JP2013123025A - 空気媒質層を有する半導体光学装置の製造方法及び空気媒質層の形成方法（Ａｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｈａｖｉｎｇａｉｒｍｅｄｉａｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｏｒｍｉｎｇｔｈｅａｉｒｍｅｄｉａｌａｙｅｒ） - Google Patents

Abstract

【課題】半導体光学装置において良好な均一性を有する空気媒質層の製造方法を提供する。
【解決手段】基板４０上に、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜４２と、ＺｎＯ（酸化亜鉛）からなる犠牲層４４１と、窒素化合物を含む半導体層４６と、からなる積層膜を形成した後、酸性溶液に浸すことで一部の犠牲層を取り除き、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜４２及び窒素化合物を含む半導体層４６の間に残留した犠牲層４４１とその周囲の空間に空気媒質層４４２を有する半導体光学素子４を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、窒素化合物を用いた半導体光学装置の製造方法に関するものであり、特に窒素化合物を用いた半導体光学装置の中に空気媒質層を形成する製造方法に関するものである。

窒素化合物を用いた半導体を空気媒質に組み込むという構造は、屈折率が低いという空気媒質の特性を生かして、高屈折率の半導体窒素化合物材料の中の光場を制限することができる。さらに、電子ビームリソグラフィーを用いて、半導体窒素化合物素材の媒質のうち、窒素化合物媒質の表面にあるマイクロ構造を明確にしてから、窒素化合物素材のマイクロキャビティを形成し、それぞれ異なる構造設計の窒素化合物の構造を予測し、その光学特性を研究していた。とりわけ、窒素化合物半導体の化学特性は非常に安定しており、ウエットエッチングで底部の半導体材を取り除き、中空の窒素化合物半導体薄膜を形成しにくいという難点がある。周知技術を使った製造方法において、それぞれ異なる窒素化合物素材作を犠牲層材料として用い、光学的化学酸化エッチング反応を用いて犠牲層の窒素化合物を取り除こうとしたが、エッチング速度も均一性も決して良好とは言いがたいのみならず、試材表面及び接触面がでこぼこになりやすく、かえって構造上の欠陥や素子（デバイス）特性の低下を引き起こしてしまう。

窒素化合物と窒素化合物半導体材料との間の関係性は周知の通りで、両者の格子定数は非常に似ており、基本的には相性は完璧といって違いないが、異質のエピタキシー結晶体の品質に対しては注意を払う必要がある。このため、本発明は、高品質の窒素化合物と酸化物の異質構造をどのようにして成長させるかという問題の解決方法を提供することを目的とする。

周知技術の欠点を補うべく、本発明では半導体光学装置の中において空気媒質層を形成する方法を提供する。

本発明は、空気媒質層と窒素化合物層によって構成されるサンドイッチ構造を用いて、半導体光学装置の性能を引き上げることを主な目的とする。

本発明のもう１つの目的は、半製品状態の半導体光学装置を酸性溶液に浸し、窒素化合物の構造上の犠牲層を取り除くことで、半導体光学装置の中で中空の空気媒質層を形成することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、半導体光学装置において空気媒質層を形成する方法を開示する。それは、基板と、基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成されたＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜上に分子線エピタキシー法によって形成された犠牲層と、犠牲層を有する半製品状態の半導体光学装置を酸性溶液に浸し、一部の犠牲層を取り除き、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と窒素化合物を含む半導体層の間に残留した犠牲層と周囲の空間によって形成された空気媒質層で構成される。

本発明に係る実施例において、前記ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成される。

本発明に係る実施例において、前記犠牲層は分子線エピタキシー法を用いて形成される。

本発明に係る実施例において、前記形成犠牲層の温度範囲は５００℃〜７００℃とする。

本発明に係る実施例において、前記酸性溶液は硝酸または硝塩酸とする。

本発明に係る実施例において、前記エッチングにより一部の犠牲層を取り除く手順には、窒素化合物を含む半導体層においてマイクロ構造図案を明確にし、エッチングにより一部の窒素化合物半導体層を取り除き、窒素化合物を含む半導体層において複数個のマイクロ構造を形成し、ウエットエッチング法により一部の犠牲層を取り除き、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と窒素化合物を含む半導体層の間に空気媒質層を形成することが含まれる。

本発明に係る実施例において、前記マイクロ構造の図案は、電子ビームリソグラフィー（Ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）が含まれる。

本発明に係る実施例において、前記エッチングにより一部の窒素化合物半導体層を取り除く方法には、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ−ＲＩＥ， ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）が含まれる。

本発明に係る実施例において、前記窒素化合物を含む半導体層にはさらに金属接合層が形成される。

本発明に係る実施例において、前記金属接合層には別の基板が形成される。

このほか、前記製造方法により、本発明では、空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）を開示する。それには、第１基板と、第１基板に設置されたＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜上に設置された空気媒質層と、空気媒質層に設置された窒素化合物を含む半導体層が含まれ、そのうち、空気媒質層には犠牲層が含まれる。

本発明に係る実施例において、前記第１基板の材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）とする。

本発明に係る実施例において、前記空気媒質層における犠牲層の構造は単一柱状構造とする。

本発明に係る実施例において、前記窒素化合物を含む半導体層は複数個のマイクロ構造を有する。

本発明に係る実施例において、前記窒素化合物を含む半導体層内の複数個のマイクロ構造は、不規則な方法によって配列される柱状構造とする。

本発明に係る実施例において、前記窒素化合物を含む半導体層内の複数個のマイクロ構造は、規則的な方法によって配列される柱状構造とする。

本発明に係る実施例において、前記窒素化合物を含む半導体層には、金属接合層及び第２基板が含まれる。

本発明において開示する前記事項、その他目的、特徴、メリットをよりわかりやすくするために、以下に良好な実施例を取り上げ、図式を参照しながら説明する。

本発明において開示する技術に係る半導体光学素子（デバイス）の断面図である。 本発明において開示する技術に係る空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）の断面図である。 本発明において開示する技術に係る空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）の別の実施例の断面図である。 本発明において開示する技術に係る空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）のもう１つ別の実施例の断面図である。 本発明において開示する技術に係る共鳴構造を有する半導体光学素子（デバイス）の断面図である。 本発明において開示する技術に係る，金属接合層及び別の基板の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、本説明以外にも、幅広い範囲で他の実施例で実施することができ、本発明の範囲を制限するものでなく、将来の特許が成立した範囲を制限範囲とすることが妥当である。

まず図１を参照する。図１は半導体光学素子（デバイス）の断面図である。

図１において、その構造は基板１０と、基盤１０の上に設置されているＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２と、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２の上に設置されている犠牲層１４と、犠牲層１４の上に設置されている窒素化合物を含む半導体層１６から構成され、そのうち、基板１０の材料にはサファイア（ｓａｐｐｈｉｒｅ）または炭化ケイ素（ＳｉＣ， ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ）を用いることができる。ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって基板１０に形成される。犠牲層１４の材料には酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、分子線エピタキシー法によってＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２上に犠牲層１４を形成するが、それを形成する温度範囲は５００℃〜７００℃とする。窒素化合物を含む半導体層１６はエピタキシー法により犠牲層１４上に形成する。

図１に示すように、犠牲層１４とする酸化亜鉛は空気媒質層を作るための前駆体とし、酸化物半導体材料はｐＨ値の低い酸性溶液に浸すと、エッチング速度を速めるという特性を有する。このため、ウエットエッチング（ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、前記半製品状態の半導体光学素子（デバイス）をｐＨ値が約 １の酸性溶液（図においては未表示）に浸し、酸性溶液を用いて、一部の犠牲層１４を取り除き、残留した犠牲層１４１をＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２と窒素化合物を含む半導体層１６の間に形成し、また取り除いた犠牲層１４の部分には、図２に示すように、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１２と窒素化合物を含む半導体層１６の間に空気媒質層１４２を形成する。空気媒質は屈折率が低いという特性を有することから、光を窒素化合物の構造内に収めることができ、ウエットエッチング法を用いて、周知技術における光学化学エッチング法を用いた場合に引き起こされるＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜１４表面及び接触面がでこぼこになるという欠点を改善することによって、半導体光学素子（デバイス）の発光効率を高めることができる。本発明において開示する実施例で用いる酸性溶液は、硝酸または硝塩酸とする。

図３を参照にして実施例に係る説明をする。半製品状態の半導体光学素子（デバイス）２を酸性溶液に浸す時間をコントロールすることで、図３に示すような残留部分に柱状の犠牲層２４１を形成し、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜２２と窒素化合物を含む半導体層２６の間の空間に空気媒質層２４２を形成する。

図４において、本発明に係る半導体光学素子（デバイス）３における空気媒質層の形成方法を開示する。図４において、半導体光学素子（デバイス）３の構造は図１の構造と同じであるため、ここでの説明は省略する。そして、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜３２と窒素化合物を含む半導体層３６１の間に空気媒質層３４２を形成する方法を説明する。それには、窒素化合物を含む半導体層３６において、電子ビームリソグラフィー（Ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）を用いてマイクロ構造の図案を明確にすることが含まれる。続いて、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、一部の窒素化合物を含む半導体層３６１を取り除き、その後、半製品状態の半導体光学素子（デバイス）３を酸性溶液に浸し、ウエットエッチングによって犠牲層を取り除き、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜３２と窒素化合物を含む半導体層３６１の間に残留した犠牲層３４１にマイクロ構造を形成し、さらに取り除かれた犠牲層の空間に空気媒質層３４２を形成する。

このほか、図５に示すように、本発明では、半導体光学素子（デバイス）４においてマイクロ共鳴構造を窒素化合物と空気媒質層の間に形成する方法を開示する。図５に示すように、本実施例において、半製品状態の半導体光学素子（デバイス）４の構造には、基板４０と、基板４０に設置したＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜４２と、ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜４２上に設置した犠牲層４４１と、犠牲層４４１に設置した窒素化合物を含む半導体層４６が含まれる。その形成方法は図１と同じであるため、ここでの説明は省略する。そして、窒素化合物を含む半導体層において、電子ビームリソグラフィーを用いてマイクロ構造の図案を明確にし、続いて、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法を用いて窒素化合物を含む半導体層において複数個のマイクロ構造４６１を形成する。そして、前記同様、この半製品状態の半導体光学素子（デバイス）を酸性溶液に浸し、一部の犠牲層４４１を取り除くことで、一部の犠牲層４４１をＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜４２とマイクロ構造４６１を有する窒素化合物を含む半導体層４６の間に残し、犠牲層で取り除かれた空間を空気媒質層４４２にする。本実施例において、空洞共振を目的とするため、マイクロ構造４６１は「光結晶構造」と呼ぶことができる。光線によりこの半導体光学素子（デバイス）４における共振回数が増やされ、半導体光学素子（デバイス）４の発光効率を高めている。本実施例において、そのマイクロ構造４６１の配列状態は、規則的な柱状構造または不規則な配列の柱状構造である。

前記図１に示す空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）１を例に挙げると、図６に示すように、窒素化合物を含む半導体層１６には、金属接合層（ｂｏｎｄｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｌａｙｅｒ）１７及び第２基板１８を形成することができる。そのうち、金属接合層１７の材料はチタン合金またはインジウム合金、第２基板１８の材料はシリコン基板、フレキシブル基板（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）または誘電体基板（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）とすることができ、第２基板を用いることで、素子（デバイス）に発生する熱を発散させ、光学装置の特性を効果的に引き上げることに役立つのみならず、光学装置と半導体関係のシステム統合にも応用できる。

次に、図１に示す手順と同じく、この半製品状態の半導体光学装置１を酸性溶液に浸して、空気媒質層１４２を有する半導体光学装置１を作り出す。このように、前記説明の通り、空気媒質層と窒素化合物層によって構成されたサンドイッチ構造を形成することで、半導体光学装置の発光性能を引き上げることができる。

本発明の出願特許範囲は、これらに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲における変更や追加は、本願の特許請求の範囲に含まれる。

１、２、３、４ 半導体光学素子（デバイス）
１０、２０、３０、４０ 基板
１２、２２、３２、４２ ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜
１４犠牲層
１４１、２４１、３４１、４４１ 残留した犠牲層
１４２、２４２、３４２、４４２ 空気媒質層
１６、２６、４６ 窒素化合物を含む半導体層
１７ 金属接合層
１８ 第２基板
３６１ 殘留した窒素化合物を含む半導体層
４６１ マイクロ構造

Claims (19)

1. 基板と、
   当該基板上に形成されたＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と、
   当該ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜上に形成された犠牲層と、
   当該犠牲層上に形成された窒素化合物を含む半導体層と、
   当該ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜及び当該窒素化合物を含む半導体層の間にエッチングにより一部の当該犠牲層を取り除くことにより、残留した犠牲層と周囲の空間に構成した空気媒質層を提供することを特徴とする半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
2. 前記ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜の形成方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
3. 前記犠牲層の形成方法として、分子線エピタキシー法を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
4. 前記犠牲層を形成する温度範囲が５００℃〜７００ ℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
5. エッチングにより前記犠牲層を取り除く手順として、当該犠牲層をｐＨ値約１の酸性溶液に浸すことを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
6. 前記酸性溶液は硝酸または硝塩酸等のグループから選択することを特徴とする請求項５に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
7. 前記エッチングにより一部の当該犠牲層を取り除く手順として、当該窒素化合物を含む半導体層上にマイクロ構造の図案を明確にし、
   エッチングにより一部の当該窒素化合物半導体層を取り除くことで複数個のマイクロ構造を当該窒素化合物半導体層内に形成し、
   ウエットエッチング法により一部の当該犠牲層を取り除くことで、当該空気媒質層を当該ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と該窒素化合物を含む半導体層の間に形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
8. 前記マイクロ構造図案を明確にするために、電子ビームリソグラフィー（Ｅ−ｂｅａｍ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）を用いることを特徴とする請求項７に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
9. エッチング法により一部の当該窒素化合物半導体層を取り除くのに、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ−ＲＩＥ， ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることを特徴とする請求項７に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
10. 前記窒素化合物を含む半導体層上に金属接合層を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
11. 前記金属接層上に別の基板を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体光学装置における空気媒質層の製造方法。
12. 空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）であって、
    第１基板と、
    当該第１基板に設置されたＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜と、
    当該ＧａＮ（窒化ガリウム）薄膜上に設置された空気媒質層と、
    当該空気媒質層上に設置された窒素化合物を含む半導体層を有する空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
13. 前記第１基板の材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはサファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）を用いることを特徴とする請求項１２に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
14. 前記空気媒質層は犠牲層を有することを特徴とする請求項１２に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
15. 前記空気媒質層における当該犠牲層の構造は、単一柱状構造であることを特徴とする請求項１２に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
16. 前記窒素化合物を含む半導体層内に複数個のマイクロ構造を有することを特徴とする請求項１２に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
17. 前記マイクロ構造は、不規則な方法によって配列される柱状構造を有することを特徴とする請求項１６に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
18. 前記マイクロ構造は規則的な方法によって配列される柱状構造を有することを特徴とする請求項１７に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。
19. 前記窒素化合物を含む半導体層上にさらに金属接合層及び第２基板を有することを特徴とする請求項１２に記載の空気媒質層を有する半導体光学素子（デバイス）。