JP2015135877A - Semiconductor substrate, and method of manufacturing semiconductor substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体基板および半導体基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate and a method for manufacturing the semiconductor substrate.
化合物半導体を使った光半導体装置では、基板の上に活性層およびクラッド層などの半導体層を成長させる(非特許文献1)。活性層は、電流が流れることで光を発生させる。レーザー光の発振が生じる閾値電流を小さくするためには、活性層を低転位にすることが好ましい。 In an optical semiconductor device using a compound semiconductor, semiconductor layers such as an active layer and a cladding layer are grown on a substrate (Non-Patent Document 1). The active layer generates light when a current flows. In order to reduce the threshold current at which laser light oscillation occurs, it is preferable that the active layer has a low dislocation.
活性層を低転位にするには、低転位の基板の上に活性層を成長させればよい。しかし低転位の基板は高いキャリア濃度を有する。活性層において発生した光がキャリアに吸収されるため、損失が大きくなる(光吸収の量はキャリアの濃度に依存する。赤外線吸収で電子またはホールのバンド内遷移が起こるため。)。吸収を抑制するために活性層と基板との間にバッファ層を設けることもあるが、バッファ層を設けても損失を十分に抑制することは困難である。本発明は、閾値電流が小さく、かつ低損失な半導体基板および半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。 In order to make the active layer low dislocation, the active layer may be grown on a low dislocation substrate. However, low dislocation substrates have a high carrier concentration. Since the light generated in the active layer is absorbed by the carriers, the loss increases (the amount of light absorption depends on the carrier concentration. Intraband transition of electrons or holes occurs due to infrared absorption). In order to suppress absorption, a buffer layer may be provided between the active layer and the substrate, but even if the buffer layer is provided, it is difficult to sufficiently suppress loss. An object of the present invention is to provide a semiconductor substrate having a small threshold current and a low loss, and a method for manufacturing the semiconductor substrate.
本発明は、n型半導体からなる第1基板の上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層の上面に実装基板を接合する工程と、前記実装基板を接合する工程の後に、前記第1基板を除去する工程と、前記第1基板を除去する工程の後に、前記半導体層の前記第1基板が設けられていた面に、前記第1基板より不純物濃度が低いn型半導体、または絶縁体からなる第2基板を形成する工程と、前記第2基板を形成する工程の後に、前記実装基板を除去する工程と、を有する半導体基板の製造方法である。 The present invention includes a step of forming a semiconductor layer on a first substrate made of an n-type semiconductor, a step of bonding a mounting substrate to the upper surface of the semiconductor layer, and a step of bonding the mounting substrate. After the step of removing the substrate and the step of removing the first substrate, an n-type semiconductor having an impurity concentration lower than that of the first substrate on the surface of the semiconductor layer on which the first substrate is provided, or an insulator And a step of removing the mounting substrate after the step of forming the second substrate.
上記構成において、前記第1基板の不純物濃度は2×1018cm−3以上である構成とすることができる。 In the above structure, the impurity concentration of the first substrate may be 2 × 10 18 cm −3 or more.
上記構成において、前記第2基板は第1クラッド層として機能し、前記半導体層は、前記第2基板に近い方から活性層および第2クラッド層を含む構成とすることができる。 In the above configuration, the second substrate functions as a first cladding layer, and the semiconductor layer may include an active layer and a second cladding layer from the side closer to the second substrate.
上記構成において、前記半導体層の上面に第1絶縁膜を形成する工程を有し、前記実装基板は第2絶縁膜を含み、前記半導体層を前記実装基板に接合する工程は、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とを接合することにより前記半導体層を前記実装基板に接合する工程である構成とすることができる。 In the above configuration, the semiconductor device includes a step of forming a first insulating film on an upper surface of the semiconductor layer, the mounting substrate includes a second insulating film, and the step of bonding the semiconductor layer to the mounting substrate includes the first insulating film. The semiconductor layer may be bonded to the mounting substrate by bonding the film and the second insulating film.
上記構成において、前記第1基板の上面にエッチング停止層を形成する工程を有し、前記半導体層は前記エッチング停止層の上面に形成され、前記第1基板を除去する工程は、前記第1基板をエッチングにより除去する工程であり、前記エッチング停止層は前記エッチングを停止させる構成とすることができる。 In the above configuration, the method includes a step of forming an etching stop layer on an upper surface of the first substrate, the semiconductor layer is formed on an upper surface of the etching stop layer, and the step of removing the first substrate includes the step of removing the first substrate. The etching stop layer can be configured to stop the etching.
上記構成において、前記第1基板および前記第2基板はインジウムリンにより形成されてもよい。 In the above configuration, the first substrate and the second substrate may be formed of indium phosphide.
本発明は、基板と、前記基板の上に形成された半導体層と、を具備し、前記基板は、前記半導体層の5倍以上の転位密度を有するn型半導体、または絶縁体により形成されている半導体基板である。 The present invention includes a substrate and a semiconductor layer formed on the substrate, and the substrate is formed of an n-type semiconductor or an insulator having a dislocation density five times or more that of the semiconductor layer. A semiconductor substrate.
上記構成において、前記基板は第1クラッド層として機能し、前記半導体層は、前記基板に近い方から活性層および第2クラッド層を含む構成とすることができる。 In the above configuration, the substrate may function as a first cladding layer, and the semiconductor layer may include an active layer and a second cladding layer from a side closer to the substrate.
本発明によれば、閾値電流が小さく、かつ光の損失を抑制することができる半導体基板および半導体基板の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the threshold current is small and the semiconductor substrate which can suppress the loss of light, and the manufacturing method of a semiconductor substrate can be provided.
実施例について説明する。 Examples will be described.
図1は実施例1に係る半導体基板を例示する断面図であり、光の伝播方向から半導体基板を見ている。図1に示すように、半導体基板100は、基板10(第2基板)、バッファ層12、活性層14、クラッド層16および18、コンタクト層20、保護膜22、電極24および26を備える。電極24は基板10の下面に設けられている。基板10の上に、バッファ層12、活性層14、クラッド層16および18、並びにコンタクト層20が順に設けられている。バッファ層12からコンタクト層20までをQCL(Quantum Cascade Laser)層11とする。QCL層11には開口部13が形成されている。QCL層11のうち開口部13に挟まれた部分はメサストライプ15を形成する。保護膜22はQCL層11の表面を覆う。電極26は保護膜22の上面およびコンタクト層20の上面に設けられている。開口部13を埋めるように配線層28が設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor substrate according to the first embodiment. The semiconductor substrate is viewed from the light propagation direction. As shown in FIG. 1, the
電極24および26に電圧が印加されることにより、活性層14はレーザー光を発光する。基板10はレーザー光を反射するクラッド層として機能する。レーザー光は図1の紙面方向を伝播する。
When a voltage is applied to the
基板10は例えば、不純物として錫(Sn)を含むインジウムリン(Sn−InP)により形成されている。厚さは例えば350μm、キャリア濃度は例えば2.0×1017cm−3以下、転位密度は例えば5000個/cm2以上である。不純物とは自由キャリアを供給する不純物のことである。ドープされた不純物の全てが活性化すると、キャリア濃度は不純物濃度に等しくなる。また、キャリア濃度は不純物導入量によって決まる。
The
QCL層11の転位密度は1000個/cm2以下である。QCL層11に含まれる不純物はシリコン(Si)である。バッファ層12は例えば厚さ0.5μm、キャリア濃度が8.0×1016cm−3のInPにより形成されている。活性層14は例えばガリウムインジウム砒素およびアルミニウムインジウム砒素により形成されたGaInAs/AlInAs多重量子井戸層である。活性層14に含まれるコアは例えば27セットである。活性層14に含まれるGaInAs層およびAlInAs層それぞれの厚さは例えば56.5nmである。クラッド層16は、例えば厚さ2μm、キャリア濃度2.0×1017cm−3のInPにより形成されている。クラッド層18は例えば厚さ1μm、キャリア濃度8.0×1018cm−3のInPにより形成されている。コンタクト層20は例えば厚さ0.1μm、キャリア濃度1.0×1019cm−3のインジウムガリウム砒素(InGaAs)により形成されている。
The dislocation density of the
保護膜22は例えば酸化窒化シリコン(SiON)などの絶縁体により形成されている。電極24は例えば基板10に近い方から金、ゲルマニウム、ニッケル、チタンおよび金を積層した膜(Au/Ge/Ni/Ti/Au)により形成されている。電極26は例えば基板10に近い方からチタン、白金および金を積層した膜(Ti/Pt/Au)により形成されている。
The
図2(a)から図4(a)は半導体基板の製造方法を例示する断面図である。図4(b)から図5(c)は半導体基板の製造方法を例示する斜視図である。 FIG. 2A to FIG. 4A are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor substrate. FIG. 4B to FIG. 5C are perspective views illustrating a method for manufacturing a semiconductor substrate.
図2(a)に示す基板30(第1基板)を準備する。基板30は厚さ350μmのSn−InPにより形成されている。基板30のキャリア濃度は例えば1.0×1018cm−3以上、転位密度は例えば1000個/cm2以下である。基板30の上面に、例えば厚さ50nmのAlInAsからなるエッチング停止層32を形成する。有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)により、エッチング停止層32の上面にQCL層11をエピタキシャル成長させる。QCL層11は基板30と格子整合する半導体により形成する。エッチング停止層32にバッファ層12が接触する。表1にQCL層11の成長条件を示す。
図2(b)に示すように、QCL層11の上面(コンタクト層20の上面)に絶縁膜34(第1絶縁膜)を形成する。図2(c)に示すように、実装基板36を準備する。実装基板36の下面に絶縁膜38(第2絶縁膜)を形成する。絶縁膜34および38の形成にはプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置を用いる。表2は絶縁膜34および38の成長条件を示す表である。
図2(d)に示すように、絶縁膜34と絶縁膜38とを接合する。QCL層11をSiの実装基板36に直接に接合させることは困難である。SiO2の絶縁膜34および38を接合することで、QCL層11が絶縁膜34および38を介して実装基板36に接合される。表3は接合におけるプラズマ処理の条件を示す表である。表3の圧力とは気圧である。絶縁膜34および38には圧力を加えなくてよい。
図3(a)に示すように、例えば塩酸などのエッチャントを用いたエッチング処理により基板30を除去する。エッチング処理の時間は例えば5分である。エッチング停止層32は基板30と比べエッチング選択比が異なるため、エッチングはエッチング停止層32において停止する。図3(b)に示すように、硫酸、過酸化水素水および水を5:1:10で混合したエッチャントなどを用いたエッチング処理により、エッチング停止層32を除去する。エッチング処理の時間は例えば30秒である。エッチング処理により、QCL層11の下面が露出する。
As shown in FIG. 3A, the
図3(c)に示すように、QCL層11の下面(基板30が設けられていた面)に基板10(第2基板)を接合する。表4は基板10の接合のためのプラズマ処理条件を示す表である。プラズマ処理の後、RTA装置などの熱処理装置を用いて300℃、1時間の条件下でアニールを行う。
図4(b)に示すように、コンタクト層20の上面に例えば窒化シリコン(SiN)などからなる絶縁膜40を形成する。コンタクト層20の上面のうち一部は絶縁膜40から露出する。図4(c)に示すように、露出したコンタクト層20にエッチングを行い、QCL層11に開口部13を形成する。
As shown in FIG. 4B, an insulating
図5(a)に示すように、絶縁膜40を除去し、保護膜22を形成する。図5(b)に示すように、メサストライプ15のコンタクト層20を覆う保護膜22を除去し、コンタクト層20を露出させる。図5(c)に示すように、電極24および26を形成する。さらに図1に示した配線層28を設ける。以上の工程により半導体基板100が形成される。
As shown in FIG. 5A, the insulating
図6は転位密度と閾値電流密度との関係を例示する模式図である。横軸は基板30の転位密度、縦軸は閾値電流密度を表す。図6に示すように、転位密度が小さいほど閾値電流密度も低下する。基板30の転位密度が小さくなることで、基板30の上に成長するQCL層11の転位密度も小さくなるため、閾値電流密度が低下する。
FIG. 6 is a schematic view illustrating the relationship between the dislocation density and the threshold current density. The horizontal axis represents the dislocation density of the
実施例1によれば、低転位の基板30の上にQCL層11を成長させるため、QCL層11の転位密度も1000個/cm2以下まで小さくなる。従って閾値電流は小さくなる。QCL層11の成長後、基板30を除去し、低キャリア濃度の基板10を設ける。基板10の自由キャリアによる光の吸収が生じにくいため、光の損失が低減される。閾値電流が小さくかつ低損失な半導体基板を得ることができる。QCL層11は基板30と格子整合することが好ましい。格子整合により、QCL層11が低転位になるためである。
According to Example 1, since the
一般にInPではキャリア濃度が高いほど低転位であり、キャリア濃度が低いほど高転位である。基板30を低転位とするため、基板30のキャリア濃度は1.0×1018cm−3以上、または2.0×1018cm−3以上が好ましい。図6に示すように、閾値電流を1.5kA/cm2以下とするには、基板30の転位密度は1000個/cm−3以下が好ましい。
In general, in InP, the higher the carrier concentration, the lower the dislocation, and the lower the carrier concentration, the higher the dislocation. In order to make the
光の吸収を抑制するため、基板10のキャリア濃度は2.0×1017cm−3以下、または1.0×1017cm−3以下が好ましい。基板10のキャリア濃度を低くするため、基板10の転位密度はQCL層11の転位密度の5倍以上が好ましい。基板10の転位密度はQCL層11に比べ7倍以上または10倍以上としてもよい。
In order to suppress light absorption, the carrier concentration of the
QCL層11はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法により成長させてもよい。QCL層11はInを含む半導体からなるとしたが、基板10と格子整合する他の半藤他により形成されてもよい。基板10は例えばセラミック、サファイア、またはガラスエポキシ樹脂などの絶縁体でもよい。絶縁体のキャリア濃度は低いため、基板10における光の吸収が発生しにくくなる。
The
基板10はクラッド層としても機能する。基板10、クラッド層16および18の屈折率は活性層14の屈折率より低い。このような屈折率の違いにより光は活性層14に閉じ込められる。
The
図7(a)は比較例に係る半導体基板100Rを例示する断面図である。図7(a)に示すように、基板42の上にQCL層11が設けられている。QCL層11は活性層14、クラッド層18および44、並びにコンタクト層20を含む。クラッド層44は基板42と活性層14との間に設けられている。基板42は、不純物として硫黄(S)を含むn−InPにより形成されている。基板42のキャリア濃度は例えば2.0×1018cm−3である。クラッド層44は例えば厚さ3μm以上、キャリア濃度が2.0×1017cm−3のSi−InPにより形成されている。
FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating a
図7(b)は光の損失のシミュレーション結果を示す図である。横軸はクラッド層の厚さ、縦軸は全導波損失を表す。破線は基板のキャリア濃度が1.5×1017cm−3の例、実線は基板のキャリア濃度が2.0×1018cm−3の例(比較例に対応)を表す。破線に示すように、基板のキャリア濃度が1.5×1017cm−3の例において全導波損失は10cm−1より小さい。キャリア濃度が2.0×1018cm−3の例では全導波損失は大きくなる。光が基板42のキャリアに吸収されるためである。クラッド層が厚くなるほど全導波損失は小さくなる。しかし、3μm以上のクラッド層を設けても、全導波損失は10cm−1程度であり、キャリア濃度が1.5×1017cm−3の例より大きい。クラッド層を5μmとすることで全導波損失は、キャリア濃度が1.5×1017cm−3の例と同程度になる。
FIG. 7B is a diagram showing a simulation result of light loss. The horizontal axis represents the thickness of the cladding layer, and the vertical axis represents the total waveguide loss. The broken line represents an example in which the carrier concentration of the substrate is 1.5 × 10 17 cm −3 , and the solid line represents an example in which the carrier concentration of the substrate is 2.0 × 10 18 cm −3 (corresponding to a comparative example). As indicated by the broken line, the total waveguide loss is smaller than 10 cm −1 in the example where the carrier concentration of the substrate is 1.5 × 10 17 cm −3 . In the example where the carrier concentration is 2.0 × 10 18 cm −3 , the total waveguide loss becomes large. This is because light is absorbed by the carrier of the
すなわち比較例においてクラッド層44の厚さを最低でも3μm以上とすることが好ましい。しかし、このような厚いクラッド層を設けると、材料費が高くなる。またクラッド層を設ける工程の成長装置の占有時間が長くなる。材料費および工数の増大により半導体基板のコストが高くなる。実施例1によれば、厚いクラッド層を設けなくてよいため、材料費及び工数を比較例に比べ低減することができ、半導体基板の低コスト化が可能である。
That is, in the comparative example, the thickness of the clad
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10、30 基板
11 QCL層
12 バッファ層
14 活性層
16、18 クラッド層
20 コンタクト層
22、24 電極
32 エッチング停止層
36、38 絶縁膜
10, 30
Claims (8)
前記半導体層の上面に実装基板を接合する工程と、
前記実装基板を接合する工程の後に、前記第1基板を除去する工程と、
前記第1基板を除去する工程の後に、前記半導体層の前記第1基板が設けられていた面に、前記第1基板より不純物濃度が低いn型半導体、または絶縁体からなる第2基板を形成する工程と、
前記第2基板を形成する工程の後に、前記実装基板を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体基板の製造方法。 forming a semiconductor layer on a first substrate made of an n-type semiconductor;
Bonding a mounting substrate to the upper surface of the semiconductor layer;
Removing the first substrate after the step of bonding the mounting substrate;
After the step of removing the first substrate, an n-type semiconductor having an impurity concentration lower than that of the first substrate or a second substrate made of an insulator is formed on the surface of the semiconductor layer where the first substrate is provided. And a process of
And a step of removing the mounting substrate after the step of forming the second substrate.
前記半導体層は、前記第2基板に近い方から活性層および第2クラッド層を含むことを特徴とする請求項1または2記載の半導体基板の製造方法。 The second substrate functions as a first cladding layer;
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor layer includes an active layer and a second cladding layer from a side closer to the second substrate.
前記実装基板は第2絶縁膜を含み、
前記半導体層を前記実装基板に接合する工程は、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とを接合することにより前記半導体層を前記実装基板に接合する工程であることを特徴とする請求項1から3いずれか一項記載の半導体基板の製造方法。 Forming a first insulating film on the upper surface of the semiconductor layer;
The mounting substrate includes a second insulating film,
The step of bonding the semiconductor layer to the mounting substrate is a step of bonding the semiconductor layer to the mounting substrate by bonding the first insulating film and the second insulating film. The manufacturing method of the semiconductor substrate as described in any one of 1-3.
前記半導体層は前記エッチング停止層の上面に形成され、
前記第1基板を除去する工程は、前記第1基板をエッチングにより除去する工程であり、
前記エッチング停止層は前記エッチングを停止させることを特徴とする請求項1から4いずれか一項記載の半導体基板の製造方法。 Forming an etching stop layer on the upper surface of the first substrate;
The semiconductor layer is formed on an upper surface of the etching stop layer;
The step of removing the first substrate is a step of removing the first substrate by etching,
The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the etching stop layer stops the etching.
前記基板の上に形成された半導体層と、を具備し、
前記基板は、前記半導体層の5倍以上の転位密度を有するn型半導体、または絶縁体により形成されていることを特徴とする半導体基板。 A substrate,
A semiconductor layer formed on the substrate,
The semiconductor substrate is formed of an n-type semiconductor or an insulator having a dislocation density five times or more that of the semiconductor layer.
前記半導体層は、前記基板に近い方から活性層および第2クラッド層を含むことを特徴とする請求項7記載の半導体基板。 The substrate functions as a first cladding layer;
The semiconductor substrate according to claim 7, wherein the semiconductor layer includes an active layer and a second cladding layer from a side closer to the substrate.
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