes two different {100} surfaces. When the shape of the side surface of the hole is that of the present invention, the ratio of exposure of the (110) and (−1-10) planes to the side surface is reduced, and the above-described dislocation generation mechanism is suppressed. It is believed that the crystallinity of the layer is improved. When the crystallinity of the semiconductor layer is improved in this manner, the durability due to temperature and heat increases, so that the lifetime can be increased, and the leakage current and internal resistance are reduced, so that the light emission efficiency can be improved. . That is, the characteristics of the semiconductor surface light emitting device can be improved by adopting the hole-shaped configuration described above.
なお、上述の第1化合物半導体はGaAsであり、前記第2化合物半導体はAlGaAsである。これらの閃亜鉛構造の化合物半導体を用いた場合、材料特性がよく知られているので、その形成が容易である。 The first compound semiconductor is GaAs, and the second compound semiconductor is AlGaAs. When these zinc-blende compound semiconductors are used, the material characteristics are well known, and the formation thereof is easy.
なお、上述の穴Hは、XY平面内において、主平面(001)の法線回りに±15度以内の回転角度で回転させた場合においても、同様の効果が得られると考えられる。この場合、穴Hの側面は、異なる2つの{100}面を主表面(001)の法線の回りに±15度以下の回転角度で回転させた面を含んでいることになる。 In addition, it is thought that the same effect is acquired even when the above-mentioned hole H is rotated by a rotation angle within ± 15 degrees around the normal line of the main plane (001) in the XY plane. In this case, the side surface of the hole H includes a surface obtained by rotating two different {100} planes around the normal of the main surface (001) with a rotation angle of ± 15 degrees or less.
図10は、フォトニック結晶層の第1の製造方法について説明するための図である。 FIG. 10 is a diagram for explaining a first manufacturing method of the photonic crystal layer.
N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1上に、N型のクラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3、多重量子井戸構造(InGaAs/AlGaAs)4、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)5、フォトニック結晶層となる基本層(GaAs)6Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。 An N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, an optical guide on an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 A layer (GaAs / AaGaAs) or spacer layer (AlGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、PCVD(プラズマCVD)法により、SiN層AGを基本層6A上に形成しI(B)、次に、レジストRを、SiN層AG上に形成する(C)。更に、レジストRを露光・現像し(D)、レジストRをマスクとしてSiN層AGをエッチングし、SiN層AGを一部残留させて、アライメントマークを形成する(E)。残ったレジストは除去する(F)。
In order to take alignment after epitaxial growth, a SiN layer AG is formed on the
次に、基本層6AにレジストR2を塗布し、レジストR2上に電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジストR2上に2次元微細パターンを形成する(H)。その後、レジストR2をマスクとして、ドライエッチングにより100nm程度の深さを持つ2次元微細パターンを基本層6A上に転写し(穴Hを形成する)(I)、レジストを除去する(J)。穴Hの深さは、100nmである。
Next, a resist R2 is applied to the
その後、MOCVD法を用いて再成長を行う。 Thereafter, regrowth is performed using the MOCVD method.
再成長工程では、埋め込み層(AlGaAs)6Bが穴H内に成長し、続いて、P型のクラッド層(AlGaAs)7、P型のコンタクト層(GaAs)8が順次エピタキシャル成長する(K)。次に、P型コンタクト8上に正方形の孔Hを持つレジストR3を形成し(L)、レジストR3をパ゜ターニングして(M)、電極EをレジストR3の上から蒸着し(N)、リフトオフにより電極(Cr/Au)E2のみを残して、電極材を除去する(O)。そして、N型の半導体基板1の裏面を研磨し、N型の電極(AuGe/Au)E1を形成する(P)。
In the regrowth process, the buried layer (AlGaAs) 6B is grown in the hole H, and then the P-type cladding layer (AlGaAs) 7 and the P-type contact layer (GaAs) 8 are sequentially epitaxially grown (K). Next, a resist R3 having a square hole H is formed on the P-type contact 8 (L), the resist R3 is patterned (M), and an electrode E is deposited on the resist R3 (N). The electrode material is removed leaving only the electrode (Cr / Au) E2 by lift-off (O). Then, the back surface of the N-
図11は、フォトニック結晶層の第2の製造方法について説明するための図である。 FIG. 11 is a diagram for explaining a second manufacturing method of the photonic crystal layer.
N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1上に、N型のクラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3、多重量子井戸構造(InGaAs/AlGaAs)4、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)5、フォトニック結晶層となる基本層(GaAs)6Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。 An N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, an optical guide on an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 A layer (GaAs / AaGaAs) or spacer layer (AlGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).
次に、基本層6A上にレジストR2を塗布し(B)、電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に2次元微細パターンを形成する(C)。このとき、使用するフォトマスクのアライメントマーク位置に(110)面で囲まれた1辺120nmの正方形を330nm間隔で配置し、領域全体の面積を100μm×100μmとする。後述するが、このパターンは再成長後の光学露光の位置合わせの基準として利用する。
Next, a resist R2 is applied on the
その後、ドライエッチングにより100nm程度の深さを持つ2次元微細パターンを基本層6A上に転写し(D)、レジストを除去する(E)。目印の位置もエッチングされるため、この位置にパターン(アライメントマーク)が形成される。このパターンは4つの{110}面で囲まれた側面を有するが、若干の回転(±10度以内)をさせてもよい。このパターンは、再成長によっても転位が形成されるため、再成長表面が荒れることが観察された。したがって、荒れた表面を再成長後の光学露光における位置合わせの基準として利用することが出来る。その後、MOCVD法を用いて再成長を行う。このように、埋め込み層の再成長を行う工程の前に、エッチングにより{110}面、又は{110}を前記主表面(001)の法線回りに±10度以内の回転角度で回転させた面を含むアライメントマークを、基本層6Aの形成される半導体基板の適当な箇所(発光素子形成予定領域の外側領域)に形成しておくことで、通常のアライメントマーク形成工程を省略することができる。
Thereafter, a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the
再成長工程では、埋め込み層(AlGaAs)6Bが穴H内に成長し、続いて、P型のクラッド層(AlGaAs)7、P型のコンタクト層(GaAs)8が順次エピタキシャル成長する(F)。次に、P型コンタクト8上に正方形の孔Hを持つレジストR3を形成し(G)、レジストR3を光学露光によりパターニングして(H)、電極EをレジストR3の上から蒸着し(I)、リフトオフにより電極(Cr/Au)E2のみを残して、電極材を除去する(J)。そして、N型の半導体基板1の裏面を研磨し、N型の電極(AuGe/Au)E1を形成する(K)。この方法によれば、上述の素子を形成する場合において、再成長前に{110}面で囲まれたパターンを形成しておくことで、これを再成長後の光学露光の位置合わせの基準位置として利用することができる。
なお、穴Hの深さは、基本層6Aよりも浅くてもよく、若干深くてもよい。また、(001)ウェハはオフ基板であってもよい。
In the regrowth step, the buried layer (AlGaAs) 6B is grown in the hole H, and then the P-type cladding layer (AlGaAs) 7 and the P-type contact layer (GaAs) 8 are sequentially epitaxially grown (F). Next, a resist R3 having a square hole H is formed on the P-type contact 8 (G), the resist R3 is patterned by optical exposure (H), and an electrode E is deposited on the resist R3 (I). Then, the electrode material is removed by lifting off, leaving only the electrode (Cr / Au) E2 (J). Then, the back surface of the N-
The depth of the hole H may be shallower than the
なお、穴Hの作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、FIB、ステッパなどの光学露光といった、その他の微細加工技術を用いてもよい。 In addition, although the manufacturing method by the electron beam exposure method was demonstrated in the embodiment as the manufacturing method of the hole H, you may use other microfabrication techniques, such as optical exposures, such as nanoimprint, interference exposure, FIB, and a stepper.
6A・・・基本層、6B・・・埋め込み層、H・・・穴。
6A: basic layer, 6B: buried layer, H: hole.
Claims (4)
前記フォトニック結晶層に対して光を供給する活性層と、
を備え、
前記基本層の主表面は(001)面であり、
前記穴の側面は、異なる2つの{100}面を含んでいる、又は、これらの面を前記主表面の法線の回りに±15度以下の回転角度で回転させた面を含んでいる、
ことを特徴とする半導体面発光素子。 A photonic crystal in which a plurality of holes are periodically formed in a basic layer made of a first compound semiconductor having a zinc flash structure, and a buried layer made of a second compound semiconductor having a zinc flash structure is grown in the hole. Layers,
An active layer for supplying light to the photonic crystal layer;
With
The main surface of the basic layer is a (001) plane,
The side surface of the hole includes two different {100} planes, or includes a plane obtained by rotating these planes at a rotation angle of ± 15 degrees or less around the normal of the main surface.
A semiconductor surface light emitting device.
前記第2化合物半導体はAlGaAsである、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体面発光素子。 The first compound semiconductor is GaAs;
The second compound semiconductor is AlGaAs;
2. The semiconductor surface light emitting device according to claim 1, wherein:
前記穴を形成する工程と、
前記埋め込み層の成長を行う工程と、
を備えることを特徴とする半導体面発光素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor surface light emitting element which manufactures the semiconductor surface light emitting element of Claim 1 or 2,
Forming the hole;
Growing the buried layer;
A method for manufacturing a semiconductor surface light emitting device, comprising:
Before the step of performing the growth, an alignment mark including a {110} plane or a plane obtained by rotating {110} at a rotation angle within ± 10 degrees around the normal of the main surface by etching is used as the base layer. 4. The method of manufacturing a semiconductor surface light emitting device according to claim 3, further comprising a step of forming the semiconductor substrate on the semiconductor substrate on which the semiconductor surface is formed.
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