JP2012129424A - 窒化物半導体を有する構造体の製造方法、窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 Inを含むIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程と、第1の半導体層の上に、第1の半導体層よりもIn組成が低いIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程を有する。第2の半導体層および第1の半導体層に複数の細孔を形成する工程と、窒素元素を含む雰囲気下で熱処理することにより、複数の細孔が形成された第1の半導体層の側壁の少なくとも一部に、第1の半導体層よりもIn組成が低い半導体結晶構造を形成する。
【選択図】 図1
Description
また、本願発明に係る発光素子は、窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子であって、支持基体の上に形成された活性層と、前記活性層の上または下に形成されたフォトニック結晶構造と、を有し、前記フォトニック結晶構造は、Inを含むIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層と、該第1の半導体層よりもIn組成が低いIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層と、該第1の半導体層と該第2の半導体層に形成された複数の細孔と、により構成され、前記複数の細孔が形成された前記第2の半導体層の側壁の少なくとも一部に、前記第1の半導体層よりもIn組成が低い半導体結晶構造が形成されていることを特徴とする。
本実施形態では、窒化物半導体を有する構造体の製造方法として、半導体層に複数の細孔が形成された二次元フォトニック結晶の製造方法について説明する。
なお、リソグラフィの代わりに、電子ビームリソグラフィやナノインプリントリソグラフィを用いてもよい。
なお、本実施形態における開口部108のパターンは、例えば直径120nmの円形が、周期300nmで正方格子状に二次元周期で配列されたものである。
細孔107を形成する工程は、ウェットエッチングやドライエッチングを用いることができる。細孔107のサイズの制御性を良好にするという点では、ICPによるドライエッチングであることが好ましい。
ドライエッチング工程に使用するプラズマ組成は、例えば、Cl、Br、Iのいずれかの元素を含む。より具体的には、Cl2、BCl3、HBr、HI、HClのいずれかのガスと、He、Ar、Xe、N2のいずれかのガスとの混合ガスプラズマであることが好ましい。
細孔107を形成する工程の後、エッチングマスク108を除去する。
ところで、特許文献1では、孔の形状が変形することを避けるために、マストランスポートが生じない低い温度で、大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体を厚さ5〜20nmの範囲で再成長して側壁を被覆している。
すなわち、特許文献1では、孔の直径は、前記大きなバンドギャップエネルギーを持つ半導体の厚みに対応して、小さくなる。
つぎに、熱処理工程である熱処理工程の雰囲気について説明する。
熱処理工程は、V族である窒素元素を含む雰囲気下で行われる。例えば、N2、またはNH3を含む雰囲気である。
V族雰囲気下で熱処理を行う理由は、III族元素よりもV族元素の方が脱離しやすいためであり、V族元素を供給した雰囲気下で熱処理することで、第1の半導体層102および第2の半導体層104からのV族元素の減少を防いでいる。
つぎに、熱処理工程において、細孔107が形成された第1の半導体層102の側壁109の少なくとも一部に形成される半導体結晶構造110の機能について説明する。
ここで、GaAs系半導体あるいはGaP系半導体の端面発光型レーザの場合は、加工時のエッチングダメージがあっても、ウェットエッチング法により、活性層を選択的にサイドエッチングすることで、該エッチングダメージを除去することが容易である。
本実施形態では、細孔107をエッチングではなく、結晶成長によって形成する場合について説明する。
本実施形態では、窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子として、二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザを説明する。この面発光レーザは、支持基体の面内方向に共振した光が、該支持基体の面内方向に対して垂直方向に出射するレーザである。
活性層304は、キャリアの注入により発光する。なお、活性層304は、上記の多重量子井戸構造に特に限定されるものではなく、単一量子井戸構造でもよい。
開口部309の孔直径は例えば60nmであり、面内方向に周期160nmで正方格子状に配列されている。
なお、N2流量10slmは、0.45mol/minであり、NH3流量5slmは、0.22mol/minに相当する。
なお、熱処理工程では、第1の半導体層および第2の半導体層の成長温度780℃に対して、Inの離脱とともに、マストランスポートを生じさせるために、熱処理工程の熱処理温度は900℃である。
以上の工程により、波長400nm帯で駆動する二次元フォトニック結晶面発光レーザの作製が可能である。
なお、本実施例では、活性層304の上側に、フォトニック結晶構造100を形成する場合について示した。
これにより、該活性層304の下側に該フォトニック結晶構造100を形成することができる。
なお、本願において、「A層の上に形成されているB層」とは、A層の直上にB層が設けられていてもよく、A層とB層の間にC層が介在していてもよいことを意味する。
101 支持基体
102 第1の半導体層
103 第1の半導体層の主面
104 第2の半導体層
105 第2の半導体層の主面
106 エッチングマスク
107 細孔
108 開口部
109 側壁
110 半導体結晶構造
Claims (11)
- 窒化物半導体を有する構造体の製造方法であって、
支持基体の上に、Inを含むIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層の上に、該第1の半導体層よりもIn組成が低いIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体層および前記第1の半導体層に複数の細孔を形成する工程と、
窒素元素を含む雰囲気下で熱処理することにより、前記複数の細孔が形成された前記第1の半導体層の側壁の少なくとも一部に、該第1の半導体層よりもIn組成が低い半導体結晶構造を形成する工程と、を有することを特徴とする、窒化物半導体を有する構造体の製造方法。 - 前記第1の半導体層は、Ga1−xInxN(0<x≦1)で構成され、
前記第2の半導体層は、Ga1−yInyN(0≦y<1、y<x)で構成され、
前記半導体結晶構造は、Ga1−zInzN(0≦z<1、z<x)で構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体を有する構造体の製造方法。 - 前記第2の半導体層の上にエッチングマスクを形成する工程を有し、
前記複数の細孔は、前記エッチングマスクを用いたエッチングによって形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体を有する構造体の製造方法。 - 前記第1の半導体層の上に、少なくとも前記第2の半導体層の結晶成長を抑制するための結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程の後であって、前記第2の半導体層を形成する工程の前に、該第2の半導体層よりもIn組成が高いIII族窒化物半導体からなる半導体層を形成する工程と、
前記第2の半導体を形成する工程の後に、前記結晶成長抑制用マスクを除去する工程と、を有し、
前記結晶成長抑制用マスクを除去する工程により、前記複数の細孔が形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体を有する構造体の製造方法。 - 前記第1の半導体層は、p型ドーパントを含む窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物半導体を有する構造体の製造方法。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子の製造方法であって、
前記支持基体と前記第1の半導体層との間に、活性層を形成する工程を有し、
前記複数の細孔が前記活性層にも形成されていることを特徴とする窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子の製造方法。 - 前記第1の半導体層は、前記活性層からの発光のフォトンエネルギーよりも、バンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子の製造方法。
- 窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子であって、
支持基体の上に形成された活性層と、
前記活性層の上または下に形成されたフォトニック結晶構造と、を有し、
前記フォトニック結晶構造は、
Inを含むIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層と、
該第1の半導体層よりもIn組成が低いIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層と、
該第1の半導体層と該第2の半導体層に形成された複数の細孔と、により構成され、
前記複数の細孔が形成された前記第2の半導体層の側壁の少なくとも一部に、前記第1の半導体層よりもIn組成が低い半導体結晶構造が形成されていることを特徴とする窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子。 - 前記第1の半導体層は、Ga1−xInxN(0<x≦1)で構成され、
前記第2の半導体層は、Ga1−yInyN(0≦y<1、y<x)で構成され、
前記半導体結晶構造は、Ga1−zInzN(0≦z<1、z<x)で構成されていることを特徴とする、請求項8に記載の窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子。 - 前記第1の半導体層は、p型ドーパントを含む窒化物半導体で構成されていることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子。
- 前記フォトニック結晶構造は二次元フォトニック結晶であって、
該二次元フォトニック結晶により前記支持基体の面内方向に共振した光が、該支持基体の面内方向に対して垂直方向に出射することを特徴とする請求項8から10のいずれか1項に記載の窒化物半導体を有する構造体を備えた発光素子。
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