JP2023123638A - epitaxial wafer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、部分酸化を用いて製造するエピタキシャルウエハの製造方法及びそれを用いる半導体素子の製造方法、並びに、高Al組成層が部分酸化された電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハに関する。 The present invention relates to a method of manufacturing an epitaxial wafer using partial oxidation, a method of manufacturing a semiconductor device using the same, and an epitaxial wafer having a current constriction layer formed by partially oxidizing a high Al composition layer.
面発光レーザ(VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Laserともいう)は、光通信、DVDやCD、プリンター、光学マウスなど様々な用途に使用されてきたが、顔認証システムに使用されてからは、各種の3Dセンサー用途としても注目されている。また、レーザ発振はしないが電流狭窄層を有する点光源LEDなどの発光素子も各種センサー用途に使用される。 Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) have been used in various applications such as optical communications, DVDs, CDs, printers, and optical mice. It is also attracting attention as a 3D sensor application. A light-emitting element such as a point light source LED that does not oscillate but has a current constriction layer is also used for various sensor applications.
特許文献1には、半導体基板上に積層された半導体層をドライエッチングすることでメサ構造を作製し、そのメサ構造の側壁から、高温水蒸気により高Al組成層の一部を外周側から水蒸気酸化して絶縁領域を形成した酸化型VCSELが開示されている。
In
特許文献2には、熱酸化工程におけるウエハの反りやヒータ形状に依存するウエハ内での酸化のばらつきを防止した酸化装置が開示されている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-100001 discloses an oxidation apparatus that prevents variations in oxidation within a wafer that depend on the warp of the wafer and the shape of the heater in the thermal oxidation process.
酸化方法は、特許文献1には例えば、窒素をキャリアガスとする350℃の水蒸気雰囲気に30分間晒すと記載されている。また、特許文献2には、熱酸化温度を例えば400℃~500℃の間に設定することが好ましいと記載されている。
As for the oxidation method,
エピタキシャルウエハ(以下、ウエハと略記することがある。)が大口径化するほどに、ウエハ面内での特性、すなわち、絶縁領域を形成するための酸化工程での酸化量のばらつきをいかに抑制するが課題となる。酸化量のウエハ面内ばらつきが大きいと、狭窄形状の大きさもウエハ面内でばらつく。したがって、ウエハから得られる半導体素子の順方向電圧の素子間でのばらつきも大きくなり、さらには信頼性の問題も生じやすくなる。特許文献2に記載の遊星駆動技術や温度の均一化は酸化量のばらつきを抑制するには有効ではあるが、さらなるばらつきの抑制が求められる。
As the diameter of epitaxial wafers (hereinafter sometimes abbreviated as wafers) becomes larger, how to suppress variations in the characteristics within the wafer surface, that is, the amount of oxidation in the oxidation process for forming the insulating region? is an issue. If the variation in the amount of oxidation within the wafer surface is large, the size of the narrowed shape also varies within the wafer surface. Therefore, the forward voltage of the semiconductor devices obtained from the wafer varies greatly among the devices, and reliability problems are more likely to occur. Although the planetary drive technology and temperature uniformity described in
そこで本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、この製造方法を用いる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing an epitaxial wafer having a current confinement layer that suppresses variations in the amount of oxidation within the wafer surface. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device using this manufacturing method. A further object of the present invention is to provide an epitaxial wafer having a current confinement layer that suppresses variations in the amount of oxidation within the wafer surface.
上記課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討した。そして本発明者らは、酸化処理を行う対象の高Al組成層に、従来から推奨されていた水蒸気雰囲気での熱酸化の条件とは異なる条件下において酸化を行うことを想起した。その結果、ウエハ面内の酸化量による電流狭窄径のばらつき、および、電流狭窄径の影響を大きく受ける順方向電圧の値のばらつきを、従来よりも改善できることを知見し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies. Then, the present inventors imagined that the high Al composition layer to be oxidized should be oxidized under conditions different from the conventionally recommended conditions for thermal oxidation in a water vapor atmosphere. As a result, it was found that the variation in the current confinement diameter due to the amount of oxidation in the wafer surface and the variation in the forward voltage value, which is greatly affected by the current confinement diameter, can be improved more than in the past. Arrived.
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)基板上に少なくともAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層を含む半導体積層体を形成する工程と、
少なくとも前記高Al組成層の側面を露出させるメサ構造を形成する工程と、
前記高Al組成層の露出した前記側面から前記高Al組成層の一部を酸化処理することで電流狭窄層を形成する酸化工程を有し、
前記酸化工程において、水蒸気を0.001~0.01g/L含む雰囲気で、480~580℃で酸化処理することを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
That is, the gist and configuration of the present invention are as follows.
(1) forming a semiconductor laminate including a high Al composition layer made of at least Al x Ga 1-x As (0.9≦x≦1) on a substrate;
forming a mesa structure that exposes at least the side surface of the high Al composition layer;
an oxidation step of forming a current constriction layer by oxidizing a portion of the high Al composition layer from the exposed side surface of the high Al composition layer;
A method for producing an epitaxial wafer, wherein in the oxidation step, oxidation treatment is performed at 480 to 580° C. in an atmosphere containing 0.001 to 0.01 g/L of water vapor.
(2)前記半導体積層体を形成する工程において、前記基板上に下部反射層、発光層、前記高Al組成層、上部反射層を順に形成する、前記(1)に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。 (2) The method of manufacturing an epitaxial wafer according to (1) above, wherein in the step of forming the semiconductor laminate, a lower reflective layer, a light emitting layer, the high Al composition layer, and an upper reflective layer are sequentially formed on the substrate. .
(3)前記酸化工程の温度が510℃以上である、前記(1)又は(2)に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。 (3) The method for producing an epitaxial wafer according to (1) or (2) above, wherein the temperature of the oxidation step is 510° C. or higher.
(4)前記高Al組成層のAl組成xが0.9≦x<1である、前記(1)~(3)のいずれかに記載のエピタキシャルウエハの製造方法。 (4) The method for producing an epitaxial wafer according to any one of (1) to (3) above, wherein the Al composition x of the high Al composition layer satisfies 0.9≦x<1.
(5)前記(1)~(4)のいずれかに記載の製造方法により得られたエピタキシャルウエハをダイシングする工程を含む、半導体素子の製造方法。 (5) A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of dicing the epitaxial wafer obtained by the manufacturing method according to any one of (1) to (4).
(6)3インチ以上の基板上に少なくともAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層を含む半導体積層体を有し、
少なくとも前記高Al組成層を含む電流狭窄層の側面が露出したメサ構造を具え、
前記高Al組成層は、前記メサ構造の外周側に設けられ、かつ前記高Al組成層と同一面内にある酸化領域に挟持されて電流狭窄層を構成し、
酸化されていない狭窄領域を俯瞰してウエハ面内の19個以上の狭窄形状を測定した場合に、狭窄形状の結晶方位<01-1>の幅と、結晶方位<010>の幅との標準偏差がいずれも0.6μm以下であることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
(6) having a semiconductor laminate including a high Al composition layer made of at least Al x Ga 1-x As (0.9≦x≦1) on a substrate of 3 inches or more;
a mesa structure in which a side surface of a current confinement layer including at least the high Al composition layer is exposed;
the high Al composition layer is provided on the outer peripheral side of the mesa structure and sandwiched between oxidized regions in the same plane as the high Al composition layer to constitute a current constriction layer;
When 19 or more constricted shapes in the wafer surface are measured by overlooking the constricted region that is not oxidized, the width of the crystal orientation <01-1> and the width of the crystal orientation <010> of the constricted shape are standardized. An epitaxial wafer, wherein all deviations are 0.6 μm or less.
なお、本明細書では、結晶方位
を、結晶方位<01-1>と表記する。
In this specification, the crystal orientation
is represented as crystal orientation <01-1>.
(7)前記狭窄形状が円形であり、
前記結晶方位<01-1>の幅に対する前記結晶方位<010>の幅の比の平均が100~102%である、前記(6)に記載のエピタキシャルウエハ。
(7) the constriction shape is circular;
The epitaxial wafer according to (6) above, wherein an average ratio of the width of the crystal orientation <010> to the width of the crystal orientation <01-1> is 100 to 102%.
本発明によれば、従来よりウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハの製造方法を提供することができる。また、本発明は、この製造方法を用いる半導体素子の製造方法を提供することができる。さらに本発明は、ウエハ面内の酸化量のばらつきを抑制した電流狭窄層を有するエピタキシャルウエハを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method of manufacturing an epitaxial wafer having a current confinement layer that suppresses variations in the amount of oxidation within the wafer surface compared to conventional methods. Moreover, the present invention can provide a method for manufacturing a semiconductor device using this manufacturing method. Furthermore, the present invention can provide an epitaxial wafer having a current confinement layer that suppresses variations in the amount of oxidation within the wafer surface.
(エピタキシャルウエハの製造方法)
本発明は高Al組成層を含む半導体積層体を有する半導体素子を得るためのエピタキシャルウエハに適用される。具体的には、基板の厚み方向において複数の半導体層に挟まれた状態の高Al組成層を、その側面から酸化することで部分的に酸化し、基板面内方向で高Al組成層が酸化層により挟持された電流狭窄層を形成する技術に関する。得られたエピタキシャルウエハをダイシングすることにより半導体素子を得ることができる。高Al組成層を基板の厚み方向において挟む層が何かは任意であり、様々な形態をとることができる。
(Method for manufacturing epitaxial wafer)
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is applied to an epitaxial wafer for obtaining a semiconductor device having a semiconductor laminate including a high Al composition layer. Specifically, the high Al composition layer sandwiched between a plurality of semiconductor layers in the thickness direction of the substrate is partially oxidized by oxidizing it from the side surface, and the high Al composition layer is oxidized in the in-plane direction of the substrate. The present invention relates to a technique for forming a current confinement layer sandwiched between layers. A semiconductor device can be obtained by dicing the obtained epitaxial wafer. The layers sandwiching the high Al composition layer in the thickness direction of the substrate are arbitrary and can take various forms.
<半導体素子及びその態様としての面発光レーザ>
以下、図1の符号を参照しつつ本実施形態においては、半導体素子1の例として、基板10上に下部反射層20、発光層30、AlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層41を含む電流狭窄層40、上部反射層50を順に形成した面発光レーザに関して説明を行う。
<Semiconductor device and surface-emitting laser as an aspect thereof>
Hereinafter, referring to the symbols in FIG. 1, in this embodiment, as an example of the
本発明によるエピタキシャルウエハの製造方法は、基板10上に少なくともAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層41を含む半導体積層体(図1の例では符号20,30,41、50)を形成する工程(図1ステップA)と、少なくとも高Al組成層41の側面を露出させるメサ構造を形成する工程(図1ステップB)と、高Al組成層41の露出した側面から高Al組成層41の一部を酸化処理することで電流狭窄層40を形成する酸化工程を有する(図1ステップC)。当該酸化処理により、高Al組成層41は、上記メサ構造の外周側に設けられた酸化領域42に挟持されて電流狭窄層40を構成する。そして、詳細を後述するように、酸化工程(図1ステップC)において、水蒸気を0.001~0.010g/L含む雰囲気で、480~580℃で酸化処理する。また、図1ステップDに示すように、上部反射層50の上に上面電極61を設けてもよく、基板10の裏面に下面電極62を設けてもよい。こうして得られた半導体素子構造を有するエピタキシャルウエハをダイシングすれば、半導体素子1を得ることができる。
The method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present invention comprises a semiconductor laminate (in the example of FIG. 1, the
なお、図1は面発光レーザの具体例を示すものに過ぎず、本発明の製造方法を適用する高Al組成層41の位置は上記面発光レーザの例に何ら限定されない。下部反射層20と発光層30の間に高Al組成層41を設けることもできるし、様々な層を高Al組成層41の前後(図1の紙面上下方向)に挟むことができる。また、基板上に下部反射層、下部クラッド層、発光層、電流狭窄層、上部クラッド層を設けた半導体発光素子のように、上部反射層を持たない点光源LEDを得るために本製造方法を適用することもできるし、上下共に反射層を持たない電流狭窄型LEDに適用してもよい。半導体発光素子に限らず、半導体受光素子に本製造方法を適用してもよい。なお、反射層(下部反射層20および上部反射層50)とは、発光層30から放出される光を反射させるために設けられる層である。こうした反射層として、Al組成の異なるAlGaAs層(符号21,22及び51,52を参照)を交互に繰り返し積層したブラック反射層(DBR)や、金属反射層を用いることができる。
Note that FIG. 1 merely shows a specific example of a surface emitting laser, and the position of the high
以下、本発明の製造方法の各工程を順次説明する。 Hereinafter, each step of the production method of the present invention will be described in order.
<半導体積層体を形成する工程>
まず、図1ステップAに示すように、基板10上に少なくともAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層41を含む半導体積層体を形成する。
<Step of Forming Semiconductor Laminate>
First, as shown in step A of FIG. 1, a semiconductor laminate including at least a high
<<高Al組成層の組成>>
高Al組成層41は、AlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなり、0.9≦x<1であることがより好ましい。Al組成xの値は、SIMSまたはTEM-EDSを用いて測定することができる。Al組成xが0.9未満の場合、高Al組成層と他の半導体層との酸化速度の差が小さく、高Al組成層41の選択的な酸化が困難となり、その結果、電流狭窄層40の形成も困難となる。また、AlAs(すなわちx=1)の場合、本発明によってウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制できるものの、面方位の影響が強く残る(例えばメサ形状が円形でも狭窄形状が四角に近づく)傾向がある。そのため、酸化量だけでなく形状も均一にしたい場合には、0.9≦x<1とすることが好ましく、例えば0.9≦x≦0.98とすることがより好ましい。
<<Composition of high Al composition layer>>
The high
<高Al組成層以外の半導体層の組成>
高Al組成層41以外の半導体層については、高Al組成層41よりもAl組成が低く、高Al組成層41より酸化されにくい半導体層を用いることが好ましい。こうした半導体層としては、エピタキシャル成長において上記の電流狭窄層40を厚み方向に挟んで成長できる層であればよく、例えば、AlGaAs、AlInGaP、InGaAs、AlInP、InGaPとすることができる。
<Composition of semiconductor layer other than high Al composition layer>
Semiconductor layers other than the high
<基板>
基板10は、エピタキシャル成長に用いる成長用基板のことを指す。なお、成長用の基板10上に半導体積層体をエピタキシャル成長した後に、支持用の任意の基板を半導体積層体上に接合して、成長用に用いた基板10を除去してもよい。こうした基板10としては、GaAs基板のほかに、InP基板を使用することもできる。ウエハが大口径化するほどに、ウエハ面内での特性、すなわち、酸化工程での酸化量のばらつきをいかに抑制するが課題となる。そこで、本発明の製造方法を適用することが好ましい基板は、3インチ以上である。
<Substrate>
<高Al組成層の側面を露出させるメサ構造を形成する工程>
次に、図1ステップBに示すように高Al組成層41の側面を露出させるメサ構造を形成する。高Al組成層41を含む半導体積層体に、特定の形状と配置パターンを有するメサ構造を形成することで、高Al組成層の側面を露出させる。メサ構造を形成するためには、フォトリソグラフィなどの一般的な手法を適用すればよい。
<Step of Forming Mesa Structure Exposing Sides of High Al Composition Layer>
Next, as shown in step B of FIG. 1, a mesa structure is formed to expose the side surfaces of the high
メサ構造を形成した後の半導体積層体の形状としては、半導体積層体を俯瞰した形が円形、四角形や六角形などの多角形とすることができ、また、長方形のように縦横比を変えてもよい。さらに、メサ構造を形成した後の半導体積層体の電流狭窄層40の全ての側面を露出させるように周囲を除去する場合と、高Al組成層の一部の側面は露出させずに残し、所定間隔の空隙を設けた凹形状の溝を形成する場合とがある。いずれの場合であっても、高Al組成層が酸化するために水蒸気が高Al組成層の側面に十分に触れることができるメサ構造となればよい。
After forming the mesa structure, the semiconductor laminate may have a shape such as a circle, a polygon such as a quadrangle or a hexagon, or a rectangular shape with a different aspect ratio. good too. Furthermore, in the case where the periphery is removed so as to expose all the side surfaces of the
<高Al組成層の露出した側面から高Al組成層の一部を酸化する酸化工程>
メサ構造を形成する工程に続き、酸化工程を行う(図1ステップC)。本工程はAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)の高Al組成層を酸化する工程であり、酸化によって絶縁性のAl酸化物を主成分とする複合酸化物が生成すると考えられる。この酸化工程は、水蒸気を用いて行う酸化工程であり、水蒸気を0.001~0.01g/L含む雰囲気で行うものとし、0.008g/L以下とすることが好ましい。なお、酸化工程中の高Al組成層41周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が大きく変化しないように水蒸気を0.001~0.01g/L含むガスを10~30L/分で高Al組成層41に向けて流し続けることがより好ましい。また、水蒸気を0.001~0.01g/L含むガスは、酸化速度の再現性を確保するために窒素やアルゴンなどの不活性ガスに水蒸気を含ませることがより好ましい。
<Oxidation step of partially oxidizing the high Al composition layer from the exposed side surface of the high Al composition layer>
Following the step of forming the mesa structure, an oxidation step is performed (step C in FIG. 1). This step is a step of oxidizing a high Al composition layer of Al x Ga 1-x As (0.9≦x≦1). Conceivable. This oxidation step is an oxidation step using water vapor, and is performed in an atmosphere containing 0.001 to 0.01 g/L of water vapor, preferably 0.008 g/L or less. In order to prevent the water vapor content in the atmosphere around the high
発明者らは、酸化速度が供給律速となるか反応律速となるかが本発明の水蒸気の濃度と関係があるのではないかと予想している。水蒸気濃度が0.01g/L以下であると、酸化速度は主に供給律速となって、温度のばらつきに起因する反応速度のばらつきが酸化速度に及ぼす影響が小さくなる。一方、水蒸気の濃度が0.01g/Lを超えると供給が十分となって酸化速度は反応律速となり、温度のばらつきに起因する反応速度のばらつきが酸化速度に及ぼす影響が過剰になると予想される。そして、供給律速となる条件では、結晶異方性の影響(結晶方位によって反応速度が異なる影響)も低減されているのではないかと予想している。なお、水蒸気の濃度が0.001g/L未満であると、酸化レートが小さすぎて酸化工程に必要な時間が長くなりすぎ、製造工程として実用的ではなくなるため、水蒸気濃度の下限を0.001g/L未満とした。 The inventors speculate that whether the oxidation rate is supply rate-determining or reaction rate-determining is related to the water vapor concentration of the present invention. When the water vapor concentration is 0.01 g/L or less, the oxidation rate is mainly controlled by the supply, and the influence of variations in the reaction rate due to variations in temperature on the oxidation rate is reduced. On the other hand, when the concentration of water vapor exceeds 0.01 g/L, the supply is sufficient and the oxidation rate becomes reaction rate-determining. . Under the supply rate-determining conditions, it is expected that the effect of crystal anisotropy (the effect of different reaction rates depending on the crystal orientation) is also reduced. If the concentration of water vapor is less than 0.001 g/L, the oxidation rate is too small and the time required for the oxidation step becomes too long, making the production process impractical. /L.
酸化処理が行われる温度(ステージ温度)は、従来適正といわれる温度より高い温度が適しており、480~580℃で行うものとし、510~580℃で行うことが好ましい。なお、酸化処理が行われている最中の半導体積層体の表面温度を厳密に測定することは困難であるため、ウエハ搭載後の酸化処理直前のステージ温度(設定温度)を酸化処理の温度とする。ステージ温度が480℃未満では、上記の水蒸気の濃度では、酸化レートが小さすぎて酸化工程に必要な時間が長くなりすぎ、製造工程としての実用的ではなくなる。一方、ステージ温度が580℃を超えると、酸化が急激に起こるために酸化をさせる予定ではない高Al組成層以外の半導体層への影響も大きく、半導体積層体の表面荒れなどの悪影響が起こる恐れが生じる。また、本工程における酸化時間は、必要な狭窄形状に応じて、水蒸気濃度と酸化処理が行われる温度(ステージ温度)に合わせて適宜設定すればよい。限定を意図しないが、例えば酸化時間を10分~3時間とすることができる。 The temperature at which the oxidation treatment is performed (stage temperature) is suitably a temperature higher than the conventionally considered appropriate temperature, which is 480 to 580°C, preferably 510 to 580°C. Since it is difficult to strictly measure the surface temperature of the semiconductor stack during the oxidation process, the stage temperature (set temperature) immediately before the oxidation process after mounting the wafer is the oxidation process temperature. do. If the stage temperature is less than 480° C., the oxidation rate is too low and the time required for the oxidation process is too long at the above water vapor concentration, which is not practical as a manufacturing process. On the other hand, if the stage temperature exceeds 580° C., oxidation will occur rapidly, so that semiconductor layers other than the high Al composition layer, which is not intended to be oxidized, will be greatly affected, and adverse effects such as roughening of the surface of the semiconductor laminate may occur. occurs. Moreover, the oxidation time in this step may be appropriately set in accordance with the water vapor concentration and the temperature (stage temperature) at which the oxidation treatment is performed according to the required constriction shape. Although not intended to be limiting, the oxidation time can be, for example, 10 minutes to 3 hours.
このような酸化工程を行うための水蒸気酸化装置100の構成例を図2に示す。マスフローコントローラーにより一定量で水を供給するとともに純水気化器において100度以上(例えば180度)に加熱された蒸気を一定の水蒸気量で供給する機構110と、水蒸気を予熱した(例えば120度の)窒素ガスなどの不活性ガスを用いてステージまで送る機構120と、ステージ上にウエハWを搬送・回収する機構(図示せず)と、ステージを特定の温度(ステージ温度)に加熱する機構130と、を有する。さらに、水蒸気を含むガスをステージ上のウエハに供給を開始してから供給を停止するまでの酸化時間に対し、高Al組成層の酸化の停止を確実に行うために、水蒸気を含むガスの停止とともにウエハに水蒸気を含まないガスをウエハに噴霧する機構140を有していてもよい。図2には、チャンバ内に導入したガスを排出するための排出口150を併せて図示した。
FIG. 2 shows a configuration example of a
以上の各工程を経て得られたエピタキシャルウエハをダイシングすることで、半導体素子を得ることができる。なお、ダイシングに先立ち、図1ステップDに示すように、上部反射層50の上に上面電極61を設けてもよく、基板10の裏面に下面電極62を設けてもよいことは前述のとおりである。また、電極の形態はこの例に何ら限定されず、半導体素子の態様に応じて適宜設ければよい。 Semiconductor elements can be obtained by dicing the epitaxial wafer obtained through the above steps. Prior to dicing, as shown in step D in FIG. be. Moreover, the form of the electrodes is not limited to this example, and may be appropriately provided according to the form of the semiconductor element.
<エピタキシャルウエハ>
図1の符号を参照する。上記の製造方法によって得られるエピタキシャルウエハは、3インチ以上の基板10上に少なくともAlxGa1-xAs(0.9≦x≦1)からなる高Al組成層41を含む半導体積層体を有する。そして、高Al組成層41と同一面内で高Al組成層41を挟持する酸化領域42により電流狭窄層40を構成する。そして、このエピタキシャルウエハは、電流狭窄層40の側面が露出したメサ構造を有しており、電流狭窄層40のウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制することができる。ここで、ウエハ面内での酸化量のばらつきが抑制されるとは、すなわち、電流狭窄層40の酸化されていない狭窄領域の、ウエハ面内の19個以上の測定箇所について、狭窄形状の結晶方位<01-1>の幅と結晶方位<010>の幅とをそれぞれ測定した場合に、各結晶方位の幅の標準偏差が小さく、標準偏差が0.6μm以下であることをいう。標準偏差が0.4μm以下であることがより好ましい。
<Epitaxial wafer>
Reference is made to the reference numerals in FIG. The epitaxial wafer obtained by the above manufacturing method has a semiconductor laminate including a high
なお、(100)面を上面とする閃亜鉛鉱型の半導体結晶における結晶方位において、使用する基板のオリエンテーションフラット(OF)が(011)面である場合、結晶方位<01-1>はOF水平方向に相当し、結晶方位<010>はOFに対して45度斜め方向に相当する。 Regarding the crystal orientation of a zincblende semiconductor crystal with the (100) plane as the upper surface, when the orientation flat (OF) of the substrate used is the (011) plane, the crystal orientation <01-1> is the OF horizontal. The crystal orientation <010> corresponds to a direction oblique to OF at 45 degrees.
<電流狭窄層の酸化されていない領域(狭窄形状)の測定方法>
ウエハ面内の19個以上の測定箇所は、ウエハ面内の中心P1を含む図3に示す19箇所の位置(P1~P19)を有するものとする。19個を超えて測定する場合には、図3に示す19箇所と重ならない位置を測定箇所に選ぶものとする。測定箇所P1~P19の位置は、下記のとおり定める。
<Method for measuring non-oxidized region (constriction shape) of current confinement layer>
The 19 or more measurement points within the wafer plane have 19 positions (P 1 to P 19 ) shown in FIG. 3 including the center P 1 within the wafer plane. When measuring more than 19 points, a position not overlapping with the 19 points shown in FIG. 3 shall be selected as the measurement point. The positions of measurement points P 1 to P 19 are determined as follows.
まず、ウエハ中心を点P1とする。OFと平行かつ点P1を通過する直線において、ウエハエッジから距離L1内側の2点をそれぞれ点P2、P3と定める。次に、OFと平行な辺を含み、一辺の長さをL2とする正方形の各辺の頂点及び各辺を3等分した点を、時計回りにP4、P5、・・・P15と定める。さらに、OFと平行な辺を含み、一辺の長さをL3とする正方形の各辺の頂点を時計回りにP16、P17、P18、P19と定める。距離L1、L2、L3は、それぞれウエハ径の5/76、11/20、11/64とする。 First, let the center of the wafer be point P1 . On a straight line parallel to OF and passing through point P1 , two points within a distance L1 from the wafer edge are defined as points P2 and P3, respectively. Next, P 4 , P 5 , . . . P 15 . Further, the vertices of each side of a square having sides parallel to OF and having a side length of L 3 are defined clockwise as P 16 , P 17 , P 18 and P 19 . The distances L 1 , L 2 and L 3 are 5/76, 11/20 and 11/64 of the wafer diameter, respectively.
狭窄形状の測定方法としては、酸化によって透過率が変わることを利用して、狭窄形状を俯瞰した位置から例えば赤外線カメラを用いて撮影すればよい。撮影画像を観察し、酸化した領域と酸化していない領域とのコントラスト差から電流狭窄層の酸化されていない領域(狭窄形状)のサイズを測定することができる。 As a method for measuring the constricted shape, taking advantage of the fact that the transmittance changes due to oxidation, the constricted shape may be photographed from a bird's-eye view using, for example, an infrared camera. Observing the photographed image, the size of the non-oxidized region (constriction shape) of the current confinement layer can be measured from the contrast difference between the oxidized region and the non-oxidized region.
<電流狭窄層の酸化されていない領域(狭窄形状)の形について>
メサ構造と同じく電流狭窄層の酸化されていない領域(狭窄形状)は、半導体積層体を俯瞰してみた場合の形が円形、四角形や六角形などの多角形とすることができ、また、長方形のように縦横比を変えてもよい。
<Regarding the shape of the non-oxidized region (constriction shape) of the current confinement layer>
As with the mesa structure, the non-oxidized region (constriction shape) of the current confinement layer may have a circular shape, a polygonal shape such as a quadrangle or a hexagon, or a rectangular shape when the semiconductor laminate is viewed from above. You can change the aspect ratio like
<異方性の抑制について>
本発明の製造方法に従い、電流狭窄層40の酸化されていない領域(狭窄形状)、つまり高Al組成層41の形状精度が上がる。メサ構造の特定パターンが円形であり、AlxGa1-xAs(0.9≦x<1)からなる高Al組成層41を含む電流狭窄層40を形成する場合、狭窄形状も円形となる。そして、円形における結晶方位<01-1>の幅(狭窄形状の直径)に対する結晶方位<010>の幅(狭窄形状の直径)の比の平均を、100~102%と、従来に比べて高精度にすることができる。メサ構造と狭窄形状がともにひずみの無い円であると、電流の広がり方が均一となりやすく、半導体素子としての効率を上げることができるため好ましい。なお、以下の実施例において狭窄形状の直径を狭窄径とも記載する。
<Regarding suppression of anisotropy>
According to the manufacturing method of the present invention, the shape accuracy of the non-oxidized region (constriction shape) of the
次に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail using examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
3インチのn型GaAs基板を用意した。次いで、MOCVD法により、上記GaAs基板(100)面上に、Al0.86Ga0.14As(70nm)とAl0.06Ga0.94As(60nm)のペアを繰り返して46ペア積層することで合計膜厚6μmの下部反射層(下部DBR)を結晶成長させた。下部反射層上に、発光層としてIn0.23Ga0.77Asを厚さ30nm結晶成長させた後、高Al組成層としてAl0.963Ga0.037Asを30nm結晶成長させた。高Al組成層上に、Al0.86Ga0.14As(70nm)とAl0.06Ga0.94As(60nm)のペアを繰り返して18ペア積層することで合計膜厚2.3μmの上部反射層(上部DBR)を結晶成長させた。
[Example 1]
A 3-inch n-type GaAs substrate was prepared. Next, by MOCVD, 46 pairs of Al 0.86 Ga 0.14 As (70 nm) and Al 0.06 Ga 0.94 As (60 nm) are repeatedly stacked on the (100) surface of the GaAs substrate. Thus, a lower reflective layer (lower DBR) having a total film thickness of 6 μm was crystal-grown. On the lower reflective layer, a light-emitting layer of In 0.23 Ga 0.77 As was crystal-grown to a thickness of 30 nm, and then a high Al composition layer of Al 0.963 Ga 0.037 As was crystal-grown to a thickness of 30 nm. On the high Al composition layer, 18 pairs of Al 0.86 Ga 0.14 As (70 nm) and Al 0.06 Ga 0.94 As (60 nm) are repeatedly laminated to form a total film thickness of 2.3 μm. An upper reflective layer (upper DBR) was crystal-grown.
次いで、上記上部反射層の上面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィにより直径50μmの円が220μm間隔で縦横に並ぶパターンに配置されたレジストマスクを形成した。その後、ドライエッチング装置によって、レジストマスクによりマスクされていない領域を上部反射層から下部反射層の一部が露出するまでエッチングした。これにより、上部反射層、高Al組成層、発光層、および下部反射層の一部が円筒状に特定のパターンで立ち並ぶメサ構造を作製した、高Al組成層の側壁は円筒の外周として露出した状態となる。 Next, a resist was applied to the upper surface of the upper reflective layer, and a resist mask was formed by photolithography in which circles with a diameter of 50 μm were arranged in a pattern arranged vertically and horizontally at intervals of 220 μm. After that, a dry etching apparatus was used to etch the region not masked by the resist mask until a part of the lower reflective layer was exposed from the upper reflective layer. As a result, a mesa structure in which parts of the upper reflective layer, the high Al composition layer, the light emitting layer, and the lower reflective layer are arranged in a cylindrical shape in a specific pattern was produced, and the side wall of the high Al composition layer was exposed as the outer periphery of the cylinder. state.
続いて、水蒸気酸化装置を用いて酸化処理を行った。酸化処理では、Al組成比の大きい層(本実施例1では、高Al組成層および下部反射層と上部反射層の一部に相当)が上記の円筒状の側壁から円筒の中心に向かう方向に酸化される。水蒸気酸化装置では、純水気化器において製造された180℃の水蒸気を、120℃の窒素ガスと混合し、処理チャンバ―内において540℃に加熱されたステージに搭載されたウエハの上記メサ構造に吹き付けた。このとき、処理チャンバ―の圧力は常圧とし、水蒸気を0.1g/min、および窒素ガスのガス流量を20L/minに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を1分あたり0.005g/Lとし、高Al組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が0.005g/Lとなるようにした。酸化処理の時間を110分間とし、水蒸気を含むガスの供給を停止すると共に25℃の窒素ガスをウエハの上記メサ構造に吹き付けることで酸化処理を停止させた。 Subsequently, an oxidation treatment was performed using a steam oxidation apparatus. In the oxidation treatment, the layer having a high Al composition ratio (corresponding to the high Al composition layer, the lower reflective layer, and part of the upper reflective layer in Example 1) was slid from the side wall of the cylinder toward the center of the cylinder. be oxidized. In the steam oxidation apparatus, 180° C. steam produced in a pure water vaporizer is mixed with 120° C. nitrogen gas, and the mesa structure of the wafer mounted on the stage heated to 540° C. in the processing chamber is treated. sprayed. At this time, the pressure of the processing chamber was set to normal pressure, and the steam concentration of the sprayed gas was adjusted to 0.005 g/min by adjusting the steam flow rate to 0.1 g/min and the gas flow rate of nitrogen gas to 20 L/min. L, and the water vapor content in the atmosphere around the high Al composition layer was set to 0.005 g/L. The time for the oxidation treatment was set to 110 minutes, and the supply of the gas containing water vapor was stopped, and the oxidation treatment was stopped by blowing nitrogen gas at 25° C. onto the mesa structure of the wafer.
続いて、酸化処理後のウエハの酸化量の計測を行った。赤外線カメラを用いて、上部反射層側からウエハ面内の19カ所(OFを紙面下方向にし、前述した図3に示す位置)において、メサ径(外周径)と、酸化されていない領域の径(狭窄径)をそれぞれ測定した。 Subsequently, the amount of oxidation of the wafer after the oxidation treatment was measured. Using an infrared camera, the mesa diameter (peripheral diameter) and the diameter of the non-oxidized region were measured at 19 locations within the wafer surface from the upper reflective layer side (positions shown in FIG. 3 described above with OF facing downward). (constriction diameter) were measured respectively.
レジストマスクを円形としたため、ドライエッチングにより形成されるメサ形状は円形であり、メサ径は当該円形の直径に相当する。そのため、メサ径は基板のオリフラ(011面)と水平方向の直径を代表値として測定した。酸化による狭窄径については、オリフラと水平方向である<01-1>方位の直径(水平狭窄径)だけでなく、オリフラに対し45°傾いた斜め方向である<010>方位の直径(斜め狭窄径)についても測定した。
なお、狭窄径は、赤外線カメラ(浜松ホトニクス製C9597-42U)を用いて観察した。酸化された領域と酸化されていない領域とでコントラスト差が生じるために、内蔵されている2点間距離計測の機能によって直径(狭窄径)を測定した。狭窄径を測定する際の赤外線カメラ写真のうち、点P16及び点P4の写真を代表例として図に示す。なお、各写真の中央部における濃色部が非酸化領域であり、当該濃色部を取囲む淡色部が酸化領域である。
Since the resist mask is circular, the mesa shape formed by dry etching is circular, and the mesa diameter corresponds to the circular diameter. Therefore, the diameter of the mesa was measured using the orientation flat (011 plane) of the substrate and the diameter in the horizontal direction as a representative value. Regarding the constriction diameter due to oxidation, not only the diameter in the <01-1> direction (horizontal constriction diameter), which is horizontal to the orientation flat, but also the diameter in the <010> direction, which is oblique to the orientation flat at 45° (diagonal constriction diameter). diameter) was also measured.
The constriction diameter was observed using an infrared camera (C9597-42U manufactured by Hamamatsu Photonics). Due to the difference in contrast between the oxidized and non-oxidized regions, the diameter (constriction diameter) was measured by the built-in two-point distance measurement function. Of the infrared camera photographs taken when measuring the stenosis diameter, photographs of points P16 and P4 are shown in the figure as representative examples. The dark-colored area in the center of each photograph is the non-oxidized area, and the light-colored area surrounding the dark-colored area is the oxidized area.
[実施例2]
酸化処理の時間を100分間とした以外は、実施例1と同様にした。
[Example 2]
The procedure was the same as in Example 1, except that the oxidation treatment time was set to 100 minutes.
[実施例3]
酸化処理の時間を40分間とした以外は、実施例1と同様にした。
[Example 3]
The procedure was the same as in Example 1, except that the oxidation treatment was performed for 40 minutes.
[比較例1]
酸化処理において、水蒸気を1.2g/minおよび窒素ガスのガス流量を20L/minに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を1分あたり0.06g/Lとして高Al組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が0.06g/Lとなるようにし、ステージ温度を520℃、酸化処理の時間を29分40秒間(29.7分間)とした以外は、実施例1と同様にした。また、狭窄径を測定する際の赤外線カメラ写真のうち、点P16及び点P4の写真を代表例として図に示す。
[Comparative Example 1]
In the oxidation treatment, by adjusting the flow rate of water vapor to 1.2 g/min and the gas flow rate of nitrogen gas to 20 L/min, the water vapor concentration of the sprayed gas is set to 0.06 g/L per minute, and the atmosphere around the high Al composition layer Example 1 was repeated except that the water vapor content was 0.06 g/L, the stage temperature was 520° C., and the oxidation treatment time was 29 minutes and 40 seconds (29.7 minutes). Among the infrared camera photographs taken when measuring the constriction diameter, photographs of points P16 and P4 are shown in the figure as representative examples.
[比較例2]
酸化処理において、水蒸気を1.2g/minおよび窒素ガスのガス流量を20L/minに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を1分あたり0.06g/Lとして高Al組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が0.06g/Lとなるようにし、酸化処理の時間を15分間とした以外は、実施例1と同様にした。
[Comparative Example 2]
In the oxidation treatment, by adjusting the flow rate of water vapor to 1.2 g/min and the gas flow rate of nitrogen gas to 20 L/min, the water vapor concentration of the sprayed gas is set to 0.06 g/L per minute, and the atmosphere around the high Al composition layer The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the water vapor content was 0.06 g/L, and the oxidation treatment time was 15 minutes.
[比較例3]
酸化処理において、水蒸気を0.4g/minおよび窒素ガスのガス流量を20L/minに調整することによって、吹き付けるガスの水蒸気濃度を1分あたり0.02g/Lとして高Al組成層周辺の雰囲気中の水蒸気含有量が0.02g/Lとなるようにし、酸化処理の時間を40分間とした以外は、実施例1と同様にした。
[Comparative Example 3]
In the oxidation treatment, by adjusting the flow rate of water vapor to 0.4 g/min and the gas flow rate of nitrogen gas to 20 L/min, the water vapor concentration of the sprayed gas is set to 0.02 g/L per minute, and the atmosphere around the high Al composition layer The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the water vapor content was 0.02 g/L, and the oxidation treatment time was 40 minutes.
実施例1~3および比較例1~3に係る酸化処理による酸化による狭窄径の評価を行った結果を表1に示す。なお、表中の水平狭窄径(μm)と斜め狭窄径(μm)については、図3に示す19か所の平均値と標準偏差(σ)の値をそれぞれ示し、斜め狭窄径と水平狭窄径との比率を「斜め/水平」(%)として表1に記載した。 Table 1 shows the results of evaluating the constriction diameter due to oxidation in the oxidation treatments according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. Note that the horizontal constriction diameter (μm) and diagonal constriction diameter (μm) in the table indicate the average value and standard deviation (σ) of the 19 points shown in FIG. is described in Table 1 as "oblique/horizontal" (%).
表1の結果より、実施例1~3においては比較例1~3に比べて酸化処理時間は長くなるものの、狭窄径のばらつきを示す標準偏差(σ)の値が小さい。したがって、実施例1~3では、ウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制できることが分かった。また、斜め/水平の割合が100%に近いことから、メサ形状に対してより等方的に(異方性の影響を抑えて)酸化させることができることが分かった。 From the results in Table 1, although the oxidation treatment time is longer in Examples 1 to 3 than in Comparative Examples 1 to 3, the standard deviation (.sigma.), which indicates the variation in constriction diameter, is small. Therefore, in Examples 1 to 3, it was found that variation in the amount of oxidation within the wafer surface can be suppressed. In addition, since the ratio of oblique/horizontal is close to 100%, it was found that the mesa shape can be oxidized more isotropically (while suppressing the influence of anisotropy).
(評価1:Al組成による酸化レートの違いの評価)
上記の実施例1と比較例1ではAl0.963Ga0.037Asを30nm結晶成長後、酸化処理して電流狭窄層を形成した。これに替えて、電流狭窄層をAl0.976Ga0.024Asから形成したサンプルと、電流狭窄層をAlAsから形成したサンプルとを用意して、ウエハ中央(図3の点P1)における電流狭窄層のAl組成の違いによる酸化レート(=(メサ径-狭窄径)/2/処理時間)を測定した。水蒸気濃度0.06g/L・分、520℃での酸化処理の結果を図5に、水蒸気濃度0.005g/L・分、540℃での酸化処理の結果を図6に、それぞれ示す。
(Evaluation 1: Evaluation of difference in oxidation rate depending on Al composition)
In Example 1 and Comparative Example 1 described above, the current confinement layer was formed by oxidizing the Al 0.963 Ga 0.037 As after crystal growth to 30 nm. Instead, a sample in which the current confinement layer was formed from Al 0.976 Ga 0.024 As and a sample in which the current confinement layer was formed from AlAs were prepared. The oxidation rate (=(mesa diameter−constriction diameter)/2/processing time) was measured depending on the difference in the Al composition of the current confinement layer. FIG. 5 shows the results of the oxidation treatment at 520° C. with a water vapor concentration of 0.06 g/L·min, and FIG. 6 shows the results of the oxidation treatment at 540° C. with a water vapor concentration of 0.005 g/L·min.
図5,6のグラフより、本製造方法に従って酸化処理を行った方が、Al組成差による酸化レートの変化を僅かに小さくできることが分かった。このことが、表1の狭窄径のばらつきの抑制につながっている可能性がある。 From the graphs of FIGS. 5 and 6, it was found that the oxidation treatment according to this manufacturing method can slightly reduce the change in the oxidation rate due to the difference in Al composition. This may lead to the suppression of variations in constriction diameter in Table 1.
(評価2:順方向電圧の評価)
酸化処理後のウエハについて、上面反射層上にAu/Znからなる金属層を蒸着し、460℃でのアニール処理を行って上面電極とした。その後、GaAs基板裏面にAu/Ni/Geからなる金属層を蒸着し裏面電極とし、410℃でのアニール処理を行って裏面電極とした。
(Evaluation 2: Evaluation of forward voltage)
A metal layer made of Au/Zn was vapor-deposited on the upper reflecting layer of the oxidized wafer, and annealed at 460° C. to form an upper electrode. After that, a metal layer composed of Au/Ni/Ge was vapor-deposited on the rear surface of the GaAs substrate to form a rear surface electrode, which was then annealed at 410° C. to form a rear surface electrode.
ダイサーを用いてメサ構造の下部反射層の一部が露出した部分を切断して、個々の面発光レーザのチップとなるように分割した。チップを金属ステム上で銀ペーストを用いてマウントし、金ワイヤーを用いて上面電極にワイヤボンディングを行った。 A dicer was used to cut the part where the lower reflective layer of the mesa structure was partly exposed, and the product was divided into individual surface-emitting laser chips. The chips were mounted on metal stems with silver paste and wire bonded to the top electrodes with gold wires.
定電流電圧測定装置を用いて電流10mAを流した時の順方向電圧を、ウエハ面内のウエハ中央からウエハ外周まで径方向に等間隔に10カ所(オリフラ水平方向)にわたって測定した。比較例1、比較例3、実施例1における測定結果を図7に示す。 Using a constant-current voltage measuring device, the forward voltage when a current of 10 mA was applied was measured at 10 points (horizontal direction of the orientation flat) at equal intervals in the radial direction from the center of the wafer to the outer circumference of the wafer within the wafer surface. The measurement results in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Example 1 are shown in FIG.
図7より、本発明の製造方法における酸化工程のように、水蒸気濃度を小さくすることで、ウエハ面内での順方向電圧のばらつきを低減できることが確認できた。 From FIG. 7, it was confirmed that by reducing the water vapor concentration as in the oxidation step in the manufacturing method of the present invention, the variation in the forward voltage within the wafer surface can be reduced.
本発明によれば、従来よりもウエハ面内での酸化量のばらつきを抑制し、狭窄形状のばらつきが少ない品質が安定した面発光レーザなどの半導体素子を大量に提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a large amount of semiconductor devices, such as surface emitting lasers, of which the variation in the amount of oxidation within the wafer surface is suppressed, the variation in constriction shape is small, and the quality is stable.
1 半導体素子
10 基板
20 下部反射層
30 発光層
40 電流狭窄層
41 高Al組成層
42 酸化領域
50 上部反射層
100 水蒸気酸化装置
REFERENCE SIGNS
Claims (2)
少なくとも前記高Al組成層を含む電流狭窄層の側面が露出したメサ構造を具え、
前記高Al組成層は、前記メサ構造の外周側に設けられ、かつ前記高Al組成層と同一面内にある酸化領域に挟持されて電流狭窄層を構成し、
酸化されていない狭窄領域を俯瞰してウエハ面内の19個以上の狭窄形状を測定した場合に、狭窄形状の結晶方位<01-1>の幅と、結晶方位<010>の幅との標準偏差がいずれも0.6μm以下であり、
前記結晶方位<01-1>の幅に対する前記結晶方位<010>の幅の比の平均が100~102%であることを特徴とするエピタキシャルウエハ。 Having a semiconductor laminate including a high Al composition layer made of at least Al x Ga 1-x As (0.9≦x≦1) on a substrate of 3 inches or more,
a mesa structure in which a side surface of a current confinement layer including at least the high Al composition layer is exposed;
the high Al composition layer is provided on the outer peripheral side of the mesa structure and sandwiched between oxidized regions in the same plane as the high Al composition layer to constitute a current constriction layer;
When 19 or more constricted shapes in the wafer surface are measured by overlooking the constricted region that is not oxidized, the width of the crystal orientation <01-1> and the width of the crystal orientation <010> of the constricted shape are standardized. All the deviations are 0.6 μm or less,
An epitaxial wafer, wherein an average ratio of the width of the crystal orientation <010> to the width of the crystal orientation <01-1> is 100 to 102%.
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