JP2019101249A - Manufacturing method of nitride semiconductor element - Google Patents
Manufacturing method of nitride semiconductor element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019101249A JP2019101249A JP2017232449A JP2017232449A JP2019101249A JP 2019101249 A JP2019101249 A JP 2019101249A JP 2017232449 A JP2017232449 A JP 2017232449A JP 2017232449 A JP2017232449 A JP 2017232449A JP 2019101249 A JP2019101249 A JP 2019101249A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- group iii
- substrate
- group
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体から構成した窒化物半導体素子の作製方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a nitride semiconductor device made of a nitride semiconductor.
GaNやAlN、InGaNなどIII族窒化物の結晶がc軸方向に反転対称性を持たないことを利用した素子の中には、光学素子である周期分極反転窒化ガリウムのようにIII族極性の結晶とN極性(V族極性)の結晶を面内に周期的に配列させたデバイスが存在する。 In devices that utilize the fact that crystals of group III nitrides such as GaN, AlN, InGaN do not have inversion symmetry in the c-axis direction, crystals of group III polarity such as periodically poled gallium nitride, which is an optical element, are used. There are devices in which crystals of N and N polarity (group V polarity) are periodically arranged in the plane.
このような周期分極反転(periodically poled:PP)素子は、非線形光学効果を有する材料をある特定の周期で分極が反転するよう配列することで作製される光学素子であり、例えば第2高調波発生や光パラメトリック発振、差周波発生などに応用されている。この周期構造は、素子出力光の出力強度を得るための疑似位相整合(quasi phase matching:QPM)を目的に形成されるものであり、ターゲットとなる光の波長によって周期は異なる。 Such a periodically poled (PP) element is an optical element produced by arranging a material having a nonlinear optical effect so as to invert the polarization at a specific period, for example, the second harmonic generation And optical parametric oscillation, difference frequency generation, etc. This periodic structure is formed for the purpose of quasi phase matching (QPM) to obtain the output intensity of the element output light, and the period differs depending on the wavelength of the light to be a target.
材料としては、非線形光学効果が大きいニオブ酸リチウム(LiNbO3)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)などが使用され、周期分極反転ニオブ酸リチウム(periodically poled LiNbO3)はPPLN、周期分極反転タンタル酸リチウム(periodically poled LiTaO3)はPPLTといった略称が用いられている。材料として窒化ガリウム(GaN)を利用する場合は、PPGaNという略称となる。 As materials, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), etc. having large nonlinear optical effects are used, and periodically poled lithium niobate (periodically poled LiNbO 3 ) is PPLN, periodically poled lithium tantalate (Periodically poled LiTaO 3 ) is an abbreviation such as PPLT. When using gallium nitride (GaN) as a material, it is abbreviated as PPGaN.
GaNをはじめIII族窒化物半導体を使うことの利点は、3つある。1つは、広い波長領域で透過性を有することである。例えば、LiNbO3が350nm〜5μmの範囲でのみ透過性を有するのに対し、GaNは365nm〜13μmの広範囲で透過性を有している。更にAlGaNやAlNを用いれば、透過波長をより短波側に拡張することができる。このことは、様々な波長の光に対応した素子をIII族窒化物半導体のみで作製できることを意味する。 There are three advantages to using GaN and III-nitride semiconductors. One is to have transparency in a wide wavelength range. For example, LiNbO 3 whereas having only transmissive in the range of 350nm~5μm, GaN has a permeability in a wide range of 365Nm~13myuemu. Furthermore, if AlGaN or AlN is used, the transmission wavelength can be further extended to the short wave side. This means that devices corresponding to light of various wavelengths can be manufactured using only a group III nitride semiconductor.
2つ目は、フォトリフラクティブ効果を持たないことである。このため、PPGaNはPPLNと異なり、動作中の温度制御を必要とせず、室温で動作させることができる。3つ目は、光損傷閾値が高いことである。例えば、LiNbO3の光損傷閾値が0.3GW/cm2程度であるのに対して、GaNの光損傷閾値は34TW/cm2である。このため、高出力素子を作製することが可能である。 The second is that it has no photorefractive effect. Therefore, unlike PPLN, PPGaN does not require temperature control during operation and can be operated at room temperature. The third is that the light damage threshold is high. For example, while the photodamage threshold of LiNbO 3 is about 0.3 GW / cm 2 , the photodamage threshold of GaN is 34 TW / cm 2 . For this reason, it is possible to produce a high power device.
前述したように、III族窒化物半導体を用いた周期分極反転素子には従来使用されてきたLiNbO3などに比べて優れた点が存在することが分かっているが、素子作製にあたって課題がある。 As described above, it is known that the periodically poled device using the group III nitride semiconductor has superior points to LiNbO 3 and the like conventionally used, but there are problems in the device fabrication.
III族窒化物半導体は、LiNbO3などの材料と異なり、自身が備えている分極は外部からの電界や熱処理などによっては変えることができない。このため、周期的に分極反転した構造を作製するためには、III族極性の結晶とV族極性の結晶を、各々成長する必要がある。例えば、非特許文献1においては、III族極性結晶に多量のMgをドーピングすると分極が反転し、この上に成長した結晶がV族極性になることを利用している。 Unlike materials such as LiNbO 3 , group III nitride semiconductors can not change the polarization provided by themselves by an external electric field, heat treatment, or the like. For this reason, in order to produce a periodically poled structure, it is necessary to grow crystals of group III polarity and crystals of group V polarity, respectively. For example, in Non-Patent Document 1, when a large amount of Mg is doped into a group III polar crystal, the polarization is reversed, and the fact that the crystal grown thereon becomes a group V polarity is utilized.
この製造方法では、表面がV族極性の結晶になった時点で一度成長を止め、フォトリソグラフィーを用いて周期構造を有するマスクで一部を覆い、マスクの無い部分のV族極性結晶を反応性イオンエッチング(RIE)によって除去し、III族極性の結晶を露出させる。この後、再び結晶成長を行うことで、周期的にIII族極性とV族極性が並んだ構造を得ている。 In this manufacturing method, the growth is stopped once when the surface becomes a crystal of group V polarity, and a part of the mask having a periodic structure is covered with photolithography, and the group V polar crystal in the portion without the mask is made reactive. It is removed by ion etching (RIE) to expose a group III polarity crystal. Thereafter, crystal growth is performed again to obtain a structure in which the group III polarity and the group V polarity are periodically aligned.
また、非特許文献2においては、分子線エピタキシー法(MBE)ではAlNの緩衝層があるとIII族極性の結晶が、AlNの緩衝層がないとV族極性の結晶が成長できることを利用している。この製造方法では、まず、AlN緩衝層を作製し、次いで、この一部をマスクし、誘導結合プラズマ型RIE(ICP−RIE)によってマスクの無い部分のAlN緩衝層を除去している。この基板の上にMBEでIII族窒化物半導体を成長することで、III族極性とV族極性の結晶とが周期的に並んだ構造を成長している。 In Non-Patent Document 2, in molecular beam epitaxy (MBE), the presence of a buffer layer of AlN makes it possible to grow a group III-polar crystal while a crystal of group V polarity can grow without the buffer layer of AlN. There is. In this manufacturing method, first, an AlN buffer layer is formed, then a part of the AlN buffer layer is masked, and the part without the mask is removed by inductively coupled plasma RIE (ICP-RIE). By growing a Group III nitride semiconductor by MBE on this substrate, a structure in which crystals of Group III polarity and Group V polarity are periodically arranged is grown.
以上2つの製造方法を始め、従来のIII族窒化物の周期分極反転構造の作製方法においては、成長面をV族極性とした結晶成長を必須の工程として含んでいる。このV族極性の結晶は、成長に際して、成長面をIII族極性とした結晶に比べて欠陥が多く含まれ、また結晶表面が六角錐、六角柱状の多数の凹凸によって覆われることで粗くなるという問題点を有する。特に、異種基板上に成長面をV族極性として成長したIII族窒化物は、結晶品質が高くなく、成長面をIII族極性として成長した結晶に比べて欠陥が多く、表面の粗い結晶しか得られていない。これらのことは、デバイス性能にとって制約となり、例えば周期分極反転窒化ガリウムにおいて波長変換効率の低下の要因などになる。 Starting from the above two manufacturing methods, in the conventional method for manufacturing a periodically poled structure of group III nitride, crystal growth with the growth surface set to group V polarity is included as an essential step. The crystal of group V polarity contains more defects during growth than the crystal whose growth surface is made group III polar, and the crystal surface is roughened by being covered with a large number of concavities and convexities of hexagonal column and hexagonal column. I have a problem. In particular, Group III nitrides grown on different substrates with the growth plane as Group V polarity have less crystal quality and have more defects than those grown with the growth plane Group III polarity, and only rough crystals on the surface are obtained. It is not done. These are limitations on the device performance, and cause, for example, a decrease in wavelength conversion efficiency in periodically poled gallium nitride.
また、従来の製造方法では、異種基板上界面近傍に周期分極反転構造成長のための層を作製した後は、III族極性の結晶とV族極性の結晶とを同時に成長していく。この時、2種の極性の結晶成長レートには差が存在し、一般にIII族極性の成長レートが速い。このため、層を厚くしていくとIII族極性結晶が凸型に成長してしまう。上記のような周期分極反転構造表面の粗さ、内部の欠陥は光学素子の特性劣化につながることが知られており、例えば、導波路型PPにおいては導波路の長手方向に形状が均一であることが求められ、表面に凹凸がある場合、つまり導波路の厚みが導波路長手方向に変動している場合には光の有効屈折率を変化させることから波長変換効率を低下させることが知られている。また、結晶内部の多量の欠陥は動作可能波長領域を狭めることになる。 In the conventional manufacturing method, after a layer for periodically poled inversion growth is formed in the vicinity of the interface on the dissimilar substrate, a crystal of group III polarity and a crystal of group V polarity are simultaneously grown. At this time, there is a difference between crystal growth rates of the two types of polarity, and in general, the growth rate of group III polarity is fast. Therefore, as the layer is thickened, the group III polar crystal grows in a convex shape. It is known that the surface roughness and the internal defect of the periodically poled structure as described above lead to the characteristic deterioration of the optical element. For example, in the waveguide type PP, the shape is uniform in the longitudinal direction of the waveguide It is known that the wavelength conversion efficiency is lowered because the effective refractive index of light is changed when the surface has unevenness, that is, when the thickness of the waveguide varies in the longitudinal direction of the waveguide. ing. In addition, a large amount of defects inside the crystal narrows the operable wavelength range.
これらの凹凸はCMPなどの研磨によって平坦化することが可能であるが、III族極性結晶はV族極性結晶に比べて化学的に不活性であり、III族極性結晶からなる凸部をV族極性結晶と同じ高さとなるように研磨する場合には、V族極性結晶の研磨も大きく進むことから素子厚みの制御性は高くない。 These irregularities can be planarized by polishing such as CMP, but the group III polar crystal is chemically inactive compared to the group V polar crystal, and the convex portion composed of the group III polar crystal is group V In the case of polishing so as to have the same height as the polar crystal, the polishing of the V group polar crystal also largely progresses, and the controllability of the element thickness is not high.
以上に説明したように、従来の技術では、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が、容易に作製することが困難であるという問題があった。 As described above, in the prior art, there is a problem that it is difficult to easily manufacture an element having a periodic polarization inversion structure made of a group III nitride semiconductor having high crystallinity and having a good characteristic.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が、より容易に作製できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to easily manufacture an element having a periodic polarization inversion structure made of a group III nitride semiconductor having good crystallinity and having a good characteristic. The purpose is to
本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法は、第1基板の上に主表面をIII族極性面とした第1半導体層が形成された状態とする第1工程と、第2基板の上に窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長して成長表面をIII族極性面として第2半導体層を形成する第2工程と、第1半導体層のIII族極性面と第2半導体層のIII族極性面とを向かい合わせた状態で第1基板と第2基板とを貼り合わせる第3工程と、第3工程の後で、第2基板を除去して第2半導体層のV族極性面を露出させる第4工程と、第4工程の後で、第2半導体層に配列されて第2半導体層を貫通する複数の溝部を形成する第5工程と、複数の溝部の各々の底面より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、複数の溝部内の各々に成長表面をIII族極性面として第3半導体層を形成する第6工程とを備える。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, a first step of forming a first semiconductor layer whose main surface is a group III polar surface on a first substrate, and a second substrate are provided. A second step of crystal-growing a nitride semiconductor in the + c axis direction to form a second semiconductor layer with the growth surface as a group III polar surface, a group III polar surface of the first semiconductor layer and a group III polarity of the second semiconductor layer After the third step of bonding the first substrate and the second substrate with the surfaces facing each other, and after the third step, the second substrate is removed to expose the V-group polar surface of the second semiconductor layer After the fourth step and the fourth step, the fifth step of forming a plurality of grooves arranged in the second semiconductor layer and penetrating the second semiconductor layer, and a nitride semiconductor from the bottom of each of the plurality of grooves Epitaxially grow in the + c axis direction, with each of the plurality of grooves having a growth surface of group III polarity As and a sixth step of forming a third semiconductor layer.
上記窒化物半導体素子の作製方法において、第1工程では、第1基板の上に窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長して成長表面をIII族極性面として第1半導体層を形成する。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device, in the first step, a nitride semiconductor is crystal-grown on the first substrate in the + c axis direction to form a first semiconductor layer with the growth surface as a group III polar surface.
上記窒化物半導体素子の作製方法において、第1基板は、シリコン、サファイア、および炭化シリコンのいずれかから構成し、第1工程において、第1半導体層は、厚さ410nm以上に形成すればよい。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device, the first substrate may be formed of any of silicon, sapphire, and silicon carbide, and in the first step, the first semiconductor layer may be formed to a thickness of 410 nm or more.
上記窒化物半導体素子の作製方法において、第1基板は、主表面をIII族極性面としたIII族の窒化物から構成し、第1基板の一部を第1半導体層としてもよい。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device, the first substrate may be made of a Group III nitride whose main surface is a Group III polar surface, and a part of the first substrate may be a first semiconductor layer.
上記窒化物半導体素子の作製方法において、第6工程の後で、第2半導体層および第3半導体層をパターニングし、第2半導体層と第3半導体層とが複数の溝部の配列方向に交互に並んで接続し、複数の溝部の配列方向に延在した所定の幅のリブパターンを形成する第7工程を更に備えるようにしてもよい。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device, after the sixth step, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are patterned, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are alternately arranged in the arrangement direction of the plurality of grooves. The method may further include a seventh step of connecting side by side and forming a rib pattern of a predetermined width extending in the arrangement direction of the plurality of grooves.
以上説明したように、本発明によれば、成長面をIII族極性として形成した第1半導体層と第2半導体層とを、これらのIII族極性面同士を向かい合わせて一体とし、第2半導体層の表面は、V族極性面とし、個のV族極性面と同じ方向を向く第1半導体層の表面はIII族極性面としたので、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が、より容易に作製できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer having the growth surface formed as the group III polarity are integrated with the group III polarity faces facing each other, The surface of the layer is a group V polar face, and the surface of the first semiconductor layer facing in the same direction as the individual group V polar faces is a group III polar face, so periodic polarization inversion by a group III nitride semiconductor with good crystallinity It is possible to obtain an excellent effect that a device having good structure and characteristics can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[実施の形態1]
はじめに、本発明の実施の形態1における窒化物半導体素子の作製方法について、図1A〜図1Iを参照して説明する。以下では、周期分極反転素子を作製する場合を例に説明する。
First Embodiment
First, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1I. Below, the case where a period polarization inversion element is produced is demonstrated to an example.
まず、図1Aに示すように、第1基板101の上に窒化物半導体からなる第1半導体層102を形成する(第1工程)。ここで、窒化物半導体は、+c軸方向に結晶成長(エピタキシャル成長)して成長表面をIII族極性面として第1半導体層102を形成する。
First, as shown in FIG. 1A, a
第1基板101は、GaNなどの窒化物半導体を成長するために一般的に用いられている基板でよく、例えばSi、サファイア、SiC、GaNなどであればよい。実施の形態1では、第1基板101としてサファイア基板を用いる。サファイア基板上のGaNの成長には、低温で成長したGaN核形成層などを基板上に形成した後に、成長温度を上げてGaNを成長する方法が一般的に用いられている。エピタキシャル成長法としては、有機金属化学気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシー法(MBE)などを用いれば良い。これらの堆積方法によって得られる第1半導体層102は、成長表面がIII族極性となる条件で成長する。
The
ここで、第1半導体層102の厚さは、以下の2点を考慮する必要がある。第1に、第1半導体層102は、再成長時のテンプレートとなる層である。第1半導体層102は、素子作製の最終工程にてIII族極性でIII族窒化物を成長するためのテンプレートとなるため、再成長時に高品質な層が100nm程度以上は存在することが望ましい。第1基板101が、実施の形態1で想定しているサファイア基板のように異種基板であった場合、第1基板101との界面から200nm程度は欠陥の多い層である。このことも考慮される必要がある。層厚を決める第2の要因は、素子作製過程で削られる分の厚さである。第1半導体層102は、素子作製工程で表面を合計110nm以上削られる。以上のことから、第1半導体層102の層厚は410nm以上が望ましい。
Here, the thickness of the
一方で、周期分極反転構造の下部に屈折率の等しいGaN層が存在することは、周期分極反転構造内部への光閉じ込め効果が弱まり、第2高調波発生において好ましくないため、第1半導体層102の層厚を数μm以上とすることは好ましくない。厚い層を用いる場合、GaNの層上にAlGaNやAlNの層を挿入して周期分極反転構造材料との屈折率差を生じさせたり、非特許文献3に示されているようにAlGaNやGaNなどの複数材料によって周期多層構造を作製したりして周期分極反転構造内部に光を閉じ込める構造を作製することが望ましい。 On the other hand, the presence of the GaN layer having the same refractive index in the lower part of the periodically poled structure weakens the light confinement effect inside the periodically poled structure and is not preferable in the second harmonic generation. It is not preferable to make the layer thickness of a few μm or more. When a thick layer is used, a layer of AlGaN or AlN is inserted on the layer of GaN to cause a difference in refractive index with the periodically poled structure material, or AlGaN or GaN as shown in Non-patent Document 3. It is desirable to fabricate a periodic multi-layer structure by using a plurality of materials of the above to create a structure that confines light inside the periodically poled structure.
また、第1基板101として主表面がIII族極性のIII族窒化物基板を用い、この上にエピタキシャル成長による層を形成せず、第1基板101の一部を第1半導体層102としてもよい。この場合も、基板と周期分極反転構造の屈折率とが等しくなることを避けるために、屈折率の異なる層や周期多層構造のような周期分極反転構造内部へ光を閉じ込める構造を作製することが望ましい。
Alternatively, a group III nitride substrate whose main surface has a group III polarity may be used as the
また、上述では第1半導体層102をGaNから構成したが、AlGaNやAlN、InGaNなどから構成してもよく、またこれらの材料を組み合わせた積層構造でも良い。重要な点は、第1半導体層102が、成長表面をIII族極性として成長され、主表面がIII族極性面となっていることである。
Further, although the
次に、図1Bに示すように、第2基板103の上に、窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長し、成長表面をIII族極性面として第2半導体層104を形成する(第2工程)。
Next, as shown in FIG. 1B, the
第2基板103も、第1基板101と同様に、GaNを成長するために一般的に用いられている基板でよく、例えばSi、サファイア、SiC、GaNなどから構成すればよい。実施の形態1では、第2基板103としてサファイア基板を用いる。前述したように、サファイア基板上のGaNの成長には、低温で成長したGaN核形成層などを基板上に形成した後に、成長温度を上げてGaNを成長する方法が一般的に用いられている。エピタキシャル成長法としては、MOCVDやMBEなどを用いれば良い。これらの方法によって得られる第2半導体層104も、成長面がIII族極性となるように成長する。
Similarly to the
第2半導体層104の厚さは下記2点を考慮して決定される。第1に、素子の厚さである。周期分極反転素子とする場合の素子厚さは、入力する光の波長や求める出力パワーによって数百nmから数十μmと幅広い値が想定される。入力する波長が小さい場合にマルチモードの伝搬を避けるならば、素子は薄い方が良い。一方で、出力を大きくするためには、素子を厚くして入力パワーを大きくする必要がある。これらは、応用例に応じて設計する必要がある。
The thickness of the
厚さを決める第2の要因は、素子作製過程で削られる分の厚さである。第2半導体層104は、素子作製工程で複数回削られ、合計で300nm以上削られる。以上のことから、第2半導体層104は、素子の厚みに加えて300nm以上成長することが望ましい。
The second factor that determines the thickness is the thickness that is scraped off during the device fabrication process. The
次に、図1Cに示すように、第1半導体層102のIII族極性面と第2半導体層104のIII族極性面とを向かい合わせた状態で、第1基板101と第2基板103とを貼り合わせる(第3工程)。実施の形態1では、第1半導体層102のIII族極性面と第2半導体層104のIII族極性面とが接合される。この貼り合わせの方法は、常温接合や表面活性化接合法(SAB)など、公知の貼り合わせ方法を用いればよい。
Next, as shown in FIG. 1C, the
ところで、第1半導体層102の表面にはエピタキシャル成長によって形成した時点で算術平均荒さRaが〜数nm程度の表面粗さが残存する場合がある。この場合、第1半導体層102の表面を化学機械研磨(CMP)などの方法で研磨して平坦化してから上述の接合を行うとよい。良好な貼り合わせを得るためには、Raが〜数100pm以下まで第1半導体層102の表面を平坦化することが望ましい。CMPによる平坦化の際には、100nm程度のGaN結晶を削るため、第1半導体層102はこの時削られる分を加味した膜厚とする必要がある。
By the way, when it forms by epitaxial growth on the surface of the
次に、第3工程の後で、第2基板103を除去(剥離)し、図1Dに示すように、第2半導体層104のV族極性面を露出させる(第4工程)。第2基板103の除去は、公知の方法を用いればよい。例えば、バックグラインドによって基板を削って薄層化し、CMPによって第2半導体層104を露出させ、平坦化するといった方法が考えられる。
Next, after the third step, the
ここで、第2半導体層104と第2基板103との界面は、前述のGaN核形成層のような結晶品質の低い層が存在する場合がある。この層は、一般に数十nm程度の厚みを有する。また、核形成層上部の結晶は欠陥を多数含んでおり、デバイス応用には適していない。このため、第2基板103と第2半導体層104の界面から、第2半導体層104を更に200nm程度削り、十分に結晶品質の高い結晶を表面とすることが望ましい。ここで、露出させた第2半導体層104の主表面は、III族極性で成長したGaN結晶を反転させているため、V族極性のGaN結晶となり、V族極性面となっている。
Here, at the interface between the
次に、上述したように第2基板103を除去した後で、図1Eに示すように、第2半導体層104の露出させたV族極性面の上に、レジストパターン106を形成する。レジストパターン106には、周期的に配列された複数の開口部106aを備える。複数の開口部106aは、所定の方向に延在している溝である。例えば、一般的に用いられているフォトレジストを第2半導体層104の上に塗布して塗布膜を形成する。この塗布膜を、公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングするとで、複数の開口部106aを備えるレジストパターン106が形成できる。
Next, after removing the
ここで作製するレジストパターン106における複数の開口部106aの周期は、光学素子として動作させる際にターゲットとなる光の波長によって調整することが必要となる。一般に、短波長の光をターゲットとする場合の方が、周期が短くなる。例えば、通信波長帯1550nmの光を入力して第2高調波を得る素子を考えると、8μm程度ごとに分極を反転させれば良く、これに合わせて周期的に複数の開口部106aを形成すればよい。この形状は、フォトリソグラフィーの精度で十分に加工が可能である。
The period of the plurality of
次に、形成したレジストパターン106をマスクとして第2半導体層104を選択的にエッチングすることで、図1Fに示すように、第2半導体層104に配列されて第2半導体層104を貫通する複数の溝部104aを形成する(第5工程)。実施の形態1では、複数の溝部104aの底面に、第1半導体層102のIII族極性面107を露出させる。このとき、第1半導体層102の表面で上述したエッチングを止めず、第1半導体層102も厚さ方向に10nm以上削ることが望ましい。
Next, by selectively etching the
第1半導体層102もある程度エッチングする理由は、接合界面105の周囲には接合に際して生じるダメージが入っている可能性が高いためである。ダメージの入った層は厚さが10nm程度と想定される。また、第1半導体層102と第2半導体層104とが同一材料である場合には、界面でエッチングを確実に停止することが容易ではなく、第1半導体層102までエッチングしてしまうことも想定される。
The reason why the
エッチングの方法としては、第2半導体層104であるV族極性GaN結晶を溶解するのにKOH水溶液やNaOH水溶液を用い、第1半導体層102をエッチングするのにICP−RIEを用いる方法がある。また、第2半導体層104および第1半導体層102ともにICP−RIEでエッチングする方法などが考えられる。
As a method of etching, there is a method of using a KOH aqueous solution or a NaOH aqueous solution to dissolve the V group polar GaN crystal which is the
次に、レジストパターン106を除去し、図1Gに示すように、複数の溝部104aが形成された第2半導体層104を露出させる。例えば、アセトンおよびエタノールによりレジストパターン106を溶解することで除去することが可能である。
Next, the resist
次に、複数の溝部104aの各々の底面より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、複数の溝部104a内の各々に成長表面をIII族極性面として第3半導体層108を形成する(第6工程)。実施の形態1では、複数の溝部104aの各々の底面に第1半導体層102のIII族極性面107を露出させているので、このIII族極性面107より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、図1Hに示すように、複数の溝部104a内の各々に第3半導体層108を形成する。
Next, the nitride semiconductor is epitaxially grown from the bottom of each of the plurality of
第3半導体層108は、成長面をIII族極性として成長する。例えば、GaNをエピタキシャル成長させればよい。これにより、溝部104aの配列方向に、上面(表面)がIII族極性面とされた第3半導体層108と、上面がV族極性とされた第2半導体層104の部分とが、交互に並んで接続した周期分極反転構造が得られる。
The
実施の形態1では、第1半導体層102であるGaNと同じGaNを第3半導体層108として成長しているが、第3半導体層108はAlGaNやAlN、InGaNでもよく、またはこれらの材料を組み合わせた積層構造でも良い。重要な点は、第3半導体層108がエッチングによって露出したIII族極性の第1半導体層102の上のエピタキシャル成長によってIII族極性によって成長されることである。
In the first embodiment, the same semiconductor GaN as the
なお、実施の形態1では、溝部104aの部分に加え、溝部104a以外の領域の第2半導体層104の上にも、第4半導体層109が成長する。第4半導体層109は、成長面をV族極性として成長する。
In the first embodiment, the
次に、第2半導体層104上に成長したV族極性の第4半導体層109をCMPなどの方法によって除去し、図1Iに示すように、第3半導体層108表面と合わせて第2半導体層104の表面の平坦化を行う。
Next, the
前述したように、第3半導体層108の成長中に第2半導体層104の上にV族極性の第4半導体層109が成長する。これにより、第2半導体層104の表面が粗くなり、また、第2半導体層104と第3半導体層108との間に段差が発生することが想定される。第2半導体層104の凸部は第3半導体層108と同じ高さまで平坦化する。周期分極構造の表面には、大きな凹凸のない状態にすることが重要となる。
As described above, during the growth of the
以上に説明した実施の形態1によれば、成長面をV族極性とした結晶成長がないので、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が作製できる。また、実施の形態1によれば、例えば、III族極性結晶が凸となっている状態の平坦化などがなく、複雑な工程を用いることなく、より容易に上記素子が作製できる。 According to the first embodiment described above, since there is no crystal growth in which the growth surface has a V-group polarity, an element having a periodic polarization inversion structure of a group III nitride semiconductor with good crystallinity can be manufactured. Moreover, according to the first embodiment, for example, there is no flattening or the like in a state in which the group III polar crystal is convex, and the element can be more easily manufactured without using a complicated process.
[実施の形態2]
次に、本発明の実施の形態2における窒化物半導体素子の作製方法について、図2A〜図2Eを参照して説明する。以下でも、周期分極反転素子を作製する場合を例に説明する。
Second Embodiment
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2E. Also in the following, the case of producing a periodically poled device will be described as an example.
まず、実施の形態1と同様に、第1工程として、第1基板101の上に窒化物半導体からなる第1半導体層102を形成する(図1A)。ここで、窒化物半導体は、+c軸方向に結晶成長(エピタキシャル成長)して成長表面をIII族極性面として第1半導体層102を形成する。次に、やはり前述した実施の形態1と同様に、第2工程として、第2基板103の上に、窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長し、成長表面をIII族極性面として第2半導体層104を形成する(図1B)。
First, as in the first embodiment, as a first step, the
次に、第3工程として、第1半導体層102のIII族極性面と第2半導体層104のIII族極性面とを向かい合わせた状態で、第1基板101と第2基板103とを貼り合わせる(図1C)。
Next, in a third step, the
次に、図2Aに示すように、第2基板103の方向からレーザーを照射することによるレーザーリフトオフによって第2基板103を除去し、第2半導体層104のV族極性面を露出させる。レーザーの照射では、第2基板103との界面近傍の第2半導体層104が破壊される。このため、第2半導体層104は、素子となる部位を成長する前に数μm程度の窒化物半導体(例えばGaN)の層を剥離犠牲層として成長しておく。
Next, as shown in FIG. 2A, the
また、レーザーリフトオフ後の結晶表面は、Ra>数十nm以上の表面粗さが残存する。従って、CMPなどの方法によって、露出した第2半導体層104のV族極性面を平坦化する必要がある。平坦化は、Raが〜数100pm程度まで行われることが望ましい。通常、CMPによって前述のレベルの表面粗さを平坦化するには、数百nm程度の窒化物半導体の結晶を削る必要がある。以上のことから、実施の形態2では、第2半導体層104の厚さを3μm程度以上としておくことが望ましい。
In addition, on the crystal surface after laser lift-off, surface roughness of Ra> several tens of nm or more remains. Therefore, it is necessary to planarize the exposed group V polarity surface of the
次に、上述したように第2基板103を除去した後で、図2Bに示すように、第2半導体層104の露出させたV族極性面の上に、例えば酸化シリコンから構成した無機マスク116を形成する。無機マスク116には、前述したレジストパターン106と同様に、周期的に配列された複数の開口部116aを備える。複数の開口部116aは、所定の方向に延在している溝である。
Next, after removing the
例えば、第2半導体層104のV族極性面とした表面上に、開口部116aの部分にパターンが配置され、開口部116a以外の領域に開口部を備えるリフトオフマスクを形成する。リフトオフマスクは、よく知られたフォトレジストをフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで形成すればよい。次いで、リフトオフマスクの上に、よく知られたスパッタ法などの堆積法により酸化シリコンを厚さ数十nm程度堆積し、酸化シリコン層を形成する。この後、リフトオフマスクを除去する(リフトオフする)ことで、酸化シリコンからなる無機マスク116が形成できる。
For example, on the surface of the
次に、形成した無機マスク116をマスクとして第2半導体層104を選択的にエッチングすることで、図2Cに示すように、第2半導体層104に配列されて第2半導体層104を貫通する複数の溝部104aを形成する(第5工程)。実施の形態2でも、複数の溝部104aの底面に、第1半導体層102のIII族極性面107を露出させる。このとき、実施の形態1と同様に、第1半導体層102の表面で上述したエッチングを止めず、第1半導体層102も厚さ方向に10nm以上削ることが望ましい。
Next, by selectively etching the
次に、複数の溝部104aの各々の底面の第1半導体層102のIII族極性面107より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、図2Dに示すように、複数の溝部104a内の各々に第3半導体層108を形成する(第6工程)。第3半導体層108は、成長面をIII族極性として成長する。例えば、GaNをエピタキシャル成長させればよい。これにより、溝部104aの配列方向に、上面(表面)がIII族極性面とされた第3半導体層108と、上面がV族極性とされた第2半導体層104の部分とが、交互に並んで接続した周期分極反転構造が得られる。
Next, a nitride semiconductor is epitaxially grown in the + c axis direction from the group III
ここで、実施の形態2では、無機マスク116が形成されている状態で、第3半導体層108を成長させている、このため、よく知られているように、無機マスク116が選択成長マスクとなり、開口部116a以外の無機マスク116の上では、窒化物半導体の成長が阻まれ、複数の溝部104aの底部のIII族極性面107にのみ、第3半導体層108が再成長する。従って、実施の形態2によれば、第2半導体層104の層厚を制御することによって素子の厚さを制御することが可能となる。第2半導体層104は、III族極性のエピタキシャル成長によって作製しているため、数nmのオーダーで厚さの制御性を得ることが可能である。
Here, in the second embodiment, the
次に、無機マスク116を除去し、図2Eに示すように、第3半導体層108表面と合わせて第2半導体層104の表面の平坦化を行う。例えば、酸化シリコンから構成した無機マスク116は、フッ酸をエッチング液としてエッチングすることで、他の窒化物半導体層に対して選択的に除去することができる。
Next, the
以上に説明した実施の形態2においても、成長面をV族極性とした結晶成長がないので、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が作製できる。また、実施の形態2によれば、例えば、III族極性結晶が凸となっている状態の平坦化などがなく、複雑な工程を用いることなく、より容易に上記素子が作製できる。 Also in the second embodiment described above, since there is no crystal growth in which the growth surface has a V-group polarity, it is possible to manufacture an element having a periodic polarization inversion structure of a group III nitride semiconductor with good crystallinity. Further, according to the second embodiment, for example, there is no flattening or the like in a state in which the group III polar crystal is convex, and the element can be more easily manufactured without using a complicated process.
[実施の形態3]
次に、本発明の実施の形態3における窒化物半導体素子の作製方法について、図3A〜図3Iを参照して説明する。以下でも、周期分極反転素子を作製する場合を例に説明する。
Third Embodiment
Next, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3I. Also in the following, the case of producing a periodically poled device will be described as an example.
まず、図3Aに示すように、第1基板101の上に窒化物半導体からなる第1半導体層102を形成する(第1工程)。ここで、窒化物半導体は、+c軸方向に結晶成長(エピタキシャル成長)して成長表面をIII族極性面として第1半導体層102を形成する。これは、実施の形態1,2と同様である。
First, as shown in FIG. 3A, the
引き続き、第1半導体層102の上に、エッチング停止層201および接合層202を、エピタキシャル成長させる。接合層202は、接合を行った際の結晶に生じるダメージを受ける層である。更に接合前には前述した平坦化CMPを実施する場合もあることから、接合層202は110nm以上であることが望ましい。
Subsequently, the
エッチング停止層201は、後述する第2半導体層104および接合層202のエッチング加工時に、エッチングを止める層である。また、後述する第3半導体層118をエピタキシャル成長によって再成長する際の下地にもなる。従って、エッチング停止層201は、III族窒化物であり、かつ接合層202とは異なる物質でありエッチングレートが大きく異なる材料であることが望ましい。
The
例えば、GaNに対してAlNは、Cl系のガスを用いたICP−RIEにおけるエッチングレート比が、38:1程度になるとの報告がある(非特許文献4参照)。従って、接合層202をGaNから構成し、エッチング停止層201をAlNから構成することで、エッチングをエッチング停止層201表面で止めることが可能となる。実施の形態3では、接合層202をGaNから構成し、エッチング停止層201をAlNから構成する。実施の形態3によれば、第1半導体層102は接合前の研磨や接合ダメージを考慮する必要がないため、300nm程度以上であれば良い。これらの層は全て成長面をIII族極性として成長されていることが重要である。
For example, there is a report that AlN has an etching rate ratio of about 38: 1 in ICP-RIE using a Cl-based gas relative to GaN (see Non-Patent Document 4). Therefore, when the
次に、前述した実施の形態1,2と同様に、図3Bに示すように、第2基板103の上に、窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長し、成長表面をIII族極性面として第2半導体層104を形成する(第2工程)。
Next, as in the first and second embodiments described above, as shown in FIG. 3B, the nitride semiconductor is crystal-grown in the + c-axis direction on the
次に、図3Cに示すように、第1半導体層102のIII族極性面と第2半導体層104のIII族極性面とを向かい合わせた状態で、第1基板101と第2基板103とを貼り合わせる(第3工程)。実施の形態3では、接合層202のIII族極性面と第2半導体層104のIII族極性面とが接合される。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次に、第3工程の後で、前述した実施の形態1と同様に、第2基板103を除去(剥離)し、図3Dに示すように、第2半導体層104のV族極性面を露出させる(第4工程)。露出させた第2半導体層104の主表面は、III族極性で成長したGaN結晶を反転させているため、V族極性のGaN結晶となり、V族極性面となっている。
Next, after the third step, as in the first embodiment described above, the
次に、上述したように第2基板103を除去した後で、図3Eに示すように、前述した実施の形態1と同様に、第2半導体層104の露出させたV族極性面の上に、レジストパターン106を形成する。レジストパターン106には、周期的に配列された複数の開口部106aを備える。
Next, after removing the
次に、形成したレジストパターン106をマスクとして第2半導体層104および接合層202を選択的にエッチングすることで、図3Fに示すように、第2半導体層104に配列されて第2半導体層104を貫通する複数の溝部104aを形成する(第5工程)。実施の形態3では、接合層202も貫通させて複数の溝部104aを形成し、複数の溝部104aの底面に、エッチング停止層201のIII族極性面を露出させる。実施の形態3では、エッチング停止層201を設けているので、上述したエッチングがエッチング停止層201で自動的に停止する。
Next, the
例えば、エッチング停止層201と接合層202とでエッチングレートが大きく異なるエッチング方法を用いればよい。例えば、エッチング停止層201をAlNから構成した場合、まず、V族極性である第2半導体層104を、KOHなどを用いたウェットエッチングによってエッチングし、接合層202のIII族極性面を露出させる。次いで、GaNから構成した接合層202とAlNから構成したエッチング停止層201とのエッチングレートの差が大きい塩素系のガスを用いたICP−RIEによって、接合層202を選択的にエッチング除去する。また、第2半導体層104から接合層202までを一貫して、Cl系のガスを用いたICP−RIEによってエッチングするようにしてもよい。
For example, an etching method in which the etching rate is largely different between the
次に、レジストパターン106を除去し、図3Gに示すように、複数の溝部104aが形成された第2半導体層104を露出させる。なお、実施の形態2で説明したように、無機マスクを用いる場合、無機マスクは除去しない。
Next, the resist
次に、複数の溝部104aの各々の底面より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、図3Hに示すように、複数の溝部104a内の各々に成長表面をIII族極性面として第3半導体層118を形成する(第6工程)。実施の形態3では、複数の溝部104aの底面に露出しているエッチング停止層201のIII族極性面に、第3半導体層118を再成長させる。例えば、GaNをエピタキシャル成長させればよい。これにより、溝部104aの配列方向に、上面(表面)がIII族極性面とされた第3半導体層118と、上面がV族極性とされた第2半導体層104の部分とが、交互に並んで接続した周期分極反転構造が得られる。
Next, the nitride semiconductor is epitaxially grown from the bottom of each of the plurality of
実施の形態3では、エッチング停止層201でエッチングを止めるために、第3半導体層118の成長前に第2半導体層104と第3半導体層118とが周期的に配列する素子の厚さと、第3半導体層118の成長膜厚の関係を知ることができる。このことから、成長させる層の厚さを制御することで素子厚みを制御することが可能である。実施の形態1,2では、素子作製工程の序盤である第2半導体層104の成長段階で素子厚みを制御するため、素子作製工程中の研磨工程などにより、計画した素子厚みから作製された素子厚みがずれることが想定される。一方で、実施の形態3では素子作製工程終盤である第3半導体層118の層厚によって素子厚みを制御するため、制御性の向上が期待される。
In the third embodiment, in order to stop the etching at the
なお、上述したようにレジストパターン106を用いる場合、レジストパターン106を除去してから再成長を行うので、溝部104aの部分に加え、溝部104a以外の領域の第2半導体層104の上にも、第4半導体層109が成長する。第4半導体層109は、成長面をV族極性として成長する。
When the resist
次に、第2半導体層104上に成長したV族極性の第4半導体層109をCMPなどの方法によって除去し、図3Iに示すように、第3半導体層118表面と合わせて第2半導体層104の表面の平坦化を行う。この工程で第3半導体層118が削られるため、第3半導体層118はこの工程を考慮した膜厚分成長しておくことが望ましい。なお、実施の形態2で説明した無機マスクを用いる場合、CMPなどの研磨で削る厚さを最小限に留めることができるため、第3半導体層118による素子厚みの制御性が向上することが期待できる。
Next, the
以上に説明した実施の形態3においても、成長面をV族極性とした結晶成長がないので、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が作製できる。また、実施の形態1によれば、例えば、III族極性結晶が凸となっている状態の平坦化などがなく、複雑な工程を用いることなく、より容易に上記素子が作製できる。 Also in the third embodiment described above, since there is no crystal growth in which the growth plane is made the V group polarity, it is possible to manufacture an element having a periodic polarization inversion structure of a group III nitride semiconductor with good crystallinity. Moreover, according to the first embodiment, for example, there is no flattening or the like in a state in which the group III polar crystal is convex, and the element can be more easily manufactured without using a complicated process.
[実施の形態4]
次に、本発明の実施の形態4における窒化物半導体素子の作製方法について、図4A〜図4Cを参照して説明する。以下では、導波路型の周期分極反転素子を作製する場合を例に説明する。
Fourth Embodiment
Next, a method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4C. In the following, the case of fabricating a waveguide type periodic polarization inverting element will be described as an example.
まず、前述した実施の形態1で説明したように、第1工程〜第6工程により、図4Aに示すように、表面をIII族極性面とした第2半導体層104と、表面をIII族極性面とした第3半導体層108とが、第1半導体層102の上に交互に配列された周期分極反転素子を形成する。
First, as described in the first embodiment, as shown in FIG. 4A in the first to sixth steps, the
次に、交互に配列している第2半導体層104および第3半導体層108の上に、配列方向に延在して所定の幅とされたマスクパターン301を形成する。例えば、フォトレジストを塗布してレジスト膜を形成し、形成したレジスト膜を公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで、マスクパターン301を形成すればよい。
Next, on the
次に、マスクパターン301をマスクとして第2半導体層104および第3半導体層108をエッチングすることで第2半導体層104および第3半導体層108をパターニングし、図4Bに示すように、第2半導体層104と第3半導体層108とが交互に並んで配列して接続し、これらの配列方向に延在した所定の幅のリブパターン302を形成する(第7工程)。この後、マスクパターン301を除去すれば、図4Cに示すように、リブパターン302をコアとする導波路型の周期分極反転素子が得られる。例えば、アセトンおよびエタノールにより、マスクパターン301を溶解することで除去することが可能である。
Next, the
ここで、第2半導体層104と第3半導体層108とによる分極反転の周期は、一般に導波路コアサイズや入力する光の波長によって変動する。このため、前述した実施の形態に示したような導波路構造をとらない場合の周期分極反転素子と異なった周期にする必要がある。
Here, the period of the polarization inversion by the
リブパターン302をコアとした導波路は、長いほど相互作用長が大きくなり、第2高調波の出力は増大する。しかしながら、導波路の導波方向に均一な分極反転周期の実現、均一な導波路コアサイズなどが実現できない場合には、第2高調波発生効率の低下をもたらす。また、導波路長の増大は、対応帯域を狭めることとなり、応用によって長さを設計することが求められる。
The longer the waveguide having the
導波路の幅は、導波路のコアサイズ(リブパターン302の幅)を決める因子であるため、入力する光の波長やパワーを考慮して設定することが必要である。コアサイズを小さくするとシングルモードのみ伝搬させることができ、変換効率の向上が期待できる。しかしながらこの場合、パワー密度が上がるために素子破壊を防ぐためには入力パワーを大きくすることができず、出力パワーを大きくとることができない。以上の関係から、導波路型の周期構造反転素子を作製する場合には導波路構造を設計したうえで分極反転周期を決定することが重要となる。 The width of the waveguide is a factor that determines the core size of the waveguide (the width of the rib pattern 302), and therefore, the width needs to be set in consideration of the wavelength and power of the input light. If the core size is reduced, only a single mode can be propagated, and improvement in conversion efficiency can be expected. However, in this case, the input power can not be increased in order to prevent the element breakdown because the power density is increased, and the output power can not be increased. From the above relationship, when manufacturing a waveguide-type periodic structure inversion element, it is important to determine the polarization inversion period after designing the waveguide structure.
以上に説明したように、本発明によれば、成長面をIII族極性として形成した第1半導体層と第2半導体層とを、これらのIII族極性面同士を向かい合わせて一体とし、第2半導体層の表面は、V族極性面とし、個のV族極性面と同じ方向を向く第1半導体層の表面はIII族極性面としたので、結晶性のよいIII族窒化物半導体による周期分極反転構造を持つ特性のよい素子が、より容易に作製できるようになる。 As described above, according to the present invention, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer in which the growth surface is formed as the group III polarity are integrated with their group III polarity faces facing each other. The surface of the semiconductor layer is a group V polar face, and the surface of the first semiconductor layer facing the same direction as the individual group V polar faces is a group III polar face, so periodic polarization by a group III nitride semiconductor with good crystallinity An element with good characteristics having an inverted structure can be more easily manufactured.
本発明によれば、まず、表面側がV族極性である第2半導体層104内部の欠陥量を、III族極性面を成長面として成長させた結晶と同等にまで減らすことが可能となり、高品質化につながることである。特に、第2基板103に主表面をIII族極性面としたIII族窒化物基板を用いた場合には、III族窒化物結晶をホモエピタキシャル成長によって作製できるため、V族極性結晶品質が従来に比べて大幅に向上することが期待できる。
According to the present invention, first, it is possible to reduce the amount of defects in the
また、III族極性面を成長面とした成長のみで構成することで、不純物濃度を低く、かつ均一にできることである。III族窒化物結晶の成長においてIII族極性面を成長面とした場合(III族極性成長)と、V族極性面を成長面とした場合(V族極性成長)とでは、不純物の取り込み量に差があり、一般にV族極性の結晶の方が不純物を多く取り込む。実施の形態1では、V族極性成長を行わないため、光の散乱源となる不純物濃度を低くすることができる。 In addition, the impurity concentration can be reduced and made uniform by forming only the growth with the group III polar plane as the growth plane. In the case where the group III polar plane is the growth plane (group III polar growth) and the case where the group V polar plane is the growth plane (group V polar growth) in the growth of the group III nitride crystal, There is a difference, and in general, the crystal of group V polarity takes in more impurities. In the first embodiment, since the group V polarity growth is not performed, the impurity concentration which is a light scattering source can be reduced.
更に本発明においては、従来のようにIII族極性とV族極性の結晶を同時に成長せず、第2半導体層の表面側をV族極性面とした後で、III族極性(第3半導体層)の成長を行い、周期構造を作製する。このため、III族極性成長とV族極性成長とで成長レートが異なることから生じる厚さの不均一を考慮する必要がない。周期分極反転構造状に凹凸が生じる場合にも凸部がV族極性結晶からなるため、研磨過程で素子厚みの変動をほとんど受けずにIII族極性結晶と同じ高さの平坦な表面を得ることができる。このため、エピタキシャル成長によって制御性良く再成長したIII族極性結晶の厚さによって均一な厚みを有する周期分極反転構造を作製することが可能である。 Furthermore, in the present invention, the crystals of the group III polarity and the group V polarity are not grown simultaneously as in the prior art, and the surface side of the second semiconductor layer is made the group V polarity plane. To grow a periodic structure. For this reason, it is not necessary to consider the thickness non-uniformity resulting from the growth rate being different between the group III polar growth and the group V polar growth. Even when irregularities are generated in the periodically poled structure, the convex portions are made of V group polar crystals, and therefore, it is possible to obtain a flat surface having the same height as that of group III polar crystals with little fluctuation in element thickness in the polishing process. Can. For this reason, it is possible to produce a periodically poled inverted structure having a uniform thickness by the thickness of the group III polar crystal regrown with good controllability by epitaxial growth.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear.
101…第1基板、102…第1半導体層、103…第2基板、104…第2半導体層、104a…溝部、105…接合界面、106…レジストパターン、106a…開口部、107…III族極性面、108…第3半導体層、109…第4半導体層。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第2基板の上に窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長して成長表面をIII族極性面として第2半導体層を形成する第2工程と、
前記第1半導体層のIII族極性面と前記第2半導体層のIII族極性面とを向かい合わせた状態で前記第1基板と前記第2基板とを貼り合わせる第3工程と、
前記第3工程の後で、前記第2基板を除去して前記第2半導体層のV族極性面を露出させる第4工程と、
前記第4工程の後で、前記第2半導体層に配列されて前記第2半導体層を貫通する複数の溝部を形成する第5工程と、
前記複数の溝部の各々の底面より窒化物半導体を+c軸方向にエピタキシャル成長し、前記複数の溝部内の各々に成長表面をIII族極性面として第3半導体層を形成する第6工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 A first step of forming a first semiconductor layer whose main surface is a group III polar surface on a first substrate;
A second step of crystal-growing a nitride semiconductor in the + c axis direction on the second substrate to form a second semiconductor layer with the growth surface as a group III polar surface;
A third step of bonding the first substrate and the second substrate in a state in which the group III polar surface of the first semiconductor layer and the group III polar surface of the second semiconductor layer face each other;
After the third step, a fourth step of removing the second substrate to expose a V-group polar surface of the second semiconductor layer;
A fifth step of forming a plurality of grooves arranged in the second semiconductor layer and penetrating the second semiconductor layer after the fourth step;
And N. forming an epitaxial semiconductor in the + c axis direction from the bottom of each of the plurality of grooves and forming a third semiconductor layer in each of the plurality of grooves with the growth surface as a group III polar surface. A method of manufacturing a nitride semiconductor device characterized by
前記第1工程では、前記第1基板の上に窒化物半導体を+c軸方向に結晶成長して成長表面をIII族極性面として前記第1半導体層を形成する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1,
In the first step, a nitride semiconductor is crystal-grown in the + c axis direction on the first substrate to form the first semiconductor layer with a growth surface as a group III polar surface. How to make
前記第1基板は、シリコン、サファイア、および炭化シリコンのいずれかから構成し、
前記第1工程において、前記第1半導体層は、厚さ410nm以上に形成する
ことを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1 or 2,
The first substrate is made of any of silicon, sapphire and silicon carbide,
In the first process, the first semiconductor layer is formed to have a thickness of 410 nm or more.
前記第1基板は、主表面をIII族極性面としたIII族の窒化物から構成し、前記第1基板の一部を前記第1半導体層とすることを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 In the method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1,
The first substrate is made of a Group III nitride, the main surface of which is a Group III polar surface, and a portion of the first substrate is made of the first semiconductor layer. Method.
前記第6工程の後で、前記第2半導体層および前記第3半導体層をパターニングし、前記第2半導体層と前記第3半導体層とが複数の前記溝部の配列方向に交互に並んで接続し、複数の前記溝部の配列方向に延在した所定の幅のリブパターンを形成する第7工程
を更に備えることを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 In the manufacturing method of the nitride semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
After the sixth step, the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are patterned, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are alternately connected in the arrangement direction of the plurality of grooves. A method of manufacturing a nitride semiconductor device, further comprising: a seventh step of forming a rib pattern having a predetermined width extending in the arrangement direction of the plurality of grooves.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017232449A JP6829183B2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017232449A JP6829183B2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019101249A true JP2019101249A (en) | 2019-06-24 |
JP6829183B2 JP6829183B2 (en) | 2021-02-10 |
Family
ID=66976886
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017232449A Active JP6829183B2 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6829183B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115128738A (en) * | 2022-07-24 | 2022-09-30 | 闽都创新实验室 | PPLN ridge waveguide device with trapezoidal substrate and manufacturing method thereof |
WO2024047784A1 (en) * | 2022-08-31 | 2024-03-07 | 国立大学法人東北大学 | Semiconductor device and production method therefor |
-
2017
- 2017-12-04 JP JP2017232449A patent/JP6829183B2/en active Active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115128738A (en) * | 2022-07-24 | 2022-09-30 | 闽都创新实验室 | PPLN ridge waveguide device with trapezoidal substrate and manufacturing method thereof |
CN115128738B (en) * | 2022-07-24 | 2024-02-02 | 闽都创新实验室 | PPLN ridge waveguide device with trapezoid substrate and manufacturing method thereof |
WO2024047784A1 (en) * | 2022-08-31 | 2024-03-07 | 国立大学法人東北大学 | Semiconductor device and production method therefor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6829183B2 (en) | 2021-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7175386B2 (en) | Photonic and electronic devices on common layers containing Al1-xScxN and AlyGa1-yN materials | |
US20090072243A1 (en) | Compound semiconductor device and method for fabricating compound semiconductor | |
JP3950630B2 (en) | Fabrication of gallium nitride semiconductor layers by lateral growth from trench sidewalls. | |
US7084563B2 (en) | Group III-nitride layers with patterned surfaces | |
US7528681B2 (en) | Acoustic devices using an AlGaN piezoelectric region | |
JP6829183B2 (en) | Method for manufacturing nitride semiconductor device | |
JP2001044121A (en) | Epitaxial layer structure and manufacture thereof | |
JP4722579B2 (en) | Resonator and filter circuit manufacturing method using the same | |
US20130058369A1 (en) | SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING AN InGaN LAYER | |
Bruch et al. | Electrochemically sliced low loss AlGaN optical microresonators | |
US8263984B2 (en) | Process for making a GaN substrate | |
JP4762772B2 (en) | Method for manufacturing wavelength conversion element | |
WO2019225378A1 (en) | Optical device structure and method for manufacturing same | |
JP2000077770A (en) | Semiconductor laser and formation method of there | |
JP2007240743A (en) | Wavelength conversion element and its manufacturing method | |
JP7077798B2 (en) | Mechanical oscillator and its manufacturing method | |
JP2007272062A (en) | Wavelength conversion element and optical module | |
KR20050029735A (en) | Method for manufacturing thick gan layer capable of reducing defects and easily separating | |
US20230061055A1 (en) | Composite substrate for photonic crystal element, and photonic crystal element | |
US20210398804A1 (en) | Silicon-Carbide-on-Insulator via photoelectrochemical etching | |
JP6006158B2 (en) | Manufacturing method of light modulation waveguide | |
KR102126186B1 (en) | Method for manufacturing a gallium nitride substrate | |
JP2005115150A (en) | Artificial phase matching wavelength conversion element and its manufacturing method | |
JPH07283484A (en) | Manufacture of semiconductor laser element | |
JPH1135396A (en) | Substrate for gallium nitride based crystal growth and its production and use |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200210 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20201221 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210119 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210121 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6829183 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |