JP2012074632A

JP2012074632A - 半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2012074632A
Application number: JP2010219985A
Authority: JP
Inventors: Zuisen Ezaki; 瑞仙江崎; Yuichi Yamazaki; 雄一山崎; Tadashi Sakai; 忠司酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: JP5740125B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、電流駆動できる小型且つ製造工程が簡便な半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明による発光素子は、半導体基板上に、発光素子を構成する半導体発光層および誘電体層、カーボンナノチューブ乃至はグラフェン層が形成され、前記半導体及び誘電体層上にはカーボンナノチューブ乃至はグラフェン層が形成されていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光配線等に用いる半導体発光素子およびその製造方法に関する。

近年のＬＳＩの高集積化に伴い、ＬＳＩ内部の回路の微細化が進んでいる。この微細化により、配線断面積は減少し、隣接する配線間の距離が狭くなる。従って、ＬＳＩ内部の配線抵抗が増大し、配線間の容量が増大する。その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延時間が増大し、更なるＬＳＩの高速化が困難となってくる。このようなＬＳＩの高集積化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、光配線技術が注目されている。光配線技術は、光導波路を用いて光信号を伝送する方式であり、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待できる。このような光配線を用いて信号伝送を行うＬＳＩとして、光電気混載ＬＳＩが提案されている。光電気混載ＬＳＩとは、各機能ブロックによる信号処理は電気で行われ、これらの機能ブロック間は光信号で伝送する方式を用いたＬＳＩである。このような光電気混載ＬＳＩにおいては、信号処理が行われた電気信号を光信号に変換する素子、すなわち発光素子が必要である。発光素子の集積形態としては、光導波路の上部にウェハ接合によりレーザ構造が形成されたもの（非特許文献１）、光導波路とレーザ構造が有機膜を介して接着されたもの（非特許文献２）、基板であるSi上に直接搭載されたもの（特許文献１）がある。非特許文献１に記載の構造はレーザ構造下部に空気層を有するため、レーザ部で発生した熱を効率よく放熱することが難しく、良好な温度特性が得られていない。また、非特許文献２に記載の構造は有機膜上にレーザ素子が形成されているため、放熱性が悪く、良好な温度特性が得られない。また従来型のこれらの素子ではＬＳＩチップに集積化するにはサイズが大きく、小型化が必要となる。現在、情報通信の急速な進展に伴い大規模集積化に向けて、光配線のＬＳＩ内への導入に向けて素子の小型化の検討が進められている。従来の屈折率差を利用して光閉じ込めを行う光導波路技術を改善する方法として、ポラリトン導波路の応用が提案されている（非特許文献１）。これは金属と誘電体との界面に局在しながら界面を伝搬する波動を利用するもので、従来の金属反射を利用する中空導波路とは原理的に異なる。表面を伝搬する波動は、電磁波の一種であり、表面プラズモンポラリトン（ S u r f a c e P l a s m o n P o l a r i t o n :ＳＰＰ）波と呼ばれる。負の誘電率側の材料として金属あるいは半導体を用いたポラリトン導波路では、可視光、通信波長帯への適用が可能であるが、伝搬損失が大きく効率があまり高くないという問題があった。近年、ＣｄＳ半導体のナノロッド構造を誘電体膜／金属Ａｇ膜上に形成することにより、ＳＰＰ波を誘電体の界面に発生、ＣｄＳ半導体のナノロッド構造の光導波モードとのハイブリッド化により伝搬損失を低くし、光励起のレーザ発振に成功した。しかしながら、従来型レーザと同様に素子構造の放熱性が悪く、極低温（４Ｋ）での発振に留まり、また電流駆動方式は難しく、実用化、量産化には適さない素子構造であり、大幅な改善が望まれる。

特許第３３９１５２１号公報

Optics Express, Vol. 14, Issue 20, pp. 9203-9210 Optics Express, Vol. 14, Issue 18, pp. 8154-8159

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、電流駆動できる小型且つ製造工程が簡便な半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明による発光素子は、半導体基板上に、発光素子を構成する半導体発光層および誘電体層、カーボンナノチューブ乃至はグラフェン層が形成され、前記半導体及び誘電体層上にはカーボンナノチューブ乃至はグラフェン層が形成されていることを特徴とするものである。また半導体発光層上に電流注入部を有し、前記半導体の発光により誘電体層とカーボンナノチューブ乃至はグラフェン層の界面に表面プラズモンポラリトンを発生させることを特徴とするものである。さらに本発明による発光素子の製造方法においては、半導体基板上に形成された、半導体発光素子を基板上に接着する工程と、前記発光半導体基板を剥離する工程と、上記エピタキシャル成長層の一部を除去する工程と、誘電体層で覆う工程と、半導体発光層に光導波路構造および電流注入部を形成する工程と、カーボンナノチューブ乃至はグラフェン層を形成する工程とを有することを特徴とするものである。もう少し具体的に説明すると、半導体発光素子の製造方法は、半導体基板上にエピタキシャル成長層を形成して半導体発光層を形成する工程と、前記半導体基板を剥離する工程と、前記エピタキシャル成長層の一部を除去する工程と、前記エピタキシャル成長層を誘電体層で覆う工程と、前記半導体発光層に光導波路構造および電流注入部を形成する工程と、前記半導体発光層上にカーボンナノチューブ或いはグラフェンの層を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の実施例１を説明する図。本発明の実施例２を説明する図。本発明の実施例１および２を説明する図。

以下に、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、種々工夫して用いることが可能である。

（第１の実施形態）
図１は本発明の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。Si基板上に下から順にp型コンタクト層、InAlAsクラッド層、InAlAs/InGaAs多重量子井戸層、InAlAsクラッド層、n型InGaAsコンタクト層、InAlAsクラッド層、InGaAsガイド層からなる化合物半導体レーザ部、SiO₂からなる誘電体層が形成されている。レーザ部にはp型およびn型オーミック電極が形成されている。SiO₂層の上にはカーボンナノチューブ(CNT)が形成されている。

半導体発光層は、ガリウム砒素（GaAs）基板を用いて，有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により必要な積層構造を形成した。n-GaAs基板上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を積層した。活性層の多重量子井戸構造からのPL（Photo-Luminescence）ピーク波長が赤色の波長、約６５０ｎｍになるように調整した。その後、Ｓｉ基板上にＭＯＣＶＤ積層ウェハを貼り合わせ、エッチングによりn-ＧａＡｓ基板部分を除去した。その後、リッジ導波路構造をドライエッチングにより形成した後、誘電体膜、ＳｉＯ２膜を厚さ３〜５ｎｍで成膜した。電極部分については誘電体膜を除去し、p型およびn型オーミック電極がそれぞれ形成した。その後、ＣＮＴの作製は、以下の手順により行われた。はじめに下地層の側壁面に触媒となる金属(Co, Fe, Ni等)を堆積した後、斜めミリングで不要部分の触媒/下地層を除去した。その後、プラズマCVD法によりＣＮＴが触媒/下地層に選択成長され、横方向に長さ約１０μｍのＣＮＴが、直径1-100nm、アスペクト比10以上のナノロッドが空間充填率５０％以上で形成された（図３参照）。

このようにして作製された発光素子は、誘電体層とＣＮＴの界面に表面プラズモンポラリトンが発生、光波長以下に光が閉じ込められ且つ高強度の電界強度が得られることで、従来難しかった電流駆動方式で波長６５０ｎｍでの室温発振が得られた。発光素子がSi基板上に形成されているため放熱性に優れ、室温動作が可能となった。これにより、発光素子と導波路を一体化した高効率低消費エネルギーの光配線デバイスの実現が期待できる。

本実施例では、半導体発光層の活性層として、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いて説明したが、それに限らず、ＧａＩｎＡｓ(Ｎ)系、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＮ系など、様々な材料を用いることもできる。クラッド層も、同様に様々な材料を用いることもできる。また、所望の形状として、本実施例では、主に円筒形状のＣＮＴを用いて説明を行ったが、正方形、長方形、楕円などの形状においても同様に本発明の効果があることは明らかである。下地層の形状としては、ＣＮＴ束と下面の誘電体層との接触面積を小さくしかつCNT密度を多くできる点で縦長の長方形や逆メサ構造が好適である。ＣＮＴの成長には、ここではプラズマCVD法を用いたが、熱ＣＶＤ法でも良い。熱またはプラズマCVD法が成長箇所選択性、成長温度範囲、量産性等の観点から望ましい。またＣＮＴ束と下面の誘電体層との接触面積を小さくしかつＣＮＴ密度を多くするためには、下地層の形状としては縦長の長方形や逆メサ等が望ましい。またＣＮＴを作製する方法としては、選択的にCNT束を成長させた後に溶液浸漬によりＣＮＴ束を倒す方法がある。選択成長領域を円形にしておけば溶液浸漬後円柱状ＣＮＴ束となり、最小の面積で誘電体面と接触させることができる。溶液としては、ＣＮＴへのダメージを考慮して水、アルコール等が好ましい。また誘電体として、ここではＳｉＯ２膜を用いたが、それ以外のＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＭｇＦ２などの材料を用いても同様の効果が得られることは明らかである。

本発明によれば、Ｓｉ基板上に半導体発光層（III-V）を配置、半導体発光層上に電流注入部を有し、前記半導体の発光により誘電体層とカーボンナノチューブ乃至はグラフェン層の界面に表面プラズモンポラリトンを発生させることを特徴とする素子であり、従来よりも超小型の電流注入型の発光素子を実現できる。また発光素子がSi基板上に形成されるので、放熱性に優れ安定動作が可能となる。これにより、発光素子と導波路を一体化した高効率低消費エネルギーの光配線デバイスが提供できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は本発明の実施形態を示す図であり、同図（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。図１、図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。ここでの違いは、一方の電極をＳｉ基板面に形成している点である。ウェハ接合する前に電極形成を行った後に、半導体発光層を接合することで作製できる。その他の工程は、第１の実施形態と同様である。このようにして作製された発光素子においても誘電体層とＣＮＴの界面に表面プラズモンポラリトンが発生、光波長以下に光が閉じ込められ且つ高強度の電界強度が得られることで、従来難しかった電流駆動方式で波長６５０ｎｍでの室温発振が得られた。

１ Si基板
２ n型半導体層
３半導体発光層
４ p型半導体層
５誘電体
６ P電極
７ n電極
８ CNT
９下地層
１０レーザー光

Claims

半導体基板と、この半導体基板上に形成された発光素子を構成する半導体発光層および誘電体層と、前記半導体及び誘電体層上に形成されたカーボンナノチューブ或いはグラフェンの層とを具備することを特徴とする半導体発光素子。
前記発光素子は、前記半導体発光層上に電流注入部を有し、前記半導体発光層の発光により前記誘電体層と前記カーボンナノチューブ或いはグラフェンの層の界面に表面プラズモンポラリトンを発生させることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
第１電極と、この第１電極に接合するｎ型の不純物が導入されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に接して形成されたｐ型の不純物が導入されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に接して形成された誘電体層と、この誘電体層の上に形成された第２電極とを少なくとも備え、前記ｐ型半導体層の前記誘電体側と前記カーボンナノチューブ或いは前記グラフェンの層の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されるポラリトン導波路を具備する事を特徴とする半導体発光素子。
第１電極と、この第１電極に接合するｐ型の不純物が導入されたｐ型半導体層と、このｐ型半導体層の上に接して形成されたｎ型の不純物が導入されたｎ型半導体層と、このｎ型半導体層の上に接して形成された誘電体層と、この誘電体層の上に形成された第２電極とを少なくとも備え、前記ｎ型半導体層の前記誘電体側と前記カーボンナノチューブ或いは前記グラフェンの層の表面に誘起される表面プラズモンポラリトンが導波されるポラリトン導波路を具備する事を特徴とする半導体発光素子。
前記カーボンナノチューブ乃至前記グラフェンの層の側壁下の誘電体層の一部はエッチングされて電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
前記カーボンナノチューブは直径1-100nm、アスペクト比10以上のナノロッドが空間充填率50%以上で集合している高充填ナノロッド集合体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の半導体発光素子。
前記カーボンナノチューブは可視光乃至赤外光の波長域に光吸収ピークを有する前記高充填ナノロッド集合体であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の半導体発光素子。
半導体基板上にエピタキシャル成長層を形成して半導体発光層を形成する工程と、前記半導体基板を剥離する工程と、前記エピタキシャル成長層の一部を除去する工程と、前記エピタキシャル成長層を誘電体層で覆う工程と、前記半導体発光層に光導波路構造および電流注入部を形成する工程と、前記半導体発光層上にカーボンナノチューブ或いはグラフェンの層を形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。