JP2012043946A - Opto-electronic semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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昭浩 若原
Hiroshi Okada
浩 岡田
Akira Iwayama
章 岩山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an opto-electronic integrated circuit (OEIC) in which an optical device and an electronic device having high performance are formed, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: The method of manufacturing the opto-electronic integrated circuit (OEIC) comprises the steps of: forming an optical element formation layer on one of a transparent substrate and an SOI substrate to form an optical element layer structure; joining the other substrate, which is different from the one substrate out of the transparent substrate and the SOI substrate, to the optical element layer structure with an Si substrate of the SOI substrate outside, to form an assembly; and polishing the Si substrate of the assembly to form an electronic element formation layer.

Description

本発明は、光電子半導体装置及びその製造方法に関し、特に、光電子集積回路(OEIC)用基板の製造方法及びOEICの製造方法に関する。   The present invention relates to an optoelectronic semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate and a method for manufacturing an OEIC.

従来、Si(シリコン)単結晶基板上にGaAs、InP等のIII−V族化合物半導体層を形成することが行われている(例えば、特許文献1)。これは、大型で安価なSi単結晶基板を用いることにより、Siでは形成不可能な発光素子や受光素子などの光デバイス、高速素子、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)等を安価に形成しようとするものである。また、近年、Si集積回路の大規模化が進み、チップ内あるいはチップ間の信号伝達を従来の電気配線で行うことが困難になってきている。この問題の解決のため、光を用いた信号伝達をSi集積回路に取り込んだ光電子集積回路(OEIC:Opto-Electronic Integrated Circuit)が期待されている。   Conventionally, a III-V group compound semiconductor layer such as GaAs and InP is formed on a Si (silicon) single crystal substrate (for example, Patent Document 1). This is because by using a large and inexpensive Si single crystal substrate, an optical device such as a light emitting element or a light receiving element, a high speed element, an MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit), etc. that cannot be formed by Si are formed at low cost. Is. Further, in recent years, the Si integrated circuit has been increased in scale, and it has become difficult to perform signal transmission within a chip or between chips by a conventional electric wiring. In order to solve this problem, an opto-electronic integrated circuit (OEIC) in which signal transmission using light is incorporated in a Si integrated circuit is expected.

光電子集積回路(OEIC)の実現には、発光機能を有する半導体層を集積回路(電子回路)上に形成する必要があるが、発光機能に優れたInPやGaAs等の化合物半導体は、Siと格子定数が大きく異なるため、転位などの結晶欠陥が発生し、その構想の実現に至っていない。近年、Siを用いた光集積回路が研究されているが、実用的な光源の欠如とSiを透過する波長の光を用いているため、光検出器に新たな材料の導入が必要になるなど多くの課題を抱えている。   In order to realize an optoelectronic integrated circuit (OEIC), it is necessary to form a semiconductor layer having a light emitting function on the integrated circuit (electronic circuit). A compound semiconductor such as InP or GaAs having an excellent light emitting function is made of Si and a lattice. Since the constants are greatly different, crystal defects such as dislocations are generated, and the concept has not been realized. In recent years, optical integrated circuits using Si have been studied. However, since there is a lack of a practical light source and light having a wavelength that transmits Si, it is necessary to introduce new materials into the photodetector. There are many challenges.

特許第3782328号公報Japanese Patent No. 3784328

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高性能な光デバイス及び電子デバイスが形成された光電子集積回路(OEIC)を製造可能なOEIC用基板の製造方法並びに高性能なOEIC及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an OEIC substrate capable of manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) on which a high-performance optical device and an electronic device are formed, and a high performance. The object is to provide a high-performance OEIC and a manufacturing method thereof.

本発明の方法は、光素子及び電子素子をそれぞれ形成するための光素子形成層及び電子素子形成層を有する光電子集積回路(OEIC)用基板の製造方法であって、
透明基板及びSOI基板を用意するステップと、
上記透明基板及びSOI基板のうち1の基板上に光素子形成層を形成して光素子層構造体を形成する光素子層形成ステップと、
上記透明基板及びSOI基板のうち上記1の基板とは異なる他の基板と上記光素子層構造体とをSOI基板のSi基板を外側にして接合して接合体を形成する接合ステップと、
上記接合体のSi基板を研磨して電子素子形成層を形成する電子素子層形成ステップと、を有することを特徴としている。
The method of the present invention is a method of manufacturing a substrate for an optoelectronic integrated circuit (OEIC) having an optical element formation layer and an electronic element formation layer for forming an optical element and an electronic element, respectively.
Providing a transparent substrate and an SOI substrate;
An optical element layer forming step of forming an optical element layer structure on one of the transparent substrate and the SOI substrate to form an optical element layer structure;
A bonding step in which another substrate different from the first substrate among the transparent substrate and the SOI substrate and the optical element layer structure are bonded to each other with the Si substrate of the SOI substrate facing outside to form a bonded body;
An electronic element layer forming step of polishing the Si substrate of the joined body to form an electronic element forming layer.

実施例1による、SOI基板を用い、Si層及び化合物半導体層を含む光電子集積回路(OEIC)製造用基板(OEIC基板)を製造する方法を示す断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) manufacturing substrate (OEIC substrate) including an Si layer and a compound semiconductor layer using an SOI substrate according to Example 1. FIG. 図2(A)〜(E)を示し、OEIC基板を用いた光電子集積回路(OEIC)の製造方法を模式的に示す断面図である。FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views schematically showing a method of manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) using an OEIC substrate. 図2(F)〜(H)を示し、OEIC基板を用いた光電子集積回路(OEIC)の製造方法を模式的に示す断面図である。FIGS. 2F to 2H are cross-sectional views schematically showing a method of manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) using an OEIC substrate. OEICの動作の説明、及び2つのOEICを積層化した3次元OEIC装置を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the description of operation | movement of OEIC, and the three-dimensional OEIC apparatus which laminated | stacked two OEIC. 実施例2によるOEIC基板の製造方法を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing an OEIC substrate according to Example 2. FIG. 実施例3によるOEIC基板の製造方法を模式的に示す断面図である。6 is a cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing an OEIC substrate according to Example 3. FIG. 第1及び第2の光デバイス層に互いに発光波長が異なるLEDを形成したOEICを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically OEIC which formed LED from which an emission wavelength mutually differs in the 1st and 2nd optical device layer.

以下においては、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いて、Si(シリコン)層及び化合物半導体層からなる半導体積層構造体を形成し、Si層及び化合物半導体層にそれぞれ電子デバイス及び光デバイスを形成した光電子集積回路(OEIC)及びその製造方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該光デバイスとして発光デバイス、特に発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)を形成した場合を例に説明する。また、電子デバイスとして信号処理回路を形成した場合を例に説明する。しかしながら、上記電子デバイス及び光デバイスはこれらに限らず、種々のデバイス(素子)から適宜選択し、又は改変して適用することができる。 以下の説明において、デバイス層とは、半導体素子がその機能を果たすために含まれるべき半導体で構成される層を指す。例えば、単純なトランジスタであればn型半導体及びp型半導体のpn接合によって構成される構造層(pnp構造、npn構造等)及びMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造層などを含む。特に、電子素子、電子回路等を形成する層を電子デバイス層(又は電子素子層)という。また、受光動作又は発光動作をなす半導体構造層を光デバイス層(又は光素子層)という。さらに、p型半導体層及びn型半導体層などから構成され、入射光を光電流に変換する受光動作をなす半導体構造層を、特に、受光デバイス層という。また、p型半導体層、発光層及びn型半導体層から構成され、注入されたキャリアの再結合によって発光動作をなす半導体構造層を、特に、発光デバイス層という。また、特に、LEDの場合にはLEDデバイス層ともいう。また、透明基板等における「透明」とは、発光素子、受光素子等の光デバイスに用いられる光の波長に対して透明若しくは透光性であることを意味する。   In the following, a semiconductor stacked structure composed of a Si (silicon) layer and a compound semiconductor layer was formed using an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and an electronic device and an optical device were formed in the Si layer and the compound semiconductor layer, respectively. An optoelectronic integrated circuit (OEIC) and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the drawings. A case where a light emitting device, particularly a light emitting diode (LED) is formed as the optical device will be described as an example. An example in which a signal processing circuit is formed as an electronic device will be described. However, the electronic device and the optical device are not limited to these, and can be appropriately selected from various devices (elements) or modified and applied. In the following description, the device layer refers to a layer composed of a semiconductor to be included in order for a semiconductor element to perform its function. For example, a simple transistor includes a structure layer (pnp structure, npn structure, etc.) constituted by an n-type semiconductor and a pn junction of a p-type semiconductor, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure layer, and the like. In particular, a layer for forming an electronic element, an electronic circuit, or the like is referred to as an electronic device layer (or an electronic element layer). A semiconductor structure layer that performs a light receiving operation or a light emitting operation is referred to as an optical device layer (or an optical element layer). Furthermore, a semiconductor structure layer that includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer and performs a light receiving operation for converting incident light into a photocurrent is particularly referred to as a light receiving device layer. In addition, a semiconductor structure layer that includes a p-type semiconductor layer, a light-emitting layer, and an n-type semiconductor layer and emits light by recombination of injected carriers is particularly referred to as a light-emitting device layer. In particular, in the case of an LED, it is also referred to as an LED device layer. Further, “transparent” in a transparent substrate or the like means that it is transparent or translucent to the wavelength of light used in an optical device such as a light emitting element or a light receiving element.

また、半導体層の極性(p型、n型)、キャリア濃度、組成、層厚等は例示であり、適宜改変して適用することができる。   Moreover, the polarity (p-type, n-type), carrier concentration, composition, layer thickness, etc. of the semiconductor layer are examples, and can be applied with appropriate modifications.

なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。   In the drawings described below, substantially the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.

図1は、SOI基板を用い、Si層及び化合物半導体層を含む光電子集積回路(OEIC)を製造するための基板(以下、OEIC基板ともいう。)を製造する方法を示す断面図である。まず、図1(A)に示すように、p−Si基板11A、SiO層11B及びp−Si層(SOI層ともいう)11CからなるSOI基板11を用意する。より詳細には、p−Si基板11Aのキャリア濃度は5×1015cm−3であり、p−Si層11Cのキャリア濃度は1×1019cm−3である。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a substrate (hereinafter also referred to as an OEIC substrate) for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) including an Si layer and a compound semiconductor layer using an SOI substrate. First, as shown in FIG. 1A, an SOI substrate 11 including a p-Si substrate 11A, a SiO 2 layer 11B, and a p + -Si layer (also referred to as an SOI layer) 11C is prepared. More specifically, the carrier concentration of the p-Si substrate 11A is 5 × 10 15 cm −3 , and the carrier concentration of the p + -Si layer 11C is 1 × 10 19 cm −3 .

次に、図1(B)に示すように、SOI基板11のSi層(SOI層)11C上に、化合物半導体層から構成され、発光素子(発光デバイス)を形成するための層である発光素子形成層(以下、光デバイス層ともいう。)12を形成(成長)する。光デバイス層12は、例えば、化合物半導体バッファ層12Aを介してSi層(SOI層)11Cに格子整合する複数の化合物半導体層からなる。例えば、バッファ層12AはIII−V族化合物半導体からなるバッファ層であり、光デバイス層12は、バッファ層12A、p型クラッド(p−クラッド)層12B、発光層12C、n型クラッド(n−クラッド)層12D及びn−コンタクト層12Eからなる。なお、バッファ層12A、p−クラッド層12B、発光層12C、n−クラッド層12D及びn−コンタクト層12EはIII−V族化合物半導体層である。そして光デバイス層12上に、Si層13を形成する。上記プロセスにより、SOI基板11上に光デバイス層12を形成したデバイス層構造体14が構成される。   Next, as shown in FIG. 1B, a light-emitting element which is a layer for forming a light-emitting element (light-emitting device), which is composed of a compound semiconductor layer on the Si layer (SOI layer) 11C of the SOI substrate 11. A formation layer (hereinafter also referred to as an optical device layer) 12 is formed (grown). The optical device layer 12 includes, for example, a plurality of compound semiconductor layers lattice-matched to the Si layer (SOI layer) 11C via the compound semiconductor buffer layer 12A. For example, the buffer layer 12A is a buffer layer made of a III-V group compound semiconductor, and the optical device layer 12 includes a buffer layer 12A, a p-type cladding (p-cladding) layer 12B, a light-emitting layer 12C, an n-type cladding (n− Clad) layer 12D and n-contact layer 12E. The buffer layer 12A, the p-cladding layer 12B, the light emitting layer 12C, the n-cladding layer 12D, and the n-contact layer 12E are III-V group compound semiconductor layers. Then, the Si layer 13 is formed on the optical device layer 12. By the above process, the device layer structure 14 in which the optical device layer 12 is formed on the SOI substrate 11 is configured.

MBE(Molecular Beam Epitaxy)法により光デバイス層12の各層及びSi層13を連続的に形成する場合を例に説明する。例えば、バッファ層12Aは、Mg(マグネシウム)をp型ドーパントとしてドープした(キャリア濃度が1×1019cm−3)、層厚が10nm(ナノメートル)のp−GaPバッファ層である。また、p−クラッド層12Bは、Mgをp型ドーパントとし(キャリア濃度:5×1017cm−3)、Si層11Cに格子整合する量(例えば、2%)の窒素(N)を含む三元化合物(混晶)であるp−GaPN層(層厚:1μm(マイクロメートル))である。発光層12Cは、同様に2%の窒素(N)を含む、層厚が3nmの単一量子井戸(SQW)からなるGaAsN層(アンドープ)である。また、n−クラッド層12Dは、S(硫黄)をn型ドーパントとし(キャリア濃度:5×1017cm−3)、同様に2%の窒素(N)を含むn−GaPN層(層厚:1μm)である。また、n−コンタクト層12Eは、Sをn型ドーパントとした(キャリア濃度:5×1019cm−3)、層厚が0.1μmのn−GaP層である。なお、n−Si層13は、結晶成長後の冷却過程においてSiとIII−V−N半導体層との熱膨張係数差によって生じる応力を相殺又は緩和する作用を有する。Si層13は、薄膜で良く、例えば10nmの層厚を有する。より詳細には、後述するように、Si層13は、光デバイス層12に形成される発光素子の光を吸収によって減衰させることのない層厚とすることができる。 An example will be described in which each layer of the optical device layer 12 and the Si layer 13 are continuously formed by MBE (Molecular Beam Epitaxy). For example, the buffer layer 12A is a p-GaP buffer layer doped with Mg (magnesium) as a p-type dopant (carrier concentration is 1 × 10 19 cm −3 ) and has a layer thickness of 10 nm (nanometers). In addition, the p-cladding layer 12B uses Mg as a p-type dopant (carrier concentration: 5 × 10 17 cm −3 ) and contains nitrogen (N) in an amount lattice-matched to the Si layer 11C (for example, 2%). It is a p-GaPN layer (layer thickness: 1 μm (micrometer)) which is an original compound (mixed crystal). The light emitting layer 12C is a GaAsN layer (undoped) composed of a single quantum well (SQW) having a layer thickness of 3 nm, similarly containing 2% nitrogen (N). The n-cladding layer 12D uses S (sulfur) as an n-type dopant (carrier concentration: 5 × 10 17 cm −3 ), and similarly includes an n-GaPN layer containing 2% nitrogen (N) (layer thickness: 1 μm). Further, n + - contact layer 12E was the S and n-type dopant (carrier concentration: 5 × 10 19 cm -3) , the layer thickness is n +-GAP layer of 0.1 [mu] m. Note that the n + -Si layer 13 has an action of offsetting or mitigating stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between Si and the III-VN semiconductor layer in the cooling process after crystal growth. The Si layer 13 may be a thin film and has a layer thickness of, for example, 10 nm. More specifically, as will be described later, the Si layer 13 can have a thickness that does not attenuate the light of the light emitting element formed in the optical device layer 12 by absorption.

図1(C)に示すように、SiOやスピネルなどの透明基板21上に、例えばスパッタ法により、SiO層22を形成し、透明基板構造体23を形成する。次に、図1(D)に示すように、透明基板構造体23のSiO層22とデバイス層構造体14の最上層のSi層13とをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理、及び加圧によって接合し、デバイス層構造体14と透明基板構造体23との接合体24を形成する。すなわち、デバイス層構造体14のSOI基板11のSi基板11Aを外側にして(すなわち、Si基板11Aの表面を非接合面として)接合する。そして、透明基板構造体23のSiO層22及びデバイス層構造体14のSi層13は接合層としての機能を有している。なお、図1(D)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図1(E)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。当該研磨後のSi基板は層厚が0.5〜2μmである。なお、以下においては、説明及び理解の明確さのため、当該研磨後に残った層(Si基板の一部)をSi層11Dとして説明する。なお、研磨後、Si層11Dに洗浄、エッチング等の表面処理を行ってもよい。かかるプロセスによって、電子デバイス形成層であるSi層11D及び光デバイス層12を含むOEIC基板25が形成される。 As shown in FIG. 1C, an SiO 2 layer 22 is formed on a transparent substrate 21 such as SiO 2 or spinel by sputtering, for example, and a transparent substrate structure 23 is formed. Next, as shown in FIG. 1D, the SiO 2 layer 22 of the transparent substrate structure 23 and the uppermost Si layer 13 of the device layer structure 14 are activated by Ar (argon) plasma or the like, and Bonding is performed by pressurization to form a bonded body 24 of the device layer structure 14 and the transparent substrate structure 23. That is, bonding is performed with the Si substrate 11A of the SOI substrate 11 of the device layer structure 14 facing outside (that is, with the surface of the Si substrate 11A as a non-bonding surface). The SiO 2 layer 22 of the transparent substrate structure 23 and the Si layer 13 of the device layer structure 14 have a function as a bonding layer. Note that in FIG. 1D, the joint surface is indicated by “F” and a broken line. Thereafter, as shown in FIG. 1E, the Si substrate 11A of the SOI substrate 11 is polished. The polished Si substrate has a layer thickness of 0.5 to 2 μm. In the following, for clarity of explanation and understanding, the layer remaining after the polishing (a part of the Si substrate) will be described as the Si layer 11D. Note that after the polishing, the Si layer 11D may be subjected to a surface treatment such as cleaning and etching. By such a process, the OEIC substrate 25 including the Si layer 11D and the optical device layer 12 which are electronic device forming layers is formed.

なお、電子デバイス形成層(Si層)11Dは、SOI基板11の絶縁層(SiO層)11Bによって光デバイス形成層12との電気的分離(絶縁)が図られている。 The electronic device forming layer (Si layer) 11D is electrically separated (insulated) from the optical device forming layer 12 by the insulating layer (SiO 2 layer) 11B of the SOI substrate 11.

また、光デバイス形成層12には、LEDやLD(レーザ・ダイオード)等の発光デバイスに加え、受光デバイス、電子デバイスを形成してもよい。また、電子デバイス形成層には、電子素子や電子回路等に加え、受光デバイス等の光デバイスを形成してもよい。   In addition to the light emitting device such as LED or LD (laser diode), a light receiving device or an electronic device may be formed on the optical device forming layer 12. Further, in the electronic device forming layer, an optical device such as a light receiving device may be formed in addition to an electronic element or an electronic circuit.

なお、光デバイス層12として、SOI基板11上にGaPN結晶層を成長する場合を例に説明したが、これに限らない。すなわち、光デバイス層12として他の結晶系、例えばGaN系化合物半導体層を含むデバイス層を形成する場合にも適用することができる。   Although the case where a GaPN crystal layer is grown on the SOI substrate 11 as the optical device layer 12 has been described as an example, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can also be applied to the case where a device layer including another crystal system, for example, a GaN compound semiconductor layer, is formed as the optical device layer 12.

[OEICの形成プロセス]
以下に、OEIC基板25を用いた光電子集積回路(OEIC)の製造方法について図面を参照して詳細に説明する。まず、OEIC基板25のSi層11D、すなわちSOI基板11のSi基板11Aのうち研磨後に残ったSi層を表面として、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行う。図2(A)及び(B)に示すように、LED形成領域31Rが開口部となるようにフォトレジストをパターニングする。次に、図2(B)に示すように、Si層11Dを、例えばSF6を用いたドライエッチングにより除去し、さらに、SiO層11B(SOI基板11の絶縁層)を、例えばバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、レジストをリムーバ液等により除去する。
[OEIC formation process]
Hereinafter, a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) using the OEIC substrate 25 will be described in detail with reference to the drawings. First, resist patterning is performed by photolithography using the Si layer 11D of the OEIC substrate 25, that is, the Si layer remaining after polishing in the Si substrate 11A of the SOI substrate 11, as a surface. As shown in FIGS. 2A and 2B, the photoresist is patterned so that the LED formation region 31R becomes an opening. Next, as shown in FIG. 2B, the Si layer 11D is removed by dry etching using, for example, SF 6 , and the SiO 2 layer 11B (insulating layer of the SOI substrate 11) is further removed, for example, by buffered foot. It is removed by wet etching using acid. Thereafter, the resist is removed with a remover solution or the like.

次に、LED素子部31のアイソレーション・プロセスを行う。具体的には、図2(C)に示すように、フォトリソグラフィによりLED形成領域31Rのうち、LED素子部31以外の領域が開口部となるようにレジスト・パターニングを行う。より詳細には、Si層(SOI基板11のSOI層)11Cを、例えばSF6を用いたドライエッチングにより除去し、さらに、例えばBCl3を用いたドライエッチングにより光デバイス層12を除去し、Si層13に達する溝又は凹部(すなわち、Si層13が露出する開口部)を形成してLED素子部31を形成する。その後、レジストを除去する。 Next, an isolation process of the LED element unit 31 is performed. Specifically, as shown in FIG. 2C, resist patterning is performed by photolithography so that a region other than the LED element portion 31 in the LED forming region 31R becomes an opening. More specifically, the Si layer (SOI layer of the SOI substrate 11) 11C is removed by dry etching using, for example, SF 6, and the optical device layer 12 is further removed by dry etching using, for example, BCl 3 , and Si The LED element portion 31 is formed by forming a groove or a recess reaching the layer 13 (that is, an opening through which the Si layer 13 is exposed). Thereafter, the resist is removed.

次に、表面パッシベーションを行った後、素子形成領域のパッシベーション膜の除去を行う。具体的には、まず、上記アイソレーション・プロセス後のOEIC基板25の表面をSiO膜32Aにより被覆する。例えば、温度が550℃で、SiHガスを用いた熱CVDにより膜厚が約2μmのSiO膜32Aを形成する。次に、図2(D)に示すように、電子回路形成領域33RのSiO膜32A、及び受光素子形成領域34Rのうち受光部となる領域(受光部領域)34R1のSiO膜32Aを除去して素子領域開口部を形成する。具体的には、これら素子形成領域が開口部となるようにレジスト・パターニングを行い、SiO膜32Aをバッファードフッ酸により除去する。その後、レジストを除去する。 Next, after performing surface passivation, the passivation film in the element formation region is removed. Specifically, first, the surface of the OEIC substrate 25 after the isolation process is covered with the SiO 2 film 32A. For example, the SiO 2 film 32A having a thickness of about 2 μm is formed by thermal CVD using SiH 4 gas at a temperature of 550 ° C. Next, as shown in FIG. 2 (D), the SiO 2 film 32A of an electronic circuit forming region 33R, and the SiO 2 film 32A in the region serving as the light receiving portion of the light receiving element formation region 34R (light receiving region) 34R1 removed Thus, an element region opening is formed. Specifically, resist patterning is performed so that these element formation regions become openings, and the SiO 2 film 32A is removed with buffered hydrofluoric acid. Thereafter, the resist is removed.

次に、レジスト・パターニングを行い、例えばイオン注入によりリン(P)を注入する。より具体的には、図2(E)に示すように、受光素子形成領域34Rの受光部領域34R1のSi層11D、及び電子回路形成領域33Rのドレイン領域33D及びソース領域33Sにリンを注入する。なお、ここでは電子回路形成領域33RにMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を形成する場合を例に説明するが、一般に、トランジスタ、受動素子等からなる電子回路であって、LED素子や受光素子(センサ素子)の信号処理、駆動等に用いられる電子回路を形成する場合にも適用することができる。   Next, resist patterning is performed, and phosphorus (P) is implanted by ion implantation, for example. More specifically, as shown in FIG. 2E, phosphorus is implanted into the Si layer 11D of the light receiving portion region 34R1 of the light receiving element formation region 34R and the drain region 33D and the source region 33S of the electronic circuit formation region 33R. . Here, a case where a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is formed in the electronic circuit formation region 33R will be described as an example. However, in general, an electronic circuit including a transistor, a passive element, etc. It can also be applied to the case of forming an electronic circuit used for signal processing, driving or the like of a light receiving element (sensor element).

次に、図2(F)に示すようにウエット酸化によりOEIC基板25の電子回路形成領域33R及び受光部領域34R1のSi層表面に酸化膜(SiO膜)32Bを形成する。例えば、900℃、10min間のウエット酸化により70nmの酸化膜を形成する。 Next, as shown in FIG. 2F, an oxide film (SiO 2 film) 32B is formed on the Si layer surface of the electronic circuit formation region 33R and the light receiving portion region 34R1 of the OEIC substrate 25 by wet oxidation. For example, a 70 nm oxide film is formed by wet oxidation at 900 ° C. for 10 minutes.

その後、コンタクトホール及び電極の形成を行う。より詳細には、図2(G)に示すように、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行い、LED素子部31上のSiO膜32Aを除去するとともに、LED素子部31のn−コンタクト層12Eが接触しているSi層13の一部を露出させ、ウェットエッチングによりSiO膜32Aを除去し、n電極形成部13Aを形成する。また、このとき同時に、受光素子形成領域34Rのうちの一部である電極形成部34R2のSiO膜32Aを除去する。さらに、フォトリソグラフィによりレジスト・パターニングを行い、受光素子形成領34R域の受光部領域34R1及び電子回路形成領域33Rのドレイン領域33D及びソース領域33Sの酸化膜32Bにコンタクトホールを形成する。そして、これら領域のコンタクトホールから露出した半導体層に、例えばAl(アルミニウム)などの金属電極を形成する。かかるプロセスにより、図2(H)に示すように、LED素子31J、電子回路(MOSFET)33J、受光素子34JからなるOEIC35が形成される。より詳細には、LED素子31Jはp電極及びn電極31E、31Fを有し、電子回路33Jはソース電極、ゲート電極及びドレイン電極33E、33F、33Gを有し、受光素子34Jはp電極及びn電極34E、34Fを有している。そして、受光素子34Jは入力光Piを受光し、受光信号(受信データ)を生成する。受光素子34Jによる受信信号は、信号処理回路33Jによって信号処理が行われ、信号処理後の出力に基づいてLED素子31を発光駆動させ、光信号Poが外部に出力される。 Thereafter, contact holes and electrodes are formed. More specifically, as shown in FIG. 2G, resist patterning is performed by photolithography to remove the SiO 2 film 32A on the LED element portion 31, and the n-contact layer 12E of the LED element portion 31 A part of the Si layer 13 that is in contact is exposed, the SiO 2 film 32A is removed by wet etching, and an n-electrode forming portion 13A is formed. At the same time, the SiO 2 film 32A of the electrode forming portion 34R2, which is a part of the light receiving element forming region 34R, is removed. Further, resist patterning is performed by photolithography to form contact holes in the light receiving part region 34R1 in the light receiving element forming region 34R, the drain region 33D in the electronic circuit forming region 33R, and the oxide film 32B in the source region 33S. Then, a metal electrode such as Al (aluminum) is formed on the semiconductor layer exposed from the contact holes in these regions. By such a process, as shown in FIG. 2H, an OEIC 35 including an LED element 31J, an electronic circuit (MOSFET) 33J, and a light receiving element 34J is formed. More specifically, the LED element 31J has a p-electrode and n-electrodes 31E, 31F, the electronic circuit 33J has a source electrode, a gate electrode and drain electrodes 33E, 33F, 33G, and the light-receiving element 34J has a p-electrode and n Electrodes 34E and 34F are provided. The light receiving element 34J receives the input light Pi and generates a light reception signal (reception data). The signal received by the light receiving element 34J is subjected to signal processing by the signal processing circuit 33J, the LED element 31 is driven to emit light based on the output after the signal processing, and the optical signal Po is output to the outside.

なお、上述したように、説明及び理解の容易さのため、電子回路形成領域33RにMOSFETを形成する場合を例に説明したが、信号処理回路、駆動回路、増幅回路等、あるいはこれらを組み合わせた種々の電子回路、集積回路を形成する場合にも適用することができるのは当然である。   As described above, for ease of explanation and understanding, the case where a MOSFET is formed in the electronic circuit formation region 33R has been described as an example. However, a signal processing circuit, a drive circuit, an amplifier circuit, or the like, or a combination thereof is used. Of course, the present invention can also be applied to the formation of various electronic circuits and integrated circuits.

図3に示すように、上記したOEIC35と同様の構成を有するOEIC35−1又は35−2は外部からの入力光Piを受光し、受信データを生成する受光素子34Jと、電子回路である信号処理回路33Jと、LED素子31Jとを有している。そして、信号処理回路33Jは、受光素子34Jによる受信データの信号処理を行い、信号処理後の出力に基づいてLED素子31Jを発光駆動する。LED素子31Jからの出力信号光Poは、光吸収の殆ど無い薄膜のSi層13と、LED素子31Jからの光に対して透明なSiO層22を経て外部に放出される。すなわち、LED素子31Jから外部への光取り出し効率は極めて高い。 As shown in FIG. 3, the OEIC 35-1 or 35-2 having the same configuration as the OEIC 35 described above receives the input light Pi from the outside and generates reception data, and signal processing which is an electronic circuit. The circuit 33J and the LED element 31J are included. The signal processing circuit 33J performs signal processing on the received data by the light receiving element 34J, and drives the LED element 31J to emit light based on the output after the signal processing. The output signal light Po from the LED element 31J is emitted to the outside through the thin Si layer 13 that hardly absorbs light and the SiO 2 layer 22 that is transparent to the light from the LED element 31J. That is, the light extraction efficiency from the LED element 31J to the outside is extremely high.

さらに、図3は、2つのOEIC35−1及びOEIC35−2を積層化した3次元OEIC装置を示している。より詳細には、第1のOEIC35−1からの出力信号光Po1は、入力光Pi2として第2のOEIC35−2に入力される。第2のOEIC35−2の光素子34J2は、入力光Pi2を受光し、受信データを生成する。そして、受光素子34J2による受信信号は、第2のOEIC35−2の信号処理回路33J2によって信号処理が行われ、信号処理結果に基づいてLED素子31J2を発光駆動させ、第2のOEIC35−2から光信号Po2が外部に出力される。   Further, FIG. 3 shows a three-dimensional OEIC device in which two OEIC 35-1 and OEIC 35-2 are stacked. More specifically, the output signal light Po1 from the first OEIC 35-1 is input to the second OEIC 35-2 as the input light Pi2. The optical element 34J2 of the second OEIC 35-2 receives the input light Pi2 and generates reception data. Then, the signal received by the light receiving element 34J2 is subjected to signal processing by the signal processing circuit 33J2 of the second OEIC 35-2, and the LED element 31J2 is driven to emit light based on the signal processing result, and light is emitted from the second OEIC 35-2. The signal Po2 is output to the outside.

上記したように、本発明によれば、SOI基板上に化合物半導体デバイス層(光デバイス層)を形成し、当該光バイス層上に接合層(第1の接合層)としても機能する薄膜Si層を形成してデバイス層構造体を形成している。さらに、透明基板上に、第1の接合層と接合可能な接合層(第2の接合層)として機能するSi酸化膜等を形成している。そして、上記第1及び第2の接合層を活性化処理及び加圧によって接合し、デバイス層構造体と透明基板との接合体を形成している。さらに、当該接合体のSOI基板のSi基板(SOI基板の裏面)を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層とすることによって、電子デバイス形成層(研磨後のSi層)と光デバイス形成層(化合物半導体デバイス層)とを含むOEIC基板を形成している。   As described above, according to the present invention, a compound semiconductor device layer (optical device layer) is formed on an SOI substrate, and a thin film Si layer that also functions as a bonding layer (first bonding layer) on the optical device layer. To form a device layer structure. Further, an Si oxide film or the like that functions as a bonding layer (second bonding layer) that can be bonded to the first bonding layer is formed on the transparent substrate. And the said 1st and 2nd joining layer is joined by activation process and pressurization, and the joined body of a device layer structure and a transparent substrate is formed. Further, by polishing the Si substrate (the back surface of the SOI substrate) of the SOI substrate of the joined body to form an electronic device forming layer, an electronic device forming layer (Si layer after polishing) and an optical device are formed. An OEIC substrate including a layer (compound semiconductor device layer) is formed.

かかる構成によれば、光デバイスからの光は上記透明基板を経て外部に放出されるので、光の吸収は極めて小さく、光取り出し効率が極めて高いOEICを提供することができる。また、SOI基板のSi基板を研磨した後の薄膜を電子デバイス(Siデバイス)形成層としている。従って、高品質のSi層に電子デバイスを形成するので、高品質、高性能な電子回路、集積回路を形成することができる。また、SOI基板のSiO層を電子デバイス形成層と光デバイス形成層との絶縁(電気的分離)に利用できるので、回路設計の自由度が高い。 According to such a configuration, since light from the optical device is emitted to the outside through the transparent substrate, it is possible to provide an OEIC with extremely low light absorption and extremely high light extraction efficiency. The thin film after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as an electronic device (Si device) formation layer. Therefore, since an electronic device is formed on a high-quality Si layer, high-quality and high-performance electronic circuits and integrated circuits can be formed. In addition, since the SiO 2 layer of the SOI substrate can be used for insulation (electrical isolation) between the electronic device formation layer and the optical device formation layer, the degree of freedom in circuit design is high.

さらに、基板裏面側に容易に高出力の光を取り出せるので、かかるOEICを積層化することで3次元装置の構築が可能となる。また、このようなOEICの3次元装置においては、信号が光で伝達されるので、OEIC間に空隙を設けることができ、当該3次元OEIC装置の冷却も容易である。   Furthermore, since high output light can be easily extracted to the back side of the substrate, a three-dimensional apparatus can be constructed by stacking such OEICs. Further, in such an OEIC three-dimensional apparatus, since signals are transmitted by light, a gap can be provided between the OEICs, and the three-dimensional OEIC apparatus can be easily cooled.

図4は、SOI基板を用い、電子デバイス形成層であるSi層及び化合物半導体層(光デバイス形成層)を含むOEIC製造用基板(OEIC基板)を形成する方法を示す断面図である。まず、図4(A)に示すように、サファイア基板等の透光性基板51上に、化合物半導体である光デバイス層52を成長する。なお、以下においては、光デバイス層52として、GaN系結晶を成長する場合を例に説明するが、これに限らず、他の結晶系の化合物半導体層であってもよい。また、III−V族化合物半導体に限らず、II−VI族化合物半導体であってもよい。例えば、酸化亜鉛系結晶(ZnO系結晶、MgZnO系結晶)等の結晶系であってもよい。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method of forming an OEIC manufacturing substrate (OEIC substrate) including an Si layer as an electronic device forming layer and a compound semiconductor layer (optical device forming layer) using an SOI substrate. First, as shown in FIG. 4A, an optical device layer 52 that is a compound semiconductor is grown on a light-transmitting substrate 51 such as a sapphire substrate. In the following, a case where a GaN-based crystal is grown as the optical device layer 52 will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and another crystal-based compound semiconductor layer may be used. Moreover, not only a III-V group compound semiconductor but an II-VI group compound semiconductor may be sufficient. For example, a crystal system such as a zinc oxide crystal (ZnO crystal, MgZnO crystal) may be used.

まず、サファイア基板51上に、n−GaNバッファ層52Aを成長し、バッファ層52A上に、n−クラッド層52B、発光層52C、p−クラッド層52Dを順次成長する。次に、p−クラッド層52D上に、p−電極53を形成する。例えば、蒸着又はスパッタなどにより、ITO膜(インジウム・スズ酸化膜)などの透明電極やAg(銀)膜などの反射電極によりp−電極53を形成する。次に、p−電極53上に、SiOなどの絶縁層54を形成する。かかるプロセスにより、サファイア基板51上に光デバイス層52を形成した光デバイス層構造体55が形成される。 First, an n-GaN buffer layer 52A is grown on the sapphire substrate 51, and an n-cladding layer 52B, a light emitting layer 52C, and a p-cladding layer 52D are sequentially grown on the buffer layer 52A. Next, a p-electrode 53 is formed on the p-cladding layer 52D. For example, the p-electrode 53 is formed by a transparent electrode such as an ITO film (indium tin oxide film) or a reflective electrode such as an Ag (silver) film by vapor deposition or sputtering. Next, an insulating layer 54 such as SiO 2 is formed on the p-electrode 53. By this process, an optical device layer structure 55 in which the optical device layer 52 is formed on the sapphire substrate 51 is formed.

例えば、バッファ層52Aは層厚が25nm(ナノメートル)の低温成長GaNバッファ層である。また、n−クラッド層52Bは、Si(シリコン)をn型ドーパントとした(キャリア濃度:1.8×1018cm−3)、n−GaN層(層厚:3.5μm(マイクロメートル))である。発光層52Cは、例えば、量子井戸(QW)からなる量子井戸発光層である。例えば、井戸層の組成がIn0.25Ga0.75N(層厚:2.2nm)、障壁層の組成がGaN(層厚:15nm)であり、5周期構造の多重量子井戸(MQW)である。また、p−クラッド層52Dは、Mgをp型ドーパントとした(キャリア濃度:3×1017cm−3)、p−GaN層(層厚:150nm)である。なお、これらの層以外に、コンタクト層、電子や正孔の障壁層(ストッパ層)などを適宜設けてもよい。 For example, the buffer layer 52A is a low-temperature grown GaN buffer layer having a layer thickness of 25 nm (nanometers). The n-cladding layer 52B uses Si (silicon) as an n-type dopant (carrier concentration: 1.8 × 10 18 cm −3 ), n-GaN layer (layer thickness: 3.5 μm (micrometer)). It is. The light emitting layer 52C is a quantum well light emitting layer made of, for example, a quantum well (QW). For example, the composition of the well layer is In 0.25 Ga 0.75 N (layer thickness: 2.2 nm), the composition of the barrier layer is GaN (layer thickness: 15 nm), and the multi-quantum well (MQW) has a five-period structure. It is. The p-cladding layer 52D is a p-GaN layer (layer thickness: 150 nm) using Mg as a p-type dopant (carrier concentration: 3 × 10 17 cm −3 ). In addition to these layers, a contact layer, an electron or hole barrier layer (stopper layer), or the like may be provided as appropriate.

図4(B)に示すように、SOI基板11を用意する。SOI基板11は、例えば、p−Si基板11A、SiO層11B及びp−Si層(SOI層ともいう)11Cからなる。より詳細には、例えば、p−Si基板11Aのキャリア濃度は1×1019cm−3であり、p−Si層11Cのキャリア濃度は1×1019cm−3である。 As shown in FIG. 4B, an SOI substrate 11 is prepared. The SOI substrate 11 includes, for example, a p-Si substrate 11A, a SiO 2 layer 11B, and a p + -Si layer (also referred to as an SOI layer) 11C. More specifically, for example, the carrier concentration of the p-Si substrate 11A is 1 × 10 19 cm −3 , and the carrier concentration of the p + -Si layer 11C is 1 × 10 19 cm −3 .

次に、図4(C)に示すように、光デバイス層構造体55の絶縁層54とSOI基板11の最上層のSi層(SOI層)11CとをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理及び加圧によって接合し、光デバイス層構造体55とSOI基板11との接合体57を形成する。すなわち、光デバイス層構造体55の絶縁層54及びSi層11Cは接合層としての機能を有している。なお、図4(C)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図4(D)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。当該研磨後のSi基板は層厚が0.5〜2μmであればよい。なお、上記したように、説明及び理解の明確さのため、当該研磨後に残った層(SOI基板11のSi基板の一部)をSi層11Dとして説明する。かかるプロセスによって、電子デバイス形成層であるSi層11D及び光デバイス層52を含むOEIC基板58が形成される。なお、光デバイス形成層52には、LEDやLD(レーザ・ダイオード)等の発光デバイスに加え、受光デバイスや電子デバイスを形成してもよい。また、電子デバイス形成層には、電子素子や電子回路等に加え、受光デバイス等の光デバイスを形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 4C, the insulating layer 54 of the optical device layer structure 55 and the uppermost Si layer (SOI layer) 11C of the SOI substrate 11 are activated by Ar (argon) plasma or the like. And it joins by pressurization and the joined body 57 of the optical device layer structure 55 and the SOI substrate 11 is formed. That is, the insulating layer 54 and the Si layer 11C of the optical device layer structure 55 have a function as a bonding layer. In FIG. 4C, the joint surface is indicated by “F” and a broken line. Thereafter, as shown in FIG. 4D, the Si substrate 11A of the SOI substrate 11 is polished. The Si substrate after the polishing may have a layer thickness of 0.5 to 2 μm. As described above, the layer remaining after the polishing (a part of the Si substrate of the SOI substrate 11) will be described as the Si layer 11D for clarity of explanation and understanding. By such a process, the OEIC substrate 58 including the Si layer 11D as the electronic device forming layer and the optical device layer 52 is formed. In addition to the light emitting device such as LED or LD (laser diode), a light receiving device or an electronic device may be formed on the optical device forming layer 52. Further, in the electronic device forming layer, an optical device such as a light receiving device may be formed in addition to an electronic element or an electronic circuit.

なお、光デバイス層52として、SOI基板11上にGaN系結晶層を成長する場合を例に説明したが、これに限らない。すなわち、光デバイス層52として他の結晶系の半導体層を形成してもよい。   Although the case where a GaN-based crystal layer is grown on the SOI substrate 11 as the optical device layer 52 has been described as an example, the present invention is not limited to this. That is, another crystalline semiconductor layer may be formed as the optical device layer 52.

本実施例によるOEIC基板58を用い、上記実施例1において詳細に説明した方法と同様にして、光電子集積回路(OEIC)を製造することができる。すなわち、光デバイス層12を光デバイス層52として実施例1における製造方法を適用することによってOEICを製造することができる。   Using the OEIC substrate 58 according to the present embodiment, an optoelectronic integrated circuit (OEIC) can be manufactured in the same manner as described in detail in the first embodiment. That is, the OEIC can be manufactured by applying the manufacturing method according to the first embodiment using the optical device layer 12 as the optical device layer 52.

上記したように、本発明によれば、サファイア基板等の透光性基板上に、光デバイス層52を成長し、当該光バイス層上に接合層(第1の接合層)として機能する絶縁層(Si酸化膜)を形成して光デバイス層構造体を形成している。つまり、SOI基板のSi(SOI)層(第2の接合層)と接合可能な接合層として機能するSi酸化膜等を形成している。そして、当該光デバイス層構造体のSi酸化膜(第1の接合層)とSOI基板のSi層(第2の接合層)とを活性化処理及び加圧によって接合し、透光性基板上に光デバイス層が形成された光デバイス層構造体とSOI基板との接合体を形成している。さらに、当該接合体のSOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層とすることによって、電子デバイス形成層(研磨後のSi層)と光デバイス形成層(化合物半導体デバイス層)とを含むOEIC基板を形成している。   As described above, according to the present invention, the optical device layer 52 is grown on a light-transmitting substrate such as a sapphire substrate, and the insulating layer functions as a bonding layer (first bonding layer) on the optical device layer. (Si oxide film) is formed to form an optical device layer structure. That is, a Si oxide film or the like that functions as a bonding layer that can be bonded to the Si (SOI) layer (second bonding layer) of the SOI substrate is formed. Then, the Si oxide film (first bonding layer) of the optical device layer structure and the Si layer (second bonding layer) of the SOI substrate are bonded by activation treatment and pressurization, and on the light-transmitting substrate. A joined body of the optical device layer structure on which the optical device layer is formed and the SOI substrate is formed. Further, by polishing the Si substrate of the SOI substrate of the joined body to be an electronic device forming layer, an electronic device forming layer (Si layer after polishing) and an optical device forming layer (compound semiconductor device layer) OEIC substrate including

かかる構成によれば、光デバイスからの光は上記透光性基板を経て外部に放出されるので、光の吸収は極めて小さく、光取り出し効率が極めて高いOEICを提供することができる。また、SOI基板のSi基板を研磨した後の薄膜を電子デバイス形成層として、高品質のSi層に電子デバイスを形成するので、高品質、高性能な電子回路、集積回路を形成することができる。また、SOI基板のSiO層を電子デバイス形成層と光デバイス形成層との絶縁に利用できる。 According to such a configuration, since light from the optical device is emitted to the outside through the light-transmitting substrate, it is possible to provide an OEIC with extremely low light absorption and extremely high light extraction efficiency. In addition, since the thin film after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as the electronic device forming layer and the electronic device is formed on the high-quality Si layer, high-quality and high-performance electronic circuits and integrated circuits can be formed. . Further, the SiO 2 layer of the SOI substrate can be used for insulation between the electronic device forming layer and the optical device forming layer.

また、基板裏面側に容易に高出力の光を取り出せるので、かかるOEICを積層化することで3次元装置の構築が可能となる。また、このようなOEICの3次元装置においては、信号が光で伝達されるので、OEIC間に空隙を設けることができ、当該3次元OEIC装置の冷却も容易である。   In addition, since high-output light can be easily extracted to the back side of the substrate, it is possible to construct a three-dimensional apparatus by stacking such OEICs. Further, in such an OEIC three-dimensional apparatus, since signals are transmitted by light, a gap can be provided between the OEICs, and the three-dimensional OEIC apparatus can be easily cooled.

上記した実施例2においては、透光性基板上に光デバイス形成層を成長した光デバイス層構造体とSOI基板とを接合し、SOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層として、光デバイス形成層及び電子デバイス形成層を有するOEIC基板を形成する。   In Example 2 described above, the optical device layer structure in which the optical device forming layer is grown on the light-transmitting substrate and the SOI substrate are bonded together, and the Si substrate remaining after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as the electronic device. An OEIC substrate having an optical device formation layer and an electronic device formation layer is formed as the formation layer.

本実施例においては、サファイア基板等の透光性基板上に第1の光デバイス形成層を成長した第1の光デバイス層構造体と、SOI基板(SOI層)上に第2の光デバイス形成層を形成する。そして、第1及び第2の光デバイス層構造体を接合し、SOI基板のSi基板を研磨して残ったSi層を電子デバイス形成層としている。本実施例によれば、電子デバイス形成層及び2つの光デバイス形成層を有するOEIC基板を形成することができる。   In this embodiment, a first optical device layer structure in which a first optical device formation layer is grown on a translucent substrate such as a sapphire substrate, and a second optical device formation on an SOI substrate (SOI layer). Form a layer. Then, the first and second optical device layer structures are joined, and the Si layer remaining after polishing the Si substrate of the SOI substrate is used as an electronic device forming layer. According to this embodiment, an OEIC substrate having an electronic device forming layer and two optical device forming layers can be formed.

図5は、SOI基板を用い、電子デバイス形成層であるSi層及び化合物半導体層(光デバイス形成層)を含むOEIC製造用基板(OEIC基板)を形成する方法を示す断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for forming an OEIC manufacturing substrate (OEIC substrate) including an Si layer as an electronic device forming layer and a compound semiconductor layer (optical device forming layer) using an SOI substrate.

まず、図5(A)に示すように、サファイア基板等の透光性基板61上に、化合物半導体である光デバイス層62を成長する。なお、以下においては、透光性基板としてサファイア基板を、光デバイス層62としてGaN系結晶を成長する場合を例に説明するが、これに限らない。例えば、他の結晶系の化合物半導体層であってもよい。また、III−V族化合物半導体に限らず、II−VI族化合物半導体であってもよい。   First, as shown in FIG. 5A, an optical device layer 62 that is a compound semiconductor is grown on a translucent substrate 61 such as a sapphire substrate. In the following, a case where a sapphire substrate is grown as the light-transmitting substrate and a GaN-based crystal is grown as the optical device layer 62 will be described as an example. For example, other crystalline compound semiconductor layers may be used. Moreover, not only a III-V group compound semiconductor but an II-VI group compound semiconductor may be sufficient.

例えば、光デバイス層62は、GaN系化合物半導体層からなり、n−クラッド層、発光層及びp−クラッド層を有する。さらに、サファイア基板61上にバッファ層を形成してもよく、あるいは、光デバイス層62は、コンタクト層、電流拡散層、電子・正孔の障壁層などを有していても良い。また、発光層は、いわゆるバルク構造のDH構造、あるいは単一/多重量子井戸(SQW/MQW)構造で形成されていてもよい。次に、光デバイス層62上に、p−電極63を形成する。例えば、蒸着又はスパッタなどにより、ITO膜(インジウム・スズ酸化膜)などの透明電極を形成する。次に、p−電極(透明電極)63上に、絶縁層64を形成する。なお、絶縁層64は、接合層としての機能も有する。かかるプロセスにより、サファイア基板61上に(第1の)光デバイス層62を形成した光デバイス層構造体67が形成される。   For example, the optical device layer 62 is made of a GaN-based compound semiconductor layer and has an n-cladding layer, a light emitting layer, and a p-cladding layer. Further, a buffer layer may be formed on the sapphire substrate 61, or the optical device layer 62 may have a contact layer, a current diffusion layer, an electron / hole barrier layer, and the like. The light emitting layer may be formed of a so-called bulk DH structure or a single / multiple quantum well (SQW / MQW) structure. Next, the p-electrode 63 is formed on the optical device layer 62. For example, a transparent electrode such as an ITO film (indium tin oxide film) is formed by vapor deposition or sputtering. Next, an insulating layer 64 is formed on the p-electrode (transparent electrode) 63. Note that the insulating layer 64 also has a function as a bonding layer. By this process, an optical device layer structure 67 in which the (first) optical device layer 62 is formed on the sapphire substrate 61 is formed.

次に、図5(B)に示すように、SOI基板11のSi層(SOI層)11C上に、化合物半導体層から構成された光デバイス形成層72を形成(成長)する。SOI基板11は、例えば、p−Si基板11A、SiO層11B及びp−Si層(SOI層ともいう)11Cからなる。 Next, as shown in FIG. 5B, an optical device forming layer 72 composed of a compound semiconductor layer is formed (grown) on the Si layer (SOI layer) 11C of the SOI substrate 11. The SOI substrate 11 includes, for example, a p-Si substrate 11A, a SiO 2 layer 11B, and a p + -Si layer (also referred to as an SOI layer) 11C.

光デバイス層72は、化合物半導体バッファ層を介してSi層(SOI層)11Cに格子整合する複数の化合物半導体層からなる。例えば、実施例1において説明した、Si層11Cに格子整合する量の窒素(N)を含む三元化合物(混晶)であるp−GaPN層である。光デバイス層構造体67と同様に、光デバイス層72は、コンタクト層、電流拡散層、電子・正孔の障壁層などを有していても良い。また、発光層は、バルク構造のDH構造、あるいは単一/多重量子井戸(SQW/MQW)構造で形成されていてもよい。   The optical device layer 72 is composed of a plurality of compound semiconductor layers lattice-matched to the Si layer (SOI layer) 11C through the compound semiconductor buffer layer. For example, the p-GaPN layer which is the ternary compound (mixed crystal) containing nitrogen (N) in an amount lattice-matched to the Si layer 11C described in the first embodiment. Similar to the optical device layer structure 67, the optical device layer 72 may include a contact layer, a current diffusion layer, an electron / hole barrier layer, and the like. The light emitting layer may be formed of a bulk DH structure or a single / multiple quantum well (SQW / MQW) structure.

次に、光デバイス層72上に、Si層73を形成する。上記プロセスにより、SOI基板11上に(第2の)光デバイス層72を形成した(電子/光)デバイス層構造体75が構成される。   Next, an Si layer 73 is formed on the optical device layer 72. By the above process, the (electronic / optical) device layer structure 75 in which the (second) optical device layer 72 is formed on the SOI substrate 11 is configured.

次に、図5(C)に示すように、光デバイス層構造体67の絶縁層64とデバイス層構造体75のSi層73とをAr(アルゴン)プラズマなどによる活性化処理、及び加圧によって接合し、接合体76を形成する。すなわち、光デバイス層構造体67の絶縁層64及びデバイス層構造体75のSi層73は接合層としての機能を有している。なお、図5(C)において、当該接合面を“F”及び破線で示している。その後、図5(D)に示すように、SOI基板11のSi基板11Aを研磨する。研磨後のSi基板の層厚、すなわち研磨後に残った層(Si基板の一部)であるSi層11Dの層厚は、0.5〜2μmである。かかるプロセスによって、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72と、電子デバイス形成層11Dを有するOEIC基板78が形成される。ここで、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72に形成される発光素子の波長を異ならせることによって、2波長の発光素子を有するOEICを形成することができる。上記したように、例えば、光デバイス層62を、例えばGaN系化合物半導体層とし、青色発光LEDを形成し、デバイス層72を、例えばIII−V−N半導体層(GaPN半導体層)とし、赤色発光LEDを形成するようにできる。   Next, as shown in FIG. 5C, the insulating layer 64 of the optical device layer structure 67 and the Si layer 73 of the device layer structure 75 are activated by Ar (argon) plasma or the like and pressurized. The bonded body 76 is formed by bonding. That is, the insulating layer 64 of the optical device layer structure 67 and the Si layer 73 of the device layer structure 75 have a function as a bonding layer. In FIG. 5C, the joint surface is indicated by “F” and a broken line. Thereafter, as shown in FIG. 5D, the Si substrate 11A of the SOI substrate 11 is polished. The layer thickness of the Si substrate after polishing, that is, the layer thickness of the Si layer 11D that is a layer remaining after polishing (a part of the Si substrate) is 0.5 to 2 μm. By such a process, the OEIC substrate 78 having the first optical device layer 62 and the second optical device layer 72 and the electronic device forming layer 11D is formed. Here, by changing the wavelengths of the light emitting elements formed in the first optical device layer 62 and the second optical device layer 72, an OEIC having a light emitting element of two wavelengths can be formed. As described above, for example, the optical device layer 62 is made of, for example, a GaN-based compound semiconductor layer to form a blue light emitting LED, and the device layer 72 is made of, for example, a III-VN semiconductor layer (GaPN semiconductor layer) to emit red light. An LED can be formed.

図6は、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72に互いに異なる発光波長のLED31K1,31K2を形成したOEICを示している。例えば、LED31K1は活性層72Aを有する赤色発光LED(λ1)であり、LED31K2活性層62Aを有する青色発光LED(λ2)である。なお、当該2つのLED31K1,31K2の形成プロセスは実施例1の場合(図2(A)〜(H))と同様にして行うことができる。例えば、第1の光デバイス層62及び第2の光デバイス層72を素子分離し、電極を形成すればよい。より詳細には、例えば、第1の光デバイス層62のn−コンタクト層及びp−クラッド層(又はp−コンタクト層)に達する溝を形成し、これらの層に接続された電極31P,31Qを形成してLED31K1を形成し、第2の光デバイス層72のp−コンタクト層及びn−クラッド層(又はn−コンタクト層)に達する溝を形成し、これらの層に接続された電極31R,31Sを形成してLED31K2を形成することができる。なお、当該異なる発光波長の2つのLEDを形成する方法はこれに限らず、種々の形成方法を適用することができる。   FIG. 6 shows an OEIC in which LEDs 31K1 and 31K2 having different emission wavelengths are formed on the first optical device layer 62 and the second optical device layer 72, respectively. For example, the LED 31K1 is a red light emitting LED (λ1) having an active layer 72A and a blue light emitting LED (λ2) having an LED 31K2 active layer 62A. The formation process of the two LEDs 31K1 and 31K2 can be performed in the same manner as in the case of the first embodiment (FIGS. 2A to 2H). For example, the first optical device layer 62 and the second optical device layer 72 may be separated to form electrodes. More specifically, for example, grooves reaching the n-contact layer and the p-cladding layer (or p-contact layer) of the first optical device layer 62 are formed, and the electrodes 31P and 31Q connected to these layers are formed. The LED 31K1 is formed to form a groove reaching the p-contact layer and the n-cladding layer (or n-contact layer) of the second optical device layer 72, and electrodes 31R and 31S connected to these layers. The LED 31K2 can be formed. The method for forming the two LEDs having different emission wavelengths is not limited to this, and various forming methods can be applied.

本実施例によれば、上記した実施例1及び2の効果に加え、それぞれが電気的に分離された電子デバイス形成層及び複数の光デバイス形成層を有するデバイス層構造体を形成できる。従って、上記したように、例えば2色(赤色及び青色)の発光素子を含むOEICを形成することができる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the first and second embodiments, a device layer structure having an electronic device forming layer and a plurality of optical device forming layers that are electrically separated from each other can be formed. Therefore, as described above, for example, an OEIC including light emitting elements of two colors (red and blue) can be formed.

なお、上記した実施例は適宜組み合わせ、又は改変して適用することができる。また、上記した数値等は例示に過ぎない。   The above-described embodiments can be applied by appropriately combining or modifying them. Moreover, the above numerical values are merely examples.

11 SOI基板
11A Si基板
11C SOI層
11D 電子デバイス形成層
12,52,62,72 光デバイス形成層
21 透明基板
25,58,78 OEIC基板
35,35−1,35−2,79 光電子集積回路(OEIC)
11 SOI substrate 11A Si substrate 11C SOI layer 11D Electronic device formation layer 12, 52, 62, 72 Optical device formation layer 21 Transparent substrate 25, 58, 78 OEIC substrate 35, 35-1, 35-2, 79 Optoelectronic integrated circuit ( OEIC)

Claims (7)

光素子及び電子素子をそれぞれ形成するための光素子形成層及び電子素子形成層を有する光電子集積回路(OEIC)用基板の製造方法であって、
透明基板及びSOI基板を用意するステップと、
前記透明基板及び前記SOI基板のうち1の基板上に前記光素子形成層を形成して光素子層構造体を形成する光素子層形成ステップと、
前記透明基板及び前記SOI基板のうち前記1の基板とは異なる他の基板と前記光素子層構造体とを前記SOI基板のSi基板を外側にして接合して接合体を形成する接合ステップと、
前記接合体の前記Si基板を研磨して前記電子素子形成層を形成する電子素子層形成ステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
A method for manufacturing a substrate for an optoelectronic integrated circuit (OEIC) having an optical element formation layer and an electronic element formation layer for forming an optical element and an electronic element, respectively.
Providing a transparent substrate and an SOI substrate;
An optical element layer forming step of forming the optical element formation layer on one of the transparent substrate and the SOI substrate to form an optical element layer structure;
A bonding step of bonding another substrate different from the first substrate among the transparent substrate and the SOI substrate and the optical element layer structure with a Si substrate of the SOI substrate facing outside to form a bonded body;
An electronic element layer forming step of polishing the Si substrate of the joined body to form the electronic element forming layer;
The manufacturing method characterized by having.
前記光素子形成層は前記SOI基板上に形成され、かつ前記光素子形成層上には第1の接合層が形成され、
前記透明基板上には前記第1の接合層と接合し得る第2の接合層が形成され、前記第1の接合層及び前記第2の接合層を接合して前記接合体を形成することを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
The optical element formation layer is formed on the SOI substrate, and a first bonding layer is formed on the optical element formation layer,
A second bonding layer that can be bonded to the first bonding layer is formed on the transparent substrate, and the bonded body is formed by bonding the first bonding layer and the second bonding layer. The manufacturing method of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
前記光素子形成層は前記透明基板上に形成され、かつ前記光素子形成層上には前記SOI基板のSOI層と接合し得る接合層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。   2. The optical element forming layer is formed on the transparent substrate, and a bonding layer that can be bonded to an SOI layer of the SOI substrate is formed on the optical element forming layer. Manufacturing method. 前記光素子層形成ステップは、前記透明基板及び前記SOI基板上にそれぞれ第1及び第2の光素子形成層を形成し、
前記第1及び第2の光素子形成層は互いに異なる第1及び第2の発光波長を有する発光層を有し、
前記第1及び第2の素子形成層上に互いに接合し得る第1及び第2の接合層が形成されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
The optical element layer forming step includes forming first and second optical element formation layers on the transparent substrate and the SOI substrate,
The first and second optical element formation layers have light emitting layers having first and second emission wavelengths different from each other,
The manufacturing method according to claim 1, wherein first and second bonding layers that can be bonded to each other are formed on the first and second element formation layers.
請求項2の方法により製造された光電子集積回路(OEIC)用基板を用いたOEICの製造方法であって、
前記電子素子形成層から前記第1の接合層に達する溝を形成して発光素子を形成し、前記溝から露出する前記第1の接合層に前記発光素子の電極を形成する電極形成ステップと、
前記電子素子形成層に電子素子を形成する電子素子形成ステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
An OEIC manufacturing method using an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate manufactured by the method of claim 2, comprising:
An electrode forming step of forming a light emitting element by forming a groove reaching the first bonding layer from the electronic element forming layer, and forming an electrode of the light emitting element in the first bonding layer exposed from the groove;
An electronic element forming step of forming an electronic element in the electronic element forming layer;
The manufacturing method characterized by having.
請求項1ないし4のいずれか1の方法により製造された光電子集積回路(OEIC)用基板を用いたOEICであって、
前記電子素子形成層に形成され、入力光信号に応じた受光信号を生成する受光素子と、
前記電子素子形成層に形成され、前記受光信号に基づいて駆動信号を生成する電子回路と、
前記光素子形成層に形成され、前記駆動信号に応じた出力信号光を放出する発光素子と、を有することを特徴とするOEIC。
An OEIC using an optoelectronic integrated circuit (OEIC) substrate manufactured by the method according to claim 1,
A light receiving element that is formed in the electronic element forming layer and generates a light receiving signal according to an input optical signal;
An electronic circuit formed in the electronic element formation layer and generating a drive signal based on the received light signal;
An OEIC comprising: a light emitting element that is formed in the optical element formation layer and emits output signal light corresponding to the drive signal.
前記受光素子は前記OEICの表面側に入力された光信号を受光し、前記発光素子は前記OEICの裏面側から出力信号光を放出することを特徴とする請求項6に記載のOEIC。   The OEIC according to claim 6, wherein the light receiving element receives an optical signal input to a front side of the OEIC, and the light emitting element emits an output signal light from a back side of the OEIC.
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