JP4131882B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子は、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の直接遷移型の化合物半導体材料により形成されている。しかし、これらの化合物半導体材料の中には、有害性を有する元素や、埋蔵量の少ない元素が含まれており、環境や資源の点から課題が生じつつある。
【０００３】
一方、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）やゲルマニウム（Ｇｅ）は、無害であり、しかもＳｉ、Ｃは埋蔵量が豊富であるため、種々の半導体素子に用いられているが、間接遷移型半導体であるため、発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子への応用は困難であると考えられていた。
【０００４】
しかし、最近、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子からなる活性層を有する高効率可視の発光素子が報告されている。この発光素子では、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子の量子効果および表面効果により発光が可能になっているものと考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の無秩序に分散したＳｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子を用いた発光素子では、レーザ発振は行われない。そこで、間接遷移型半導体材料を用いてレーザ発振が可能な半導体発光素子を実現することが望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、間接遷移型半導体材料によりレーザ発振を行うことができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、量子サイズを有する複数の半導体ドットがフォトニック結晶を構成するように半導体または絶縁体からなる複数の媒体層中に周期的に形成され、複数の媒体層は半導体または導体からなる電極層を介して積層され、積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で複数の半導体ドットが媒体層中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層中に配列されかつ複数の媒体層が媒体層中での発光波長に等しい周期で積層され、積層された複数の媒体層の中央部の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期が周囲の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期と異なるものである。各半導体ドットは複数の微粒子の集合体であってもよい。特に、複数の媒体層間に半導体ドットの周期性を損なわないように電極層を挿入することが好ましい。
【０００８】
量子サイズとは、量子効果が発生する寸法であり、数ｎｍ（ナノメータ）から数十ｎｍの寸法である。
【０００９】
この半導体発光素子においては、各半導体ドットが量子サイズを有するので、発光効率の高い量子準位または界面準位が形成される。それにより、量子準位または界面準位間での注入キャリア（電子および正孔）の遷移により光が放出される。
【００１０】
また、複数の半導体ドットが媒体層中に周期的に配列されているので、短距離（数周期）においては、各半導体ドットの発光が互いに干渉し、それにより遷移確率が向上する。さらに、長距離においては、フォトニック結晶を構成するので、半導体ドットの配列周期と等しい波長でのみ光が透過せずに光の反射が生じて共振器が形成される。これらの結果、半導体ドットの発光波長のうちで、半導体ドットの配列周期に対応する特定波長のレーザ発振が可能となる。しかも、バルク結晶で間接遷移型となる半導体材料により半導体ドットを形成した場合でも、レーザ発振が行われる。
【００１１】
また、複数の半導体ドットが各媒体層中に２次元的に一定の周囲で配列されるとともに積層方向にも一定の周期で配列されるので、電極層を介して複数の半導体ドットにキャリアを注入することにより、媒体層の表面に平行な方向および媒体層の積層方向に３次元的にレーザ光が出射される。
【００１２】
この場合、積層された複数の媒体層の中央部の領域で半導体ドットの周期性および複数の媒体層の積層周期をずらせることにより、発生した光が中央部の領域では透過し、周囲の領域では透過せずに反射する。その結果、反射鏡を設けることなく特定波長のレーザ発振が可能となる。
【００１９】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体または導体からなる電極基板上に半導体または絶縁体からなる媒体層を形成し、媒体層中に量子サイズを有する複数の半導体ドットをフォトニック結晶が構成されるように周期的に形成し、媒体層上に半導体または導体からなる電極層を形成し、媒体層の形成、複数の半導体ドットの形成および電極層の形成を交互に繰り返し行うことにより、複数の媒体層を電極層を介して積層し、積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で複数の半導体ドットを媒体層中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層に配列しかつ複数の媒体層を媒体層中での発光波長に等しい周期で積層し、積層された複数の媒体層の中央部の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期を周囲の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期と異ならせるものである。
【００２０】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、量子サイズを有する複数の半導体ドットが周期的に配列されたフォトニック結晶が得られる。それにより、各半導体ドットの量子効果および複数の半導体ドットからなるフォトニック結晶によりレーザ発振が可能となる。
【００２１】
また、複数の半導体ドットが各媒体層中に２次元的に一定の周囲で配列されるとともに積層方向にも一定の周期で配列されるので、電極層を介して複数の半導体ドットにキャリアを注入することにより、媒体層の表面に平行な方向および媒体層の積層方向に３次元的にレーザ光が出射される。
【００２２】
この場合、積層された複数の媒体層の中央部の領域で半導体ドットの周期性および複数の媒体層の積層周期をずらせることにより、発生した光が中央部の領域では透過し、周囲の領域では透過せずに反射する。その結果、反射鏡を設けることなく特定波長のレーザ発振が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る半導体発光素子の一例を示し、（ａ）は半導体発光素子の模式的縦断面図、（ｂ）は半導体発光素子の模式的横断面図、（ｃ）は１つの半導体ドットの模式的断面図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、複数の媒体層１００が一定周期で積層されている。媒体層１００は、発光波長の吸収が少ない半導体または絶縁体により形成される。また、図１（ｂ）に示すように、各媒体層１００中に複数の半導体ドット１０１が２次元的に一定の周期で配列されている。図１の例では、各半導体ドット１０１は六方格子の格子点に配列されている。
【００２８】
各半導体ドット１０１は数ｎｍから数十ｎｍの寸法を有し、図１（ｃ）に示すように、１つの半導体ドット１０１は数ｎｍから十数ｎｍ程度の大きさの複数の微粒子１１０の集合体からなる。
【００２９】
積層された複数の媒体層１００の中央部の領域２００を除く周囲の領域では、媒体層１００中での発光波長に等しい周期で複数の半導体ドット１０１が配列され、媒体層１００中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層１００が積層されている。すなわち、複数の媒体層１００の中央部の領域２００での半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１００の積層周期は周囲の領域での半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１００の積層周期と異なる。
【００３０】
積層された複数の媒体層１０１の上面および下面にはそれぞれ電極１０２，１０３が設けられている。これらの電極１０２，１０３を介して媒体層１００中の半導体ドット１０１に電子・正孔キャリアが注入される。
【００３１】
この半導体発光素子の製造の際には、中央部の領域２００および周囲の領域をマスクを用いて別々の工程で形成する。
【００３２】
以下、本発明に係る半導体発光素子の一例として半導体レーザ素子の製造方法について説明する。以下の説明では、図１の中央部の領域２００を除く周囲の領域の製造方法を示している。中央部の領域２００の製造方法は、半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１の積層周期を除いて周囲の領域の製造方法と同様である。
【００３３】
図２および図３は本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ａを形成する。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、酸化シリコン層２ａ中に、イオン注入によりＧｅを酸化シリコン層２ａの厚さの半分の深さで最大濃度となるようなエネルギーで過飽和に導入し、膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ａを形成する。イオン注入の条件としては、例えばＧｅイオンの加速エネルギーを十数〜数ｋｅＶとし、ドーズ量を１０15〜１０17ｃｍ-2とする。この場合、Ｇｅ過飽和層３ａ中のＧｅの濃度は数原子％〜数十原子％となる。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、酸化シリコン層２ａに、エキシマレーザ光、自由電子レーザ光、放射光等の同一光源から分岐した短い波長の可干渉光Ｌ１，Ｌ２を２方向から互いに角度θ１をなすように照射して干渉縞を形成するとともに、上記干渉縞と角度θ３（図示せず）をなすような干渉縞を同様の可干渉光を２方向から互いに角度θ２（図示せず）をなすように照射して形成し、酸化シリコン層２ａに酸化シリコン中での発光波長と等しい空間波長の間隔の互いに交わる格子状の干渉縞を形成する。それにより、互いに交わる干渉縞の交点の強度ピーク位置におけるＧｅ過飽和層３ａのＧｅ濃度が最大となる深さに数ｎｍ〜十数ｎｍの大きさを有するＧｅドット４が光励起により析出する。
【００３７】
なお、酸化シリコン中の光の波長は真空中での光の波長を酸化シリコンの屈折率１．４６で除した値となるので、酸化シリコン中の可干渉光の波長は真空中での可干渉光の波長を酸化シリコンの屈折率１．４６で除した値となる。この場合、２方向の可干渉光Ｌ１，Ｌ２がなす角度θ１，θ２および可干渉光Ｌ１，Ｌ２の波長は、Ｇｅドット４の配列周期ｄ１，ｄ２が酸化シリコン中での発光波長と等しくなるように選択する。なお、配列周期ｄ１，ｄ２は、Ｓｉ基板１の表面に平行な面内で互いに交わる方向における周期であり、図には配列周期ｄ１のみが示される。
【００３８】
例えば、真空中でのレーザ発光を０．５２μｍの緑色光とすると、酸化シリコン中でのレーザ光の波長は０．３９μｍの紫色光となり、０．３９μｍ周期の干渉縞を形成するためには、これより短い波長の紫外光を可干渉光として用いる。また、干渉縞の交点以外の場所で析出が起こらないように、入射光はパルス状として瞬間的に励起する。このようにして、Ｇｅ過飽和層３ａ中に２次元格子状に複数のＧｅドット４が形成される。
【００３９】
その後、図３（ｄ）に示すように、酸化シリコン層２ａ上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スプレー法等により酸化インジウム・スズ等の透明電極層４ｂを堆積する。次に、この透明電極層４ｂ上に膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ｂを形成する。さらに、図３（ｅ）に示すように、図２（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン層２ｂ中に膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ｂを形成し、Ｇｅ過飽和層３ｂ中に複数のＧｅドット４を２次元格子状に形成する。
【００４０】
同様にして、図３（ｆ）に示すように、酸化シリコン層２ｂ上に透明電極層４ｃを堆積し、透明電極層４ｃ上に膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ｃを形成し、酸化シリコン層２ｃ中に膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ｃを形成し、Ｇｅ過飽和層３ｃ中に複数のＧｅドット４を２次元格子状に形成する。
【００４１】
この場合、複数のＧｅ過飽和層３ａ，３ｂ，３ｃ中のＧｅドット４の上下方向の配列周期ｄ３が酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃおよび透明電極層４ａ，４ｂ，４ｃからなる多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃおよび透明電極層４ａ，４ｂ，４ｃの膜厚を設定する。このようにして、複数のＧｅドット４が３次元格子状に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００４２】
最後に、酸化シリコン層２ｃ上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、ＣＶＤ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極５を形成するとともに、Ｓｉ基板１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、ＣＶＤ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極６を形成する。
【００４３】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極５，６からＳｉ基板１および酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃに電流を注入すると、複数のＧｅドット４に電子・正孔キャリアが注入される。各Ｇｅドット４は数ｎｍの寸法を有するので、量子効果による量子準位あるいは酸化シリコン層との界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移について近距離のＧｅドット間の相互作用により高効率で光が放出される。また、複数のＧｅドット４によりフォトニック結晶が構成されるので、複数のＧｅドット４の配列周期と等しい波長でのみ光の干渉が起こり、発光の位相が揃ってレーザ発振が行われる。
【００４４】
なお、本実施例の半導体レーザ素子では、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＧｅドット４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００４５】
また、図２および図３の例では、Ｇｅドット４を含むＧｅ過飽和層３ａ，３ｂ，３ｃが上下方向に３層に積層されているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００４６】
Ｇｅドット４を含むＧｅ過飽和層３ａを１層のみ設けた場合には、そのＧｅ過飽和層３ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００４７】
上記では、Ｇｅの過飽和層を形成して可干渉光の干渉縞の照射によりＧｅドットを周期構造に析出させているが、上記のＧｅの代わりに、Ｓｉ、Ｃあるいはそれらを混合したＳｉ−Ｃ−Ｇｅの過飽和層を形成して可干渉光の干渉縞の照射によりＳｉ、ＳｉＣあるいはＳｉ−Ｃ−Ｇｅドットを、同様にして周期構造に析出させてもよい。
【００４８】
図４、図５および図６は本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４９】
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、スパッタリング法等により膜厚数百ｎｍの酸化シリコン膜２２ａを形成する。
【００５０】
その後、図４（ｂ）に示すように、ハロゲン系ガス等のエッチング性ガスｅを供給しながら、酸化シリコン膜２２ａに、エキシマレーザ光、自由電子レーザ光、放射光等の可干渉光Ｌ３，Ｌ４を２方向から互いに角度θ１をなすように照射して干渉縞を形成するとともに、上記干渉縞と角度θ３（図示せず）をなすような干渉縞を同様の可干渉光を２方向から角度θ２（図示せず）をなすように照射して形成し、酸化シリコン膜２２ａに発光波長に対応する酸化シリコン中での空間波長の間隔の互いに交わる格子状の干渉縞を形成する。それにより、互いに交わる干渉縞の交点の強度ピーク位置の酸化シリコン膜２２ａが光励起によりエッチングされ、酸化シリコン中での発光波長と等しい空間波長の周期ｄ１，ｄ２で酸化シリコン膜２２ａに数ｎｍ〜数百ｎｍの大きさの複数の孔２３がマトリクス状に形成される。
【００５１】
さらに、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉの水素化物のガス、Ｃの水素化物のガスおよびＧｅの水素化物のガスを含む堆積原料ガスｇを供給しながら、図４（ｂ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜２２ａに、可干渉光Ｌ５，Ｌ６を２方向から互いに角度θ１をなすように照射するとともに、上記干渉縞と角度θ３をなすような干渉縞を可干渉光を２方向から互いに角度θ２をなすように照射して形成し、酸化シリコン膜２２ａに形成された孔２３に一致するように互いに角度θ３をなす格子状の干渉縞を形成する。それにより、酸化シリコン膜２２ａの孔２３内に光励起ＣＶＤにより厚さサブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が堆積する。このようにして、酸化シリコン膜２２ａに複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が２次元周期的に格子状に形成される。ここで、サブｎｍは、０．数ｎｍである。
【００５２】
次に、図５（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜２２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２５を形成し、Ｓｉ層２５上に熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜２２ｂを形成する。
【００５３】
さらに、図５（ｅ）に示すように、図４（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜２２ｂに複数の孔２３を２次元周期的に形成し、複数の孔２３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を形成する。
【００５４】
同様にして、図６（ｆ）に示すように、酸化シリコン膜２２ｂ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２６および膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜２２ｃを順に形成し、酸化シリコン膜２２ｃに複数の孔２３を２次元周期的に形成し、複数の孔２３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を形成する。
【００５５】
この場合、複数の酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃ中のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の上下方向の配列周期ｄ３が酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよびＳｉ層２５，２６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよびＳｉ層２５，２６の膜厚を設定する。このようにして、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００５６】
次に、図６（ｇ）に示すように、酸化シリコン膜２２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２７を形成した後、Ｓｉ層２７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極２８を形成するとともに、Ｓｉ基板２１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極２９を形成する。
【００５７】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極２８，２９からＳｉ基板２１およびＳｉ層２５，２６，２７に電流を注入すると、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４に電子・正孔キャリアが注入される。各Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果による量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が周期的に配列されているので、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の配列周期と等しい波長で選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００５８】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００５９】
また、図４〜図６の例では、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を含む酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００６０】
Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を含む酸化シリコン膜２２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜２２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００６１】
図７、図８および図９は本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００６２】
まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板３１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ａを形成する。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａに、１０ｋｅＶで加速されたＧａ（ガリウム）イオンからなる集束イオンビームｂ１を数ｎｍ〜数百ｎｍの直径に絞って酸化シリコン膜３２ａに照射するとともに、ガスノズル５０からハロゲン系ガス等のエッチング性ガスｇ１を集束イオンビームｂ１と同じ箇所に照射し、酸化シリコン膜３２ａにイオン誘起により直径数十ｎｍ〜数百ｎｍの孔３３を形成する。この操作を順次繰り返すことにより、酸化シリコン膜３２ａに複数の孔３３を発光波長に対応する酸化シリコン中での空間波長の周期ｄ１，ｄ２でマトリクス状に形成する。
【００６４】
その後、図７（ｃ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａに形成された各孔３３に１０ｋｅＶで加速されたＧａイオンからなる集束イオンビームｂ２を照射するとともに、ガスノズル５１からＳｉの水素化物のガス、Ｃの水素化物のガスおよびＧｅの水素化物のガスを含む堆積原料ガスｇ２を照射し、各孔３３内にイオン誘起により膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４をエピタキシャル成長させる。このようにして、酸化シリコン膜３２ａに複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が２次元周期的に格子状に形成される。
【００６５】
次に、図８（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３５を形成し、Ｓｉ層３５上に熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ｂを形成する。
【００６６】
さらに、図８（ｅ）に示すように、図７（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜３２ｂに複数の孔３３を２次元周期的に形成し、各孔３３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を形成する。
【００６７】
次に、図９（ｆ）に示すように、酸化シリコン膜３２ｂ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３６および膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ｃを順に形成し、図７（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜３２ｃに複数の孔３３を２次元周期的に形成し、各孔３３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を形成する。
【００６８】
この場合、複数の酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃ中のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の上下方向の配列周期ｄ４が酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよびＳｉ層３５，３６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよびＳｉ層３５，３６の膜厚を設定する。このようにして、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００６９】
次に、図９（ｇ）に示すように、酸化シリコン膜３２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３７を形成した後、Ｓｉ層３７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極３８を形成するとともに、Ｓｉ基板３１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極３９を形成する。
【００７０】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極３８，３９からＳｉ基板３１およびＳｉ層３５，３６，３７に電流を注入すると、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４にキャリアが注入される。各Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果により量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が周期的に配列されているので、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の配列周期と等しい波長でのみ選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００７１】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００７２】
また、図７〜図９の例では、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を含む酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００７３】
Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を含む酸化シリコン膜３２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜３２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００７４】
図１０および図１１は本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００７５】
まず、図１０（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜４２ａを形成する。
【００７６】
次に、図１０（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜４２ａに、集束イオンビームｂ３によりＳｉ、ＣまたはＧｅを注入し、注入部４３を形成する。注入部４３の位置は、フォトニック結晶を構成する格子点であり、注入深さは、酸化シリコン膜４２ａ厚さの半分の深さ付近である。Ｇｅイオンの場合の注入エネルギーは、十数〜数ｋｅＶであり、注入量は、１０15〜１０17ｃｍ-2である。
【００７７】
その後、図１０（ｃ）に示すように、加熱処理により酸化シリコン膜４２ａの注入部４３の原子を析出させ、数ｎｍ〜数十ｎｍの大きさの半導体ドット４４を周期的に形成する。Ｓｉの場合の加熱温度は、１０００〜１４００℃である。
【００７８】
次に、図１１（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜４２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層４５を形成した後、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、Ｓｉ層４５上に酸化シリコン膜４２ｂ、Ｓｉ層４６および酸化シリコン膜４２ｃを順に形成するとともに、複数の酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ中に半導体ドット４４を周期的に形成する。
【００７９】
この場合、複数の酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ中の半導体ドット４４の上下方向の配列周期ｄ５が酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよびＳｉ層４５，４６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよびＳｉ層４５，４６の膜厚を設定する。このようにして、複数の半導体ドット４４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００８０】
次に、図１１（ｅ）に示すように、酸化シリコン膜４２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層４７を形成した後、Ｓｉ層４７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極４８を形成するとともに、Ｓｉ基板４１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極４９を形成する。
【００８１】
上記では、Ｇｅの集束イオンビームを用い、Ｇｅドットを周期的に配列しているが、上記のＧｅの代わりに、Ｓｉ、Ｃあるいはそれらを組合せてＳｉ、ＳｉＣまたはＳｉ−Ｃ−Ｇｅドットを周期的に配列してもよい。
【００８２】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極４８，４９からＳｉ基板４１およびＳｉ層４５，４６，４７に電流を注入すると、複数の半導体ドット４４にキャリアが注入される。各半導体ドット４４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果により量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、半導体ドット４４が周期的に配列されているので、複数の半導体ドット４４の配列周期と等しい波長でのみ選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００８３】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向における半導体ドット４４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００８４】
また、図１０および図１１の例では、半導体ドット４４を含む酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００８５】
半導体ドット４４を含む酸化シリコン膜４２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜４２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００８６】
上記のように、第１、第２、第３および第４の実施例の半導体レーザ素子では、Ｓｉ系の間接遷移型半導体材料を用いることによりレーザ発振が可能となる。したがって、半導体レーザ素子をＳｉからなる集積回路に集積化することができる。また、周期構造による発光体内での選択則を用いることにより特定の波長での光の誘起・反射が行われているので、発光効率が向上し、また、反射鏡が不要となる。したがって、半導体レーザ素子の設計の自由度が増すとともに、反射面の劣化による素子特性の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の一例を示す模式的縦断面図、模式的横断面図および半導体ドットの模式的断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図８】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１ Ｓｉ基板
２ａ，２ｂ，２ｃ 酸化シリコン層
３ａ，３ｂ，３ｃ Ｇｅ過飽和層
４ Ｇｅドット
４ｂ，４ｃ 透明電極層
５，６，２８，２９，３８，３９，４８，４９ 電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ酸化シリコン膜
２３，３３ 孔
２４，３４ Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット
４４ 半導体ドット
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子は、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の直接遷移型の化合物半導体材料により形成されている。しかし、これらの化合物半導体材料の中には、有害性を有する元素や、埋蔵量の少ない元素が含まれており、環境や資源の点から課題が生じつつある。
【０００３】
一方、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）やゲルマニウム（Ｇｅ）は、無害であり、しかもＳｉ、Ｃは埋蔵量が豊富であるため、種々の半導体素子に用いられているが、間接遷移型半導体であるため、発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子への応用は困難であると考えられていた。
【０００４】
しかし、最近、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子からなる活性層を有する高効率可視の発光素子が報告されている。この発光素子では、Ｓｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子の量子効果および表面効果により発光が可能になっているものと考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の無秩序に分散したＳｉ、ＳｉＣまたはＧｅの微粒子を用いた発光素子では、レーザ発振は行われない。そこで、間接遷移型半導体材料を用いてレーザ発振が可能な半導体発光素子を実現することが望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、間接遷移型半導体材料によりレーザ発振を行うことができる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子は、量子サイズを有する複数の半導体ドットがフォトニック結晶を構成するように半導体または絶縁体からなる複数の媒体層中に周期的に形成され、複数の媒体層は半導体または導体からなる電極層を介して積層され、積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で複数の半導体ドットが媒体層中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層中に配列されかつ複数の媒体層が媒体層中での発光波長に等しい周期で積層され、積層された複数の媒体層の中央部の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期が周囲の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期と異なるものである。各半導体ドットは複数の微粒子の集合体であってもよい。特に、複数の媒体層間に半導体ドットの周期性を損なわないように電極層を挿入することが好ましい。
【０００８】
量子サイズとは、量子効果が発生する寸法であり、数ｎｍ（ナノメータ）から数十ｎｍの寸法である。
【０００９】
この半導体発光素子においては、各半導体ドットが量子サイズを有するので、発光効率の高い量子準位または界面準位が形成される。それにより、量子準位または界面準位間での注入キャリア（電子および正孔）の遷移により光が放出される。
【００１０】
また、複数の半導体ドットが媒体層中に周期的に配列されているので、短距離（数周期）においては、各半導体ドットの発光が互いに干渉し、それにより遷移確率が向上する。さらに、長距離においては、フォトニック結晶を構成するので、半導体ドットの配列周期と等しい波長でのみ光が透過せずに光の反射が生じて共振器が形成される。これらの結果、半導体ドットの発光波長のうちで、半導体ドットの配列周期に対応する特定波長のレーザ発振が可能となる。しかも、バルク結晶で間接遷移型となる半導体材料により半導体ドットを形成した場合でも、レーザ発振が行われる。
【００１１】
また、複数の半導体ドットが各媒体層中に２次元的に一定の周囲で配列されるとともに積層方向にも一定の周期で配列されるので、電極層を介して複数の半導体ドットにキャリアを注入することにより、媒体層の表面に平行な方向および媒体層の積層方向に３次元的にレーザ光が出射される。
【００１２】
この場合、積層された複数の媒体層の中央部の領域で半導体ドットの周期性および複数の媒体層の積層周期をずらせることにより、発生した光が中央部の領域では透過し、周囲の領域では透過せずに反射する。その結果、反射鏡を設けることなく特定波長のレーザ発振が可能となる。
【００１９】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、半導体または導体からなる電極基板上に半導体または絶縁体からなる媒体層を形成し、媒体層中に量子サイズを有する複数の半導体ドットをフォトニック結晶が構成されるように周期的に形成し、媒体層上に半導体または導体からなる電極層を形成し、媒体層の形成、複数の半導体ドットの形成および電極層の形成を交互に繰り返し行うことにより、複数の媒体層を電極層を介して積層し、積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で複数の半導体ドットを媒体層中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層に配列しかつ複数の媒体層を媒体層中での発光波長に等しい周期で積層し、積層された複数の媒体層の中央部の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期を周囲の領域での半導体ドットの配列周期および媒体層の積層周期と異ならせるものである。
【００２０】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、量子サイズを有する複数の半導体ドットが周期的に配列されたフォトニック結晶が得られる。それにより、各半導体ドットの量子効果および複数の半導体ドットからなるフォトニック結晶によりレーザ発振が可能となる。
【００２１】
また、複数の半導体ドットが各媒体層中に２次元的に一定の周囲で配列されるとともに積層方向にも一定の周期で配列されるので、電極層を介して複数の半導体ドットにキャリアを注入することにより、媒体層の表面に平行な方向および媒体層の積層方向に３次元的にレーザ光が出射される。
【００２２】
この場合、積層された複数の媒体層の中央部の領域で半導体ドットの周期性および複数の媒体層の積層周期をずらせることにより、発生した光が中央部の領域では透過し、周囲の領域では透過せずに反射する。その結果、反射鏡を設けることなく特定波長のレーザ発振が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る半導体発光素子の一例を示し、（ａ）は半導体発光素子の模式的縦断面図、（ｂ）は半導体発光素子の模式的横断面図、（ｃ）は１つの半導体ドットの模式的断面図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、複数の媒体層１００が一定周期で積層されている。媒体層１００は、発光波長の吸収が少ない半導体または絶縁体により形成される。また、図１（ｂ）に示すように、各媒体層１００中に複数の半導体ドット１０１が２次元的に一定の周期で配列されている。図１の例では、各半導体ドット１０１は六方格子の格子点に配列されている。
【００２８】
各半導体ドット１０１は数ｎｍから数十ｎｍの寸法を有し、図１（ｃ）に示すように、１つの半導体ドット１０１は数ｎｍから十数ｎｍ程度の大きさの複数の微粒子１１０の集合体からなる。
【００２９】
積層された複数の媒体層１００の中央部の領域２００を除く周囲の領域では、媒体層１００中での発光波長に等しい周期で複数の半導体ドット１０１が配列され、媒体層１００中での発光波長に等しい周期で複数の媒体層１００が積層されている。すなわち、複数の媒体層１００の中央部の領域２００での半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１００の積層周期は周囲の領域での半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１００の積層周期と異なる。
【００３０】
積層された複数の媒体層１０１の上面および下面にはそれぞれ電極１０２，１０３が設けられている。これらの電極１０２，１０３を介して媒体層１００中の半導体ドット１０１に電子・正孔キャリアが注入される。
【００３１】
この半導体発光素子の製造の際には、中央部の領域２００および周囲の領域をマスクを用いて別々の工程で形成する。
【００３２】
以下、本発明に係る半導体発光素子の一例として半導体レーザ素子の製造方法について説明する。以下の説明では、図１の中央部の領域２００を除く周囲の領域の製造方法を示している。中央部の領域２００の製造方法は、半導体ドット１０１の配列周期および媒体層１の積層周期を除いて周囲の領域の製造方法と同様である。
【００３３】
図２および図３は本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ａを形成する。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、酸化シリコン層２ａ中に、イオン注入によりＧｅを酸化シリコン層２ａの厚さの半分の深さで最大濃度となるようなエネルギーで過飽和に導入し、膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ａを形成する。イオン注入の条件としては、例えばＧｅイオンの加速エネルギーを十数〜数ｋｅＶとし、ドーズ量を１０15〜１０17ｃｍ-2とする。この場合、Ｇｅ過飽和層３ａ中のＧｅの濃度は数原子％〜数十原子％となる。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、酸化シリコン層２ａに、エキシマレーザ光、自由電子レーザ光、放射光等の同一光源から分岐した短い波長の可干渉光Ｌ１，Ｌ２を２方向から互いに角度θ１をなすように照射して干渉縞を形成するとともに、上記干渉縞と角度θ３（図示せず）をなすような干渉縞を同様の可干渉光を２方向から互いに角度θ２（図示せず）をなすように照射して形成し、酸化シリコン層２ａに酸化シリコン中での発光波長と等しい空間波長の間隔の互いに交わる格子状の干渉縞を形成する。それにより、互いに交わる干渉縞の交点の強度ピーク位置におけるＧｅ過飽和層３ａのＧｅ濃度が最大となる深さに数ｎｍ〜十数ｎｍの大きさを有するＧｅドット４が光励起により析出する。
【００３７】
なお、酸化シリコン中の光の波長は真空中での光の波長を酸化シリコンの屈折率１．４６で除した値となるので、酸化シリコン中の可干渉光の波長は真空中での可干渉光の波長を酸化シリコンの屈折率１．４６で除した値となる。この場合、２方向の可干渉光Ｌ１，Ｌ２がなす角度θ１，θ２および可干渉光Ｌ１，Ｌ２の波長は、Ｇｅドット４の配列周期ｄ１，ｄ２が酸化シリコン中での発光波長と等しくなるように選択する。なお、配列周期ｄ１，ｄ２は、Ｓｉ基板１の表面に平行な面内で互いに交わる方向における周期であり、図には配列周期ｄ１のみが示される。
【００３８】
例えば、真空中でのレーザ発光を０．５２μｍの緑色光とすると、酸化シリコン中でのレーザ光の波長は０．３９μｍの紫色光となり、０．３９μｍ周期の干渉縞を形成するためには、これより短い波長の紫外光を可干渉光として用いる。また、干渉縞の交点以外の場所で析出が起こらないように、入射光はパルス状として瞬間的に励起する。このようにして、Ｇｅ過飽和層３ａ中に２次元格子状に複数のＧｅドット４が形成される。
【００３９】
その後、図３（ｄ）に示すように、酸化シリコン層２ａ上に、スパッタリング法、ＣＶＤ法、スプレー法等により酸化インジウム・スズ等の透明電極層４ｂを堆積する。次に、この透明電極層４ｂ上に膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ｂを形成する。さらに、図３（ｅ）に示すように、図２（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン層２ｂ中に膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ｂを形成し、Ｇｅ過飽和層３ｂ中に複数のＧｅドット４を２次元格子状に形成する。
【００４０】
同様にして、図３（ｆ）に示すように、酸化シリコン層２ｂ上に透明電極層４ｃを堆積し、透明電極層４ｃ上に膜厚数十ｎｍの酸化シリコン層２ｃを形成し、酸化シリコン層２ｃ中に膜厚数十ｎｍのＧｅ過飽和層３ｃを形成し、Ｇｅ過飽和層３ｃ中に複数のＧｅドット４を２次元格子状に形成する。
【００４１】
この場合、複数のＧｅ過飽和層３ａ，３ｂ，３ｃ中のＧｅドット４の上下方向の配列周期ｄ３が酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃおよび透明電極層４ａ，４ｂ，４ｃからなる多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃおよび透明電極層４ａ，４ｂ，４ｃの膜厚を設定する。このようにして、複数のＧｅドット４が３次元格子状に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００４２】
最後に、酸化シリコン層２ｃ上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、ＣＶＤ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極５を形成するとともに、Ｓｉ基板１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法、ＣＶＤ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極６を形成する。
【００４３】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極５，６からＳｉ基板１および酸化シリコン層２ａ，２ｂ，２ｃに電流を注入すると、複数のＧｅドット４に電子・正孔キャリアが注入される。各Ｇｅドット４は数ｎｍの寸法を有するので、量子効果による量子準位あるいは酸化シリコン層との界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移について近距離のＧｅドット間の相互作用により高効率で光が放出される。また、複数のＧｅドット４によりフォトニック結晶が構成されるので、複数のＧｅドット４の配列周期と等しい波長でのみ光の干渉が起こり、発光の位相が揃ってレーザ発振が行われる。
【００４４】
なお、本実施例の半導体レーザ素子では、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＧｅドット４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００４５】
また、図２および図３の例では、Ｇｅドット４を含むＧｅ過飽和層３ａ，３ｂ，３ｃが上下方向に３層に積層されているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００４６】
Ｇｅドット４を含むＧｅ過飽和層３ａを１層のみ設けた場合には、そのＧｅ過飽和層３ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００４７】
上記では、Ｇｅの過飽和層を形成して可干渉光の干渉縞の照射によりＧｅドットを周期構造に析出させているが、上記のＧｅの代わりに、Ｓｉ、Ｃあるいはそれらを混合したＳｉ−Ｃ−Ｇｅの過飽和層を形成して可干渉光の干渉縞の照射によりＳｉ、ＳｉＣあるいはＳｉ−Ｃ−Ｇｅドットを、同様にして周期構造に析出させてもよい。
【００４８】
図４、図５および図６は本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４９】
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）、スパッタリング法等により膜厚数百ｎｍの酸化シリコン膜２２ａを形成する。
【００５０】
その後、図４（ｂ）に示すように、ハロゲン系ガス等のエッチング性ガスｅを供給しながら、酸化シリコン膜２２ａに、エキシマレーザ光、自由電子レーザ光、放射光等の可干渉光Ｌ３，Ｌ４を２方向から互いに角度θ１をなすように照射して干渉縞を形成するとともに、上記干渉縞と角度θ３（図示せず）をなすような干渉縞を同様の可干渉光を２方向から角度θ２（図示せず）をなすように照射して形成し、酸化シリコン膜２２ａに発光波長に対応する酸化シリコン中での空間波長の間隔の互いに交わる格子状の干渉縞を形成する。それにより、互いに交わる干渉縞の交点の強度ピーク位置の酸化シリコン膜２２ａが光励起によりエッチングされ、酸化シリコン中での発光波長と等しい空間波長の周期ｄ１，ｄ２で酸化シリコン膜２２ａに数ｎｍ〜数百ｎｍの大きさの複数の孔２３がマトリクス状に形成される。
【００５１】
さらに、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉの水素化物のガス、Ｃの水素化物のガスおよびＧｅの水素化物のガスを含む堆積原料ガスｇを供給しながら、図４（ｂ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜２２ａに、可干渉光Ｌ５，Ｌ６を２方向から互いに角度θ１をなすように照射するとともに、上記干渉縞と角度θ３をなすような干渉縞を可干渉光を２方向から互いに角度θ２をなすように照射して形成し、酸化シリコン膜２２ａに形成された孔２３に一致するように互いに角度θ３をなす格子状の干渉縞を形成する。それにより、酸化シリコン膜２２ａの孔２３内に光励起ＣＶＤにより厚さサブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が堆積する。このようにして、酸化シリコン膜２２ａに複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が２次元周期的に格子状に形成される。ここで、サブｎｍは、０．数ｎｍである。
【００５２】
次に、図５（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜２２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２５を形成し、Ｓｉ層２５上に熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜２２ｂを形成する。
【００５３】
さらに、図５（ｅ）に示すように、図４（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜２２ｂに複数の孔２３を２次元周期的に形成し、複数の孔２３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を形成する。
【００５４】
同様にして、図６（ｆ）に示すように、酸化シリコン膜２２ｂ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２６および膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜２２ｃを順に形成し、酸化シリコン膜２２ｃに複数の孔２３を２次元周期的に形成し、複数の孔２３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を形成する。
【００５５】
この場合、複数の酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃ中のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の上下方向の配列周期ｄ３が酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよびＳｉ層２５，２６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃおよびＳｉ層２５，２６の膜厚を設定する。このようにして、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００５６】
次に、図６（ｇ）に示すように、酸化シリコン膜２２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層２７を形成した後、Ｓｉ層２７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極２８を形成するとともに、Ｓｉ基板２１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極２９を形成する。
【００５７】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極２８，２９からＳｉ基板２１およびＳｉ層２５，２６，２７に電流を注入すると、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４に電子・正孔キャリアが注入される。各Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果による量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４が周期的に配列されているので、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の配列周期と等しい波長で選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００５８】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００５９】
また、図４〜図６の例では、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を含む酸化シリコン膜２２ａ，２２ｂ，２２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００６０】
Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット２４を含む酸化シリコン膜２２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜２２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００６１】
図７、図８および図９は本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００６２】
まず、図７（ａ）に示すように、Ｓｉ基板３１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ａを形成する。
【００６３】
次に、図７（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａに、１０ｋｅＶで加速されたＧａ（ガリウム）イオンからなる集束イオンビームｂ１を数ｎｍ〜数百ｎｍの直径に絞って酸化シリコン膜３２ａに照射するとともに、ガスノズル５０からハロゲン系ガス等のエッチング性ガスｇ１を集束イオンビームｂ１と同じ箇所に照射し、酸化シリコン膜３２ａにイオン誘起により直径数十ｎｍ〜数百ｎｍの孔３３を形成する。この操作を順次繰り返すことにより、酸化シリコン膜３２ａに複数の孔３３を発光波長に対応する酸化シリコン中での空間波長の周期ｄ１，ｄ２でマトリクス状に形成する。
【００６４】
その後、図７（ｃ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａに形成された各孔３３に１０ｋｅＶで加速されたＧａイオンからなる集束イオンビームｂ２を照射するとともに、ガスノズル５１からＳｉの水素化物のガス、Ｃの水素化物のガスおよびＧｅの水素化物のガスを含む堆積原料ガスｇ２を照射し、各孔３３内にイオン誘起により膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４をエピタキシャル成長させる。このようにして、酸化シリコン膜３２ａに複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が２次元周期的に格子状に形成される。
【００６５】
次に、図８（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜３２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３５を形成し、Ｓｉ層３５上に熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ｂを形成する。
【００６６】
さらに、図８（ｅ）に示すように、図７（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜３２ｂに複数の孔３３を２次元周期的に形成し、各孔３３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を形成する。
【００６７】
次に、図９（ｆ）に示すように、酸化シリコン膜３２ｂ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３６および膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜３２ｃを順に形成し、図７（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、酸化シリコン膜３２ｃに複数の孔３３を２次元周期的に形成し、各孔３３内に膜厚サブｎｍ〜数ｎｍのＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を形成する。
【００６８】
この場合、複数の酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃ中のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の上下方向の配列周期ｄ４が酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよびＳｉ層３５，３６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃおよびＳｉ層３５，３６の膜厚を設定する。このようにして、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００６９】
次に、図９（ｇ）に示すように、酸化シリコン膜３２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層３７を形成した後、Ｓｉ層３７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極３８を形成するとともに、Ｓｉ基板３１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極３９を形成する。
【００７０】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極３８，３９からＳｉ基板３１およびＳｉ層３５，３６，３７に電流を注入すると、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４にキャリアが注入される。各Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果により量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４が周期的に配列されているので、複数のＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の配列周期と等しい波長でのみ選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００７１】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向におけるＳｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００７２】
また、図７〜図９の例では、Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を含む酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂ，３２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００７３】
Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット３４を含む酸化シリコン膜３２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜３２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００７４】
図１０および図１１は本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００７５】
まず、図１０（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４１上に、熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により膜厚数十ｎｍの酸化シリコン膜４２ａを形成する。
【００７６】
次に、図１０（ｂ）に示すように、酸化シリコン膜４２ａに、集束イオンビームｂ３によりＳｉ、ＣまたはＧｅを注入し、注入部４３を形成する。注入部４３の位置は、フォトニック結晶を構成する格子点であり、注入深さは、酸化シリコン膜４２ａ厚さの半分の深さ付近である。Ｇｅイオンの場合の注入エネルギーは、十数〜数ｋｅＶであり、注入量は、１０15〜１０17ｃｍ-2である。
【００７７】
その後、図１０（ｃ）に示すように、加熱処理により酸化シリコン膜４２ａの注入部４３の原子を析出させ、数ｎｍ〜数十ｎｍの大きさの半導体ドット４４を周期的に形成する。Ｓｉの場合の加熱温度は、１０００〜１４００℃である。
【００７８】
次に、図１１（ｄ）に示すように、酸化シリコン膜４２ａ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層４５を形成した後、図１０（ａ），（ｂ），（ｃ）の工程と同様にして、Ｓｉ層４５上に酸化シリコン膜４２ｂ、Ｓｉ層４６および酸化シリコン膜４２ｃを順に形成するとともに、複数の酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ中に半導体ドット４４を周期的に形成する。
【００７９】
この場合、複数の酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃ中の半導体ドット４４の上下方向の配列周期ｄ５が酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよびＳｉ層４５，４６による多層膜中での発光波長と等しくなるように酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃおよびＳｉ層４５，４６の膜厚を設定する。このようにして、複数の半導体ドット４４が３次元周期的に配列され、３次元のフォトニック結晶が構成される。
【００８０】
次に、図１１（ｅ）に示すように、酸化シリコン膜４２ｃ上に膜厚数百ｎｍのＳｉ層４７を形成した後、Ｓｉ層４７上に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ、酸化インジウム・スズ等からなる電極４８を形成するとともに、Ｓｉ基板４１の下面に、蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等によりＡｕ、Ａｌ等からなる電極４９を形成する。
【００８１】
上記では、Ｇｅの集束イオンビームを用い、Ｇｅドットを周期的に配列しているが、上記のＧｅの代わりに、Ｓｉ、Ｃあるいはそれらを組合せてＳｉ、ＳｉＣまたはＳｉ−Ｃ−Ｇｅドットを周期的に配列してもよい。
【００８２】
本実施例の半導体レーザ素子において、電極４８，４９からＳｉ基板４１およびＳｉ層４５，４６，４７に電流を注入すると、複数の半導体ドット４４にキャリアが注入される。各半導体ドット４４は数ｎｍの大きさを有するので、量子効果により量子準位あるいは界面準位が形成され、量子準位あるいは界面準位間での注入キャリアの遷移により光が放出される。また、半導体ドット４４が周期的に配列されているので、複数の半導体ドット４４の配列周期と等しい波長でのみ選択的に発光の効率が上がりかつレーザ発振が行われる。
【００８３】
なお、本実施例の半導体レーザ素子においても、互いに直交する３方向にレーザ光が出射するが、３方向のうち１方向または２方向における半導体ドット４４の配列周期をずらせることにより、１方向または２方向にのみレーザ光を出射させることができる。
【００８４】
また、図１０および図１１の例では、半導体ドット４４を含む酸化シリコン膜４２ａ，４２ｂ，４２ｃを上下方向に３層に積層しているが、積層の数はこれに限定されない。上下方向においても発光の位相を十分に揃えるためには、上下方向の積層の数を５〜１０以上にすることが好ましい。
【００８５】
半導体ドット４４を含む酸化シリコン膜４２ａを１層のみ設けた場合には、その酸化シリコン膜４２ａの表面に平行な方向にレーザ光が出射される。
【００８６】
上記のように、第１、第２、第３および第４の実施例の半導体レーザ素子では、Ｓｉ系の間接遷移型半導体材料を用いることによりレーザ発振が可能となる。したがって、半導体レーザ素子をＳｉからなる集積回路に集積化することができる。また、周期構造による発光体内での選択則を用いることにより特定の波長での光の誘起・反射が行われているので、発光効率が向上し、また、反射鏡が不要となる。したがって、半導体レーザ素子の設計の自由度が増すとともに、反射面の劣化による素子特性の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の一例を示す模式的縦断面図、模式的横断面図および半導体ドットの模式的断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図８】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】本発明の第３の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【符号の説明】
１，２１，３１，４１ Ｓｉ基板
２ａ，２ｂ，２ｃ 酸化シリコン層
３ａ，３ｂ，３ｃ Ｇｅ過飽和層
４ Ｇｅドット
４ｂ，４ｃ 透明電極層
５，６，２８，２９，３８，３９，４８，４９ 電極
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ酸化シリコン膜
２３，３３ 孔
２４，３４ Ｓｉ−Ｃ−Ｇｅドット
４４ 半導体ドット
Claims (3)
- 量子サイズを有する複数の半導体ドットがフォトニック結晶を構成するように半導体または絶縁体からなる複数の媒体層中に周期的に形成され、前記複数の媒体層は半導体または導体からなる電極層を介して積層され、
前記積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で前記複数の半導体ドットが前記媒体層中での発光波長に等しい周期で前記複数の媒体層中に配列されかつ前記複数の媒体層が前記媒体層中での発光波長に等しい周期で積層され、前記積層された複数の媒体層の中央部の領域での前記半導体ドットの配列周期および前記媒体層の積層周期が周囲の領域での前記半導体ドットの配列周期および前記媒体層の積層周期と異なることを特徴とする半導体発光素子。 - 各半導体ドットは複数の微粒子の集合体であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 半導体または導体からなる電極基板上に半導体または絶縁体からなる媒体層を形成し、前記媒体層中に量子サイズを有する複数の半導体ドットをフォトニック結晶が構成されるように周期的に形成し、前記媒体層上に半導体または導体からなる電極層を形成し、
前記媒体層の形成、前記複数の半導体ドットの形成および前記電極層の形成を交互に繰り返し行うことにより、前記複数の媒体層を前記電極層を介して積層し、
前記積層された複数の媒体層の中央部の領域を除く周囲の領域で前記複数の半導体ドットを前記媒体層中での発光波長に等しい周期で前記複数の媒体層に配列しかつ前記複数の媒体層を前記媒体層中での発光波長に等しい周期で積層し、前記積層された複数の媒体層の中央部の領域での前記半導体ドットの配列周期および前記媒体層の積層周期を周囲の領域での前記半導体ドットの配列周期および前記媒体層の積層周期と異ならせることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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