JP5643553B2 - Nitride semiconductor microstructure manufacturing method, surface emitting laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体の微細構造の製造方法、二次元フォトニック結晶による面発光レーザとその製造方法に関する。
特に、窒化物半導体内部に微細な構造を形成する製造方法に関するものであって、フォトニック結晶を用いた発光素子などの製造方法に利用される技術に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor, a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal, and a method for manufacturing the same.
In particular, the present invention relates to a manufacturing method for forming a fine structure inside a nitride semiconductor, and relates to a technique used for a manufacturing method of a light emitting element using a photonic crystal.
面発光レーザにおいて、反射鏡に二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが知られている。
特に、近紫外から緑領域で発光可能な窒化物半導体を利用した面発光レーザでは、一般的に用いられる分布ブラッグ反射鏡の作製が困難なことから、二次元フォトニック結晶を利用した面発光レーザが盛んに研究されている。
フォトニック結晶は、光の波長以下の周期で屈折率が変調した微細構造である。中でも、可視域で機能するフォトニック結晶は、大きさが数十〜百数十nmオーダーの複数の微細空孔で構成される。
そのフォトニック結晶が、半導体内部に埋め込まれた構造である場合、高度な製造技術が必要となる。
その一方で、埋め込まれたフォトニック結晶を挟持している半導体層に、他の半導体層や電極を積層することが可能となるため、積層方向に電流注入が可能なフォトニック結晶光デバイスが実現できるという利点がある。
As a surface emitting laser, a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal as a reflecting mirror is known.
In particular, surface-emitting lasers using two-dimensional photonic crystals are difficult because it is difficult to fabricate distributed Bragg reflectors that are commonly used in surface-emitting lasers that use nitride semiconductors that can emit light in the near ultraviolet to green region. Has been actively studied.
A photonic crystal is a fine structure whose refractive index is modulated with a period equal to or shorter than the wavelength of light. Among these, a photonic crystal that functions in the visible range is composed of a plurality of fine holes having a size of several tens to hundreds of tens of nanometers.
When the photonic crystal has a structure embedded in a semiconductor, advanced manufacturing technology is required.
On the other hand, since it is possible to stack other semiconductor layers and electrodes on the semiconductor layer sandwiching the embedded photonic crystal, a photonic crystal optical device capable of current injection in the stacking direction is realized. There is an advantage that you can.
特許文献1には、マストランスポート現象を利用し、窒化物半導体内部に微細空孔を形成する技術が開示されており、また窒化物半導体のフォトニック結晶による面発光レーザの作製法が開示されている。
その具体的な手法は以下のとおりである。
まず、EBリソグラフィとドライエッチングにより、窒化物半導体の表面に孔を形成する。
ドライエッチングの際には、SiO2ハードマスクを使用している。
次に、前記孔を形成した後、前記ハードマスクを除去し、窒素を含む雰囲気下において1000℃で熱処理する。
その結果、表面原子のマストランスポートが生じ、最終的に、前記孔の上部が塞がり空孔が形成される。
そして、フォトニック結晶の上に、活性層を含むレーザ構造をエピタキシャル成長させ、窒化物半導体の面発光レーザを作製している。
また、窒化ガリウム(GaN)と、GaNに比べてマストランスポート現象が生じ難い窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)との多層膜を用いる。
特許文献1では、これらにより孔の形成される深さ方向の位置精度を向上させる手法が採られている。
The specific method is as follows.
First, holes are formed in the surface of the nitride semiconductor by EB lithography and dry etching.
In dry etching, a SiO 2 hard mask is used.
Next, after forming the holes, the hard mask is removed and heat treatment is performed at 1000 ° C. in an atmosphere containing nitrogen.
As a result, mass transport of surface atoms occurs, and finally, the upper part of the hole is closed and a hole is formed.
A laser structure including an active layer is epitaxially grown on the photonic crystal to produce a nitride semiconductor surface emitting laser.
Further, a multilayer film of gallium nitride (GaN) and aluminum gallium nitride (AlGaN), which is less likely to cause a mass transport phenomenon than GaN, is used.
In
フォトニック結晶の光学特性は、孔のサイズと形状に依存する。
設計通りの特性をもつフォトニック結晶デバイスを得るには、精度良く孔のサイズと形状を制御する必要がある。
すなわち、製造工程のなかで、孔のサイズが大きく変動するようでは、良好な光学特性をもつフォトニック結晶を得ることは難しい。
半導体表面に孔を形成するエッチング工程での半導体エッチング技術は確立されたものであり、この製造工程においては孔のサイズや面内のばらつきは精度良く制御することができる。
The optical properties of photonic crystals depend on the size and shape of the holes.
To obtain a photonic crystal device with designed characteristics, it is necessary to control the size and shape of the holes with high accuracy.
That is, it is difficult to obtain a photonic crystal having good optical characteristics if the size of the hole varies greatly during the manufacturing process.
Semiconductor etching technology in the etching process for forming holes in the semiconductor surface has been established, and in this manufacturing process, the size of holes and in-plane variations can be accurately controlled.
しかしながら、特許文献1に開示されている手法では、半導体表面に孔を形成するエッチング工程に続く熱処理工程後において、孔のサイズが熱処理工程前の孔のサイズよりも大きくなるという課題を有している。
However, the technique disclosed in
本発明は、上記課題に鑑み、半導体のエッチング工程で精密に制御して形成した孔のサイズを、熱処理工程を施した後においても大きく変動させることなく、 半導体の内部に空孔を含む微細構造の形成が可能となる窒化物半導体の微細構造の製造方法、二次元フォトニック結晶による面発光レーザとその製造方法の提供を目的としている。 In view of the above problems, the present invention provides a fine structure including pores inside a semiconductor without greatly changing the size of the holes formed by precisely controlling the semiconductor etching process even after the heat treatment process. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor that can be formed, a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal, and a method for manufacturing the same.
本発明の窒化物半導体の微細構造の製造方法は、窒化物半導体の微細構造の製造方法であって、
Alを除くIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層の主面の上に、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層が形成され、
該第2の半導体層を貫通してなる、該第1の半導体層に形成された細孔を有する半導体構造を用意する第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記半導体構造を窒素元素を含む雰囲気下で熱処理し、前記第1の半導体層に形成された細孔の側壁の少なくとも一部に、該第1の半導体層における前記Alを除くIII族窒化物半導体の結晶面を形成する第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記第2の半導体層の上にIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層を形成し、前記細孔の上部を塞ぐ第3の工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の二次元フォトニック結晶による面発光レーザの製造方法は、上記した窒化物半導体の微細構造の製造方法によるフォトニック結晶を用いて製造されたことを特徴とする。
また、本発明の二次元フォトニック結晶による面発光レーザは、活性層と、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成されたフォトニック結晶と、を備えた二次元フォトニック結晶による面発光レーザであって、
前記半導体層は、Alを除くIII族窒化物半導体からなる高屈折率の半導体層と、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる低屈折率の半導体層で構成され、該高屈折率の半導体層が前記活性層に近い側に配されており、
前記空孔の側壁の少なくとも一部に、前記高屈折率の半導体層の結晶面が形成されていることを特徴とする。
The nitride semiconductor microstructure manufacturing method of the present invention is a nitride semiconductor microstructure manufacturing method,
On the main surface of the first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor excluding Al, a second semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing at least Al is formed,
A first step of preparing a semiconductor structure having pores formed in the first semiconductor layer, the first semiconductor layer penetrating the second semiconductor layer;
After the first step, the semiconductor structure is heat-treated in an atmosphere containing a nitrogen element, and at least part of the sidewalls of the pores formed in the first semiconductor layer, the first semiconductor layer includes the first semiconductor layer. A second step of forming a group III nitride semiconductor crystal plane excluding Al;
After the second step, a third step of forming a third semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor on the second semiconductor layer and closing the upper part of the pores;
It is characterized by having.
In addition, the method of manufacturing a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal according to the present invention is characterized by being manufactured using a photonic crystal by the above-described nitride semiconductor microstructure manufacturing method.
The surface-emitting laser using the two-dimensional photonic crystal according to the present invention includes an active layer, and a photonic crystal formed by arranging a medium having different refractive indexes of a semiconductor layer and a hole in a two-dimensional cycle. A surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal,
The semiconductor layer is composed of a high refractive index semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor excluding Al and a low refractive index semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing at least Al, and the high refractive index semiconductor The layer is arranged on the side close to the active layer,
The crystal plane of the high refractive index semiconductor layer is formed on at least a part of the side wall of the hole.
本発明によれば、半導体のエッチング工程で精密に制御して形成した孔のサイズを、熱処理工程を施した後においても大きく変動させることなく、
半導体の内部に空孔を含む微細構造の形成が可能となる窒化物半導体の微細構造の製造方法、二次元フォトニック結晶による面発光レーザとその製造方法を実現することができる。
According to the present invention, the size of the hole formed by precisely controlling the semiconductor etching process is not greatly changed even after the heat treatment process,
It is possible to realize a nitride semiconductor microstructure manufacturing method, a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal, and a manufacturing method thereof, which enables formation of a microstructure including vacancies inside the semiconductor.
つぎに、本発明の実施形態における窒化物半導体の微細構造の製造方法について説明する。
[実施形態1]
図1を用いて、本発明を適用した実施形態1における窒化物半導体の微細構造の製造方法を説明する。
(第1の工程)
まず、細孔を有する半導体構造を用意する工程である第1の工程について説明する。
図1(a)に示すように、基板101上に、Alを除くIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層102を積層する。
続いて、第1の半導体層102の主面103に、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層104を積層する。
基板101は、例えば、六方晶であり、より具体的には、GaN、サファイア、SiCのいずれかであることが好ましい。
また、第1の半導体層102は、例えば、GaN、GaInN、InNのいずれかの窒化物半導体である。
また、第2の半導体層104は、例えば、AlN、AlInN、AlGaInN、AlGaNのいずれかの窒化物半導体である。
なお、本実施形態においては、基板101はGaN基板、第1の半導体層102はGaN、第2の半導体層104はAlGaNで形成される。
第1の半導体層102および第2の半導体層104は、例えば有機金属気層成長(MOVPE)法によって成長される。なお、本実施形態においては、第1の半導体層102の主面103は(0001)面である。
Next, a method for manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor in an embodiment of the present invention will be described.
[Embodiment 1]
A method for manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor according to
(First step)
First, the first step, which is a step of preparing a semiconductor structure having pores, will be described.
As shown in FIG. 1A, a
Subsequently, a
The
The
Further, the
In the present embodiment, the
The
つぎに、細孔を形成するためのエッチングマスクの形成工程について説明する。
図1(b)は、図1(a)の工程に続いて、第2の半導体層104の主面105に細孔107を形成するためのエッチングマスク106を形成する工程を説明する図である。
以下、図1(b)の工程を順に説明する。
第2の半導体層104の主面105に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によってエッチングマスク106の材料を成膜する。
エッチングマスク106の材料は、例えば、加工が容易な、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンのいずれかであることが好ましい。
なお、本実施形態において、エッチングマスク106の材料としては、酸化シリコンが用いられる。
また、エッチングマスクの成膜手法は、スパッタや電子ビーム蒸着であっても良い。
続いて、エッチングマスク106に、開口部108を形成する。開口部108の形成は、フォトリソグラフィとエッチングを用いる。
なお、リソグラフィは、電子ビームリソグラフィ、または、ナノインプリントリソグラフィであっても良い。
開口部108のエッチングは、ウェットエッチング、またはドライエッチングのどちらでも良いが、開口部108のサイズ制御性を良くするためには、ICP(Inductively Coupled Plasma)によるドライエッチングが好ましい。
なお、本実施形態における開口部108は、直径1μmの円形である。
Next, a process for forming an etching mask for forming the pores will be described.
FIG. 1B is a diagram illustrating a process of forming an etching mask 106 for forming the
Hereinafter, the process of FIG.1 (b) is demonstrated in order.
The material of the etching mask 106 is formed on the main surface 105 of the
The material of the etching mask 106 is preferably, for example, any one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride that can be easily processed.
In this embodiment, silicon oxide is used as a material for the etching mask 106.
Further, the film formation method of the etching mask may be sputtering or electron beam evaporation.
Subsequently, an opening 108 is formed in the etching mask 106. The opening 108 is formed using photolithography and etching.
The lithography may be electron beam lithography or nanoimprint lithography.
The etching of the opening 108 may be either wet etching or dry etching, but in order to improve the size controllability of the opening 108, dry etching by ICP (Inductively Coupled Plasma) is preferable.
Note that the opening 108 in the present embodiment is a circle having a diameter of 1 μm.
つぎに、細孔の形成工程について説明する。
図1(c)は、図1(b)の工程に続いて、第2の半導体層104を貫通して、第1の半導体層102をエッチングし、細孔107を形成する工程を説明する図である。
細孔107を形成する工程は、ウェットエッチング、または、ドライエッチングのどちらでも良いが、細孔107のサイズの制御性を良くするためには、ICPによるドライエッチングであることが好ましい。
細孔107を形成するためのドライエッチング工程に使用するプラズマ組成は、例えば、Cl、Br、Iのいずれかの元素を含む。
より具体的には、Cl2、BCl3、HBr、HI、HClのいずれかのガスと、He、Ar、Xe、N2のいずれかのガスとの混合ガスプラズマであることが好ましい。
細孔107を形成する工程の後、エッチングマスク106を除去する。
図1(a)から図1(c)までの工程により、第1の半導体層102の主面103の上に、第2の半導体層104が設けられ、第2の半導体層104を貫通してなる、第1の半導体層102に形成された細孔107を有する半導体構造100が用意できる。
なお、本実施形態における細孔107は、上部が直径1μmの円形であり、深さは2.5μmに形成される。
Next, the pore forming process will be described.
FIG. 1C illustrates a process of forming the
The step of forming the
The plasma composition used in the dry etching process for forming the
More specifically, it is preferably a mixed gas plasma of any gas of Cl 2 , BCl 3 , HBr, HI, and HCl and any gas of He, Ar, Xe, and N 2 .
After the step of forming the
Through the steps from FIG. 1A to FIG. 1C, the
Note that the
(第2の工程)
つぎに、図1(d)に示した熱処理工程である第2の工程について説明する。図1(d)は、図1(c)の工程に続いて、半導体構造100を、V族である窒素元素を含む雰囲気下で熱処理する第2の工程を説明する図である。
図1(d)の工程では、細孔107の第1の半導体層102の領域の側壁109にマストランスポートを生じさせ、側壁109の少なくとも一部に、第1の半導体層102を構成する窒化物半導体の結晶面110を形成する。
なお、マストランスポートとは、熱エネルギーによって原子が表面から脱離し、輸送された後、表面エネルギーが小さくなる位置で再吸着する現象である。半導体の組成を保ちつつ、表面形状を変化させることや、結晶面を形成させることが可能である。
(Second step)
Next, the second process, which is the heat treatment process shown in FIG. FIG. 1D is a diagram for explaining a second step of heat-treating the
In the step of FIG. 1D, mass transport is generated on the side wall 109 in the region of the
Note that mass transport is a phenomenon in which atoms are desorbed from a surface by thermal energy and then re-adsorbed at a position where the surface energy becomes small after being transported. While maintaining the composition of the semiconductor, the surface shape can be changed and the crystal plane can be formed.
つぎに、熱処理工程である第2の工程の雰囲気について説明する。
第2の工程は、V族である窒素元素を雰囲気下で行われ、例えば、N2、またはNH3を含む雰囲気下で行われる。
V族雰囲気下で熱処理を行う理由は、III族元素よりもV族元素の方が脱離しやすいためであり、V族元素を供給した雰囲気下で熱処理することで、第1の半導体層102からのV族元素の減少を防いでいる。
Next, the atmosphere of the second process, which is a heat treatment process, will be described.
The second step is performed in an atmosphere containing a nitrogen element that is a group V, for example, in an atmosphere containing N 2 or NH 3 .
The reason for performing the heat treatment in the group V atmosphere is that the group V element is more easily desorbed than the group III element. By performing the heat treatment in the atmosphere in which the group V element is supplied, the
つぎに、第2の工程による結晶面形成について説明する。
本実施形態では、第1の半導体層102の主面103が(0001)面であるため、第2の工程後の側壁109には、つぎの(1−10n(但し、nは0から4までの整数))面のいずれかの面が形成される。
すなわち、第2の工程後の側壁109には、主面103に対して垂直な(1−100)面、と等価な結晶面110が形成される。
または、約62度傾斜した(1−101)面、約43度傾斜した(1−102)面、約32度傾斜した(1−103)面、約25度傾斜した(1−104)面、と等価ないずれかの結晶面110が形成される。
なお、第1の半導体層102の主面103が(1−100)面であるとき、側壁109には(0001)面、と等価な結晶面110が形成される。
または、つぎの(1−10n(但し、nは1から4までの整数))面のいずれかの面が形成される。
すなわち、(1−101)面、(1−102)面、(1−103)面、(1−104)面、と等価ないずれかの結晶面110が形成される。
また、第2の工程において、結晶面110が形成されることは、細孔107表面の結晶性を改善する働きがあるということである。
例えば、ドライエッチングによって細孔107を形成した際、プラズマ中のイオン衝撃により細孔107の表面には、原子レベルの欠陥が多数生成される。
しかし、マストランスポートによって結晶面110が形成される際、それら欠陥が修復されるように原子が再配列され、その結果、熱処理を行う前よりも、結晶性の良い表面が得られる。
また、第2の工程のマストランスポートによって、主面103に対して垂直な結晶面110が形成されるのであれば、ドライエッチングによって形成した細孔107の整形にも利用できる。
すなわち、ドライエッチングの際は、プラズマのイオン引き込み電圧を下げて、側壁109の垂直性を犠牲にし、イオン衝撃による欠陥生成を抑制させる。
その次に、第2の工程により、側壁109の垂直性をだし、同時に、表面の欠陥修復を行うことで、細孔107の垂直性と側壁109の結晶性を、ドライエッチング直後の状態よりも良い状態にできる。
Next, crystal plane formation by the second step will be described.
In this embodiment, since the
That is, a
Or a (1-101) plane inclined about 62 degrees, a (1-102) plane inclined about 43 degrees, a (1-103) plane inclined about 32 degrees, a (1-104) plane inclined about 25 degrees, Any
Note that when the
Alternatively, any one of the following (1-10n (where n is an integer from 1 to 4)) surfaces is formed.
That is, any
In the second step, the formation of the
For example, when the
However, when the
Further, if the
That is, during dry etching, the plasma ion attraction voltage is lowered to sacrifice the verticality of the side wall 109 and suppress the generation of defects due to ion bombardment.
Next, in the second step, the verticality of the side wall 109 is obtained, and at the same time, defect repair of the surface is performed, so that the verticality of the
つぎに、第2の工程における少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層の機能について説明する。
図1(d)に示した第2の工程においては、細孔107以外の第1の半導体層102の主面103が、第2の半導体層104で覆われている。
ここで、特許文献1に開示されているように、AlGaNはGaNに比べマストランスポート現象が生じ難い。
このため、第2の半導体層104は、第1の半導体層102の過剰なマストランスポートによって生じる細孔107の大きなサイズ変動を抑制する。
すなわち、細孔107以外の第1の半導体層102の主面103を第2の半導体層104で覆わなければ、第1の半導体層102表面で脱離した原子が、細孔107の内部に入り込んだ後、側壁109に吸着する。その結果、細孔107の孔径または深さが小さくなる。
本実施形態においては、開口部108の直径1μmに対して、第2の工程後の細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)は、ほぼ変わらず約1μmであった。
Next, the function of the second semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing at least Al in the second step will be described.
In the second step shown in FIG. 1D, the
Here, as disclosed in
For this reason, the
That is, if the
In this embodiment, with respect to the diameter of the opening 108 of 1 μm, the hole diameter of the
(第3の工程)
つぎに、細孔の上部を塞ぐ第3の工程について説明する。
図1(e)は、図1(d)の工程に続いて、細孔107の上部を塞ぐ第3の工程を説明する図である。
第2の工程に続いて、細孔107の上部を塞ぐように、第2の半導体層104上に、III族窒化物半導体からなる第3の半導体層111を結晶成長により形成する。
第3の半導体層111は、例えば、GaN、GaInN、InN、AlN、AlGaN、AlInN、AlGaInNのいずれかの窒化物半導体で形成される。なお、本実施形態においては、第3の半導体層111はGaNで形成される。
(Third step)
Next, the third step of closing the upper portion of the pore will be described.
FIG. 1E is a diagram for explaining a third step of closing the upper portion of the
Following the second step, a third semiconductor layer 111 made of a group III nitride semiconductor is formed on the
The third semiconductor layer 111 is formed of, for example, a nitride semiconductor of GaN, GaInN, InN, AlN, AlGaN, AlInN, or AlGaInN. In the present embodiment, the third semiconductor layer 111 is made of GaN.
つぎに、第3の工程における第2の工程で形成した結晶面の効果について説明する。
この第3の工程では、第2の工程において、側壁109に形成した結晶面110が効果的に機能する。
すなわち、側壁109には、結晶面110が形成されているため、結晶成長速度を制御することが可能である。
例えば、側壁109に形成された結晶面110が(1−100)面である状態で、第3の工程において(0001)面や(1−101)面よりも(1−100)面の成長速度が遅い条件で結晶成長した場合、つぎのように細孔を塞ぐことができる。
すなわち、細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)を大きく変動させることなく、細孔107の上部を第3の半導体層111で塞ぐことが可能である。
また、例えば、側壁109に形成された結晶面110が(1−101)面である状態で、第3の工程において(0001)面や(1−100)面よりも(1−101)面の成長が遅い条件で結晶成長した場合においても、つぎのように細孔を塞ぐことができる。
すなわち、細孔107の深さを大きく変動させることなく、細孔107の上部を第3の半導体層111で塞ぐことが可能である。
なお、本実施形態においては、細孔107上部の直径は1μmであるが、細孔107の上部を塞ぐには、細孔107の深さがアスペクト比2以上となるような深さであることが好ましい。
また、細孔107上部の直径が1μm以下の場合、たとえば、300nm以下であれば、細孔107の深さはアスペクト比が2以下でも、細孔107の上部を塞ぐことが可能である。
また、第3の工程前後で細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)の変動量を小さくするには、第3の工程前の細孔107上部の直径が150nm以下であることが好ましい。
成長速度の制御は、主に雰囲気の温度パラメータを最適化することで行い、特に、本実施形態では、第1の半導体層102と第3の半導体層111が同じ組成であるため、温度最適化は任意にできる。
図1(a)から(e)の工程を順に経ることにより、サイズを精密に制御した空孔120を窒化物半導体内部に形成することが可能である。
Next, the effect of the crystal plane formed in the second step in the third step will be described.
In the third step, the
That is, since the
For example, in a state where the
That is, the upper portion of the
Further, for example, in a state where the
That is, the upper portion of the
In the present embodiment, the diameter of the upper portion of the
Further, when the diameter of the upper portion of the
In order to reduce the fluctuation amount of the pore diameter (interval between the side wall surfaces facing each other) of the
The growth rate is controlled mainly by optimizing the temperature parameter of the atmosphere. In particular, since the
By sequentially performing the steps of FIG. 1A to FIG. 1E, it is possible to form the pores 120 whose size is precisely controlled inside the nitride semiconductor.
ここで、特許文献1と比較して、細孔の上部を塞いで空孔を形成するプロセスが異なる。
特許文献1では、1回の熱処理工程のみで、AlGaN層の下部に形成されたGaN層のマストランスポートを大きく促進させ、該GaN層から該AlGaN層へ物質移動を生じさせることで、細孔の上部を塞いで空孔を形成する。
すなわち、前記GaN層の前記細孔の側壁を形成するGaNが、前記AlGaN層へ大量に物質移動するため、空孔のサイズが大きくなる。
これに対して、本実施の形態では、マストランスポートは、第2の工程において、細孔の側壁の少なくとも一部に結晶面を形成するために利用され、細孔の上部を塞いで空孔を形成する工程は、第3の工程における第3の半導体層の結晶成長によって行われる。
これにより、特許文献1では、多大なマストランスポートによって空孔のサイズが大幅に大きくなるのに対して、本実施の形態では、細孔の側壁面の少なくとも一部に結晶面を形成するためだけにマストランスポートを利用するため、サイズの大幅な変化は生じない。
すなわち、特許文献1と比較して、本実施の形態では、エッチングによって形成した細孔のサイズをほぼ維持したまま、半導体層の内部に空孔を形成することが可能となる。
Here, as compared with
In
That is, since GaN forming the side walls of the pores of the GaN layer is mass transferred to the AlGaN layer, the size of the pores is increased.
On the other hand, in the present embodiment, the mass transport is used in the second step to form a crystal plane on at least a part of the side wall of the pore, and closes the top of the pore to provide a void. The step of forming is performed by crystal growth of the third semiconductor layer in the third step.
Thus, in
That is, compared with
つぎに、第2の工程後の細孔の概形について説明する。
第1の半導体層102の主面103が(0001)面であるとき、第2の工程後に形成される細孔107は、つぎの面と等価ないずれかの結晶面110を含む多面体である。
すなわち、(1−100)面、(1−101)面、(1−102)面、(1−103)面、(1−104)面と等価ないずれかの結晶面110を含む多面体である。
例えば、図2は第2の工程後に形成された細孔107の一例を説明する図である。
図2(a)では、細孔107は、(1−100)面と等価な6つの結晶面110で構成される六角柱201の下端部を、(1−101)面と等価な6つの結晶面110を含む六角錘202が接続された構造を有する。
なお、細孔107の深さが浅い場合は、六角柱201が存在せず、六角錘202が直接接続する構造を有する。
また、細孔107を構成する各頂点は、必ずしも鋭角的ではなく、角がとれて丸まっていることもある。
また、第2の工程の温度や雰囲気を調整することで、六角錘202が、(1−102)面、(1−103)面、(1−104)面と等価ないずれかの結晶面110を含むような多面体にすることも可能である。
例えば、第2の工程後の条件によっては、図2(b)に示した形の細孔107が形成される。図2(b)では、六角柱201の下側(基板側)には、(1−103)面と等価な6つの結晶面を含む六角錘202が形成される。
Next, the outline of the pores after the second step will be described.
When the
That is, it is a polyhedron including any
For example, FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the
In FIG. 2 (a), the
When the depth of the
In addition, each vertex constituting the
Further, by adjusting the temperature and atmosphere in the second step, the
For example, depending on the conditions after the second step, the
[実施形態2]
実施形態2では、実施形態1の工程を利用して、上記した細孔が複数配列されて構成されるフォトニック結晶の製造工程の例を説明する。
本実施形態では、第1の半導体層102はGaNであり、第2の半導体層104はAlGaNであり、細孔107の上部を塞ぐ第3の半導体層111はGaNである。
また、第1の半導体層102の主面103は、(0001)面である。
なお、第1の半導体層102は、GaInN、InNのいずれかであっても良く、第3の半導体層111は、AlN、AlGaN、GaInN、InN、AlInN、AlGaInNのいずれかであっても良い。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, an example of a manufacturing process of a photonic crystal configured by arranging a plurality of the above-described pores using the process of the first embodiment will be described.
In the present embodiment, the
The
Note that the
つぎに、エッチングマスクの形成工程について説明する。
フォトニック結晶の形成には、図3(a)に示すように、エッチングマスク106の開口部108をパターニングする工程において、複数個の開口部108を周期的に形成する。
本実施形態では、直径120nmの円形の開口部108が、エッチングマスク106面内に、周期300nmで正方格子状にパターニングされている。
次に、細孔の形成工程を行う。
ここでは、図3(a)の工程に続いて、図3(b)に示すように、フォトニック結晶の格子点となる複数個の細孔107を、ドライエッチングにより、第2の半導体層104を貫通して、第1の半導体層102に形成する。
続いて、エッチングマスク106を除去する。
Next, an etching mask forming process will be described.
As shown in FIG. 3A, the photonic crystal is formed by periodically forming a plurality of openings 108 in the step of patterning the openings 108 of the etching mask 106.
In this embodiment, circular openings 108 having a diameter of 120 nm are patterned in a square lattice pattern with a period of 300 nm in the surface of the etching mask 106.
Next, a pore forming step is performed.
Here, following the step of FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, the plurality of
Subsequently, the etching mask 106 is removed.
次に、第2の工程を行う。
すなわち、図3(c)に示すように、第2の半導体層104をマストランスポート抑制用のマスクとして、熱処理の第2の工程を施す。
その結果、細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)または孔深さを熱処理前後で大きく変化させることなく、
マストランスポートによって、フォトニック結晶を形成する細孔107の側壁109に、第1の半導体層102の主面103(0001)面に対して垂直な(1−100)面が形成される。
次に、図3(d)に示すように、第3の工程を行う。
すなわち、細孔107の上部を塞ぐように、第2の半導体層104上に、第3の半導体層111を結晶成長により形成する。
その結果、エッチングで形成した細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)または孔深さを大きく変化させることなく、第1の半導体層102と第2の半導体層104の内部に、空孔120を形成することが可能である。
本実施形態では、第3の工程後の孔径(対向する側壁面の間隔)は、約105nmであった。孔のサイズの変動が15nmに抑えられているのは、第2の工程にて結晶面110を形成している効果である。
特に、フォトニック結晶の場合、細孔107(空孔120)のサイズは、回折効率の大きさを決定する重要なパラメータであり、細孔107のサイズを製造工程中に大きく変動させないことは、設計通りのフォトニック結晶を精度良く製造することの必要条件である。
Next, the second step is performed.
That is, as shown in FIG. 3C, the second step of heat treatment is performed using the
As a result, without greatly changing the hole diameter (interval of the opposite side wall surface) or hole depth of the
By mass transport, a (1-100) plane perpendicular to the main surface 103 (0001) plane of the
Next, as shown in FIG. 3D, a third step is performed.
That is, the third semiconductor layer 111 is formed by crystal growth on the
As a result, holes are not formed inside the
In this embodiment, the hole diameter after the third step (the distance between the opposing side wall surfaces) was about 105 nm. The fluctuation of the hole size is suppressed to 15 nm because of the effect of forming the
In particular, in the case of a photonic crystal, the size of the pores 107 (holes 120) is an important parameter for determining the magnitude of diffraction efficiency, and the size of the
ここで、本実施形態の工程を利用して二次元フォトニック結晶による面発光レーザの製造方法により面発光レーザを作製した場合について、本実施形態が該面発光レーザの光学特性に及ぼす影響について説明する。
本実施形態の工程を利用して、二次元フォトニック結晶による面発光レーザを作製した場合、該二次元フォトニック結晶は、半導体層と空孔とによる屈折率の異なる媒質を二次元周期で配列して構成される。
ここで、前記半導体層は、Alを除くIII族窒化物半導体からなる高屈折率の半導体と、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる低屈折率の半導体との積層構造からなる。
また、活性層の上に、前記二次元フォトニック結晶を形成する場合は、該活性層から遠い側に、マストランスポート抑制用のマスクとして機能するAlを含むIII族窒化物半導体からなる低屈折率の半導体が形成される。
Here, in the case where a surface emitting laser is manufactured by a method of manufacturing a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal using the process of this embodiment, the influence of this embodiment on the optical characteristics of the surface emitting laser will be described. To do.
When a surface emitting laser using a two-dimensional photonic crystal is manufactured by using the process of this embodiment, the two-dimensional photonic crystal is arranged in a two-dimensional cycle with media having different refractive indexes due to semiconductor layers and holes. Configured.
Here, the semiconductor layer has a laminated structure of a high refractive index semiconductor made of a group III nitride semiconductor excluding Al and a low refractive index semiconductor made of a group III nitride semiconductor containing at least Al.
Further, when the two-dimensional photonic crystal is formed on the active layer, the low refraction made of a group III nitride semiconductor containing Al that functions as a mask for suppressing mass transport on the side far from the active layer. Rate semiconductors are formed.
図4(a)に、本実施形態を適用した二次元フォトニック結晶による面発光レーザにおける、p電極の光吸収係数αと活性層の光閉じ込め係数Γについての計算に用いた構造の模式図を示す。
図4(a)に示す構造をもとにし、本実施形態が該面発光レーザの光学特性に及ぼす影響を確認するため、面発光レーザ400における電極407の光吸収係数αおよび活性層403への光閉じ込め係数Γについて計算を行った。
この計算では、下部光ガイド層402の厚さを100nm、活性層403の厚さを22.5nmとした。
また、実施形態1の第1の半導体層に対応する二次元フォトニック結晶408の一部を含む上部光ガイド層404および第2の半導体層に対応するマストランスポート抑制用のマスクとして機能する半導体層405の合計した厚さを300nmとした。
また、空孔409の上部に位置する第3の半導体層に対応する上部光ガイド層406の厚さを100nm、p型電極407の厚さを50nm、下部クラッド層401の厚さを無限大とした。
なお、活性層403から二次元フォトニック結晶408を形成する空孔409の底までの距離を100nmとした。
また、下部クラッド層401およびマストランスポート抑制用のマスクとして機能する第2の半導体層405の屈折率をAl組成が10%のAlGaNの屈折率に対応する2.48として計算を行った。
また、下部光ガイド層402と二次元フォトニック結晶408の一部を含む上部光ガイド層404と二次元フォトニック結晶408を形成する空孔の上部に位置する上部光ガイド層406の屈折率をGaNの屈折率に対応する2.55として計算を行った。
また、活性層403の屈折率を2.62とし、厚さ50nmのp型電極407は、下部10nmの屈折率を1.61、上部40nmの屈折率を1.66として計算を行った。
また、正方格子で構成される二次元フォトニック結晶408の格子定数を160nm、該次元フォトニック結晶408を形成する円柱空孔の直径を64nm、該円柱空孔の深さを200nmとして計算を行った。
また、発光波長は400nmとして計算を行った。
FIG. 4A is a schematic diagram of the structure used for the calculation of the light absorption coefficient α of the p electrode and the light confinement coefficient Γ of the active layer in the surface emitting laser using the two-dimensional photonic crystal to which the present embodiment is applied. Show.
Based on the structure shown in FIG. 4A, in order to confirm the influence of the present embodiment on the optical characteristics of the surface emitting laser, the light absorption coefficient α of the
In this calculation, the thickness of the lower
In addition, the upper light guide layer 404 including a part of the two-
Further, the thickness of the upper
The distance from the
The calculation was performed assuming that the refractive index of the
In addition, the refractive index of the lower
In addition, the refractive index of the
Also, the calculation is performed assuming that the lattice constant of the two-
The calculation was performed with the emission wavelength set at 400 nm.
図4(b)に、第2の半導体層に対応するマストランスポート抑制用のマスクとして機能する半導体層405の厚さdに対する、p型電極407での光吸収係数αを計算した結果を示す。
dの増加に伴い、αは減少する。
これは、屈折率の低い第2の半導体層405の厚さdが増加することで、二次元フォトニック結晶408の平均屈折率が低下し、電極407への光の導入が抑制されることに起因している。
また、図4(c)は、第2の半導体層に対応するマストランスポート抑制用のマスクとして機能する半導体層405の厚さdに対する、活性層403への光閉じ込め係数Γを計算した結果である。
dが160nmまでは、Γはdの増加に伴い、単調増加となる。
しかし、dが160nmを超えると、Γは単調増加から単調減少に転ずる。
dが160nmまで単調増加となるのは、上記のαのときと同様に、二次元フォトニック結晶408の平均屈折率の低下による二次元フォトニック結晶408より上部への光の拡がりの抑制に起因しており、その分、活性層403への光閉じ込めがより増加する。
一方、dが160nmを越えると、二次元フォトニック結晶408の平均屈折率が下がり過ぎ、光分布のピークが活性層403よりも下側にシフトしてしまい、活性層403への光閉じ込めが減少する。
したがって、第2の半導体層の膜厚は160nm以下であることが好ましい。
以上のように、本実施形態の工程を利用して二次元フォトニック結晶による面発光レーザを作製した場合、p型電極での光吸収の抑制および活性層への光閉じ込めの増加が可能となり、該面発光レーザの光学特性を改善することが可能となる。
FIG. 4B shows the result of calculating the light absorption coefficient α at the p-
As d increases, α decreases.
This is because when the thickness d of the
FIG. 4C shows the result of calculating the optical confinement coefficient Γ in the
Until d is 160 nm, Γ monotonically increases as d increases.
However, when d exceeds 160 nm, Γ turns from monotonic increase to monotonic decrease.
The reason why d increases monotonously up to 160 nm is due to the suppression of the spread of light above the two-
On the other hand, if d exceeds 160 nm, the average refractive index of the two-
Therefore, the thickness of the second semiconductor layer is preferably 160 nm or less.
As described above, when a surface-emitting laser using a two-dimensional photonic crystal is manufactured using the process of this embodiment, it is possible to suppress light absorption at the p-type electrode and increase light confinement in the active layer. The optical characteristics of the surface emitting laser can be improved.
[実施形態3]
実施形態3では、エッチングマスク106の開口部の上面形状のうち少なくとも1辺が、第1の半導体層102の結晶面110と平行となる1辺を有するエッチングマスクを用いて形成する場合について説明する。
本発明における第2の工程は、マストランスポートによって、細孔107の側壁109に第1の半導体層102の結晶面110を形成する。
本実施形態では、第1の半導体層102の主面103が(0001)面であるので、第2の工程において、側壁109には、主面103に対して垂直な(1−100)面が形成される。
すなわち、図5(a)に示すように、第2の工程前は、細孔107の上面形状が円形501であったとしても、第一熱処理工程後は、図5(b)に示すように、その上面形状は六角形502に変形する。
細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)は、円形501から六角形502に変形する際、少なからず変動する。
図5(b)において、点線がもともとの円形501のサイズを示している。
そこで、本実施形態では、熱処理前後の変動量を極力少なくするために、第2の工程前の段階で、細孔107の上面形状が予め六角形であるものを用意する。
[Embodiment 3]
In Embodiment Mode 3, a case where at least one side of the upper surface shape of the opening of the etching mask 106 is formed using an etching mask having one side parallel to the
In the second step of the present invention, the
In this embodiment, since the
That is, as shown in FIG. 5 (a), even if the top surface shape of the
The diameter of the pores 107 (the distance between the opposing side wall surfaces) varies considerably when deformed from the
In FIG. 5B, the dotted line indicates the size of the
Therefore, in the present embodiment, in order to reduce the amount of fluctuation before and after the heat treatment as much as possible, a top surface shape of the
以下、その工程を説明する。
その第2の工程前の細孔107の上面形状は、エッチングマスク106の開口部108の形状が転写される。
そこで、開口部108をパターニングする工程において、その開口部108の上面形状が、第1の半導体層102の結晶面110と平行となる辺で構成されるようパターニングすればよい。
本実施形態では、主面103が(0001)面であるので、(1−100)面と等価な面と平行な辺で構成される正六角形503をパターニングする。
なお、(1−100)面と等価な面と平行な辺とは、[1−100]方向と、[10−10]方向と、[01−10]方向と、[−1100]方向と、[−1010]方向と、[0−110]方向のいずれかと平行な辺である。
The process will be described below.
The shape of the opening 108 of the etching mask 106 is transferred as the shape of the upper surface of the
Therefore, in the step of patterning the opening 108, patterning may be performed so that the shape of the upper surface of the opening 108 is constituted by a side parallel to the
In the present embodiment, since the
The sides parallel to the plane equivalent to the (1-100) plane are the [1-100] direction, the [10-10] direction, the [01-10] direction, the [-1100] direction, It is a side parallel to either the [−1010] direction or the [0−110] direction.
なお、正六角形503を構成する辺が、第1の半導体層102の結晶面110と完全に平行でなくてもよく、±10°のずれは許容される。
また、なお、パターニングする正六角形503の頂点は、第1の半導体層102の結晶軸(a軸)上にあるように形成することが好ましい。
また、正六角形503の各頂点は、必ずしも鋭角的ではない。
このように形成した細孔107は、第2の工程前において、図5(c)に示すように、第1の半導体層102の結晶面110と平行な面で形成された正六角形503である。
第2の工程後においても、図5(d)に示すように、細孔107の上面形状は六角形504となり、形状とサイズがほとんど変化しない。
Note that the sides constituting the
Note that it is preferable that the apex of the
Further, each vertex of the
The
Even after the second step, as shown in FIG. 5D, the shape of the upper surface of the
本実施形態の製造工程は、エッチング工程後の細孔107の孔径(対向する側壁面の間隔)を極力変化させずに、半導体内部へ空孔120を形成できる有効な工程である。
本実施形態では、第1の半導体層102の主面103が(0001)面の場合を示したが、主面103が(1−100)面である場合には、開口部108は、四角形にすればよい。
すなわち、(0001)面と、(10−10)面と等価な面に平行な辺で構成される四角形である。
なお、(0001)面と、(10−10)面と等価な面に平行な辺とは、<0001>方向と<10−10>方向のいずれかと平行な辺である。
The manufacturing process of this embodiment is an effective process that can form the holes 120 inside the semiconductor without changing the hole diameter of the
In the present embodiment, the case where the
That is, it is a quadrangle composed of sides parallel to the (0001) plane and a plane equivalent to the (10-10) plane.
The (0001) plane and the side parallel to the plane equivalent to the (10-10) plane are sides parallel to either the <0001> direction or the <10-10> direction.
[実施形態4]
本実施形態では、第1の工程において、細孔107をエッチングではなく、結晶成長によって形成する場合について説明する。
以下、その工程を説明する。
先ず、第1の半導体層102を、細孔107の底面の高さに相当する膜厚で形成する。
次に、図6(a)に示すように、たとえば酸化シリコンなどよりなる結晶成長抑制用マスク601を、例えば電子ビーム蒸着装置やスパッタリング装置などを用い、上記した第1の半導体層102上に、空孔120の高さを超える膜厚で成膜する。
そして、図6(b)に示すように、成膜後において電子ビーム露光によって結晶成長抑制用マスク601上の細孔107を形成する場所にレジスト602を形成する。
続いて、レジスト602をマスクとして結晶成長抑制用マスク601をドライエッチングする。
その後、レジスト602を除去することで、図6(c)に示すように、細孔107の形状の、柱状の結晶成長抑制用マスク610が形成される。
なお、結晶成長抑制用マスク601のエッチングは、ウェットエッチング、またはドライエッチングのどちらでも良いが、柱状の結晶成長抑制用マスク610のサイズ制御性を良くするためには、ICPによるドライエッチングが好ましい。次に、図6(d)に示すように、柱状の結晶成長抑制用マスク610が形成された第1の半導体層102上に、
柱状の結晶成長抑制用マスク610が設けられていない個所から、空孔120の高さに対応する所定の膜厚で、第1の半導体層102と第2の半導体層104とをこの順番で形成する。
続いて、柱状の結晶成長抑制用マスク610を除去する。
これにより、図6(e)に示すように、第1の半導体層102の主面103の上に、第2の半導体層104が設けられ、第2の半導体層104を貫通してなる、第1の半導体層102に形成された細孔107を有する半導体構造100が用意できる。
[Embodiment 4]
In the present embodiment, a case will be described in which the
The process will be described below.
First, the
Next, as shown in FIG. 6A, a crystal
Then, as shown in FIG. 6B, a resist 602 is formed at a place where the
Subsequently, the crystal
Thereafter, by removing the resist 602, as shown in FIG. 6C, a columnar crystal
The etching of the crystal
The
Subsequently, the columnar crystal
Thereby, as shown in FIG. 6E, the
ここで、酸化シリコンは、GaNと比べ、低パワーでドライエッチングすることができる。
このため、ドライエッチングする層の下に配置されている層へのダメージは、GaNのエッチングに比べ、酸化シリコンのエッチングの方が小さくなる。
したがって、例えば、活性層の上にフォトニック結晶層が形成された面発光レーザにおいて、GaNよりなるエピタキシャル層をドライエッチングして該フォトニック結晶層を形成する場合と比べ、
本実施形態では、低パワーでドライエッチングすることができ、活性層へのダメージが低減可能となる。
このように、本実施形態によれば、GaNと比べ、低パワーでドライエッチングすることができる結晶成長抑制用マスクを用いて結晶成長により空孔を形成することで、空孔を形成する層の下部層に対するドライエッチングによるダメージを低減することが可能となる。
Here, silicon oxide can be dry-etched with lower power than GaN.
For this reason, the damage to the layer disposed under the layer to be dry etched is smaller in the silicon oxide etching than in the GaN etching.
Therefore, for example, in a surface emitting laser in which a photonic crystal layer is formed on an active layer, compared to the case where the photonic crystal layer is formed by dry etching an epitaxial layer made of GaN,
In this embodiment, dry etching can be performed with low power, and damage to the active layer can be reduced.
As described above, according to the present embodiment, by forming a hole by crystal growth using a crystal growth suppression mask that can be dry-etched with low power compared to GaN, a layer for forming a hole is formed. Damage to the lower layer due to dry etching can be reduced.
つぎに、本発明の実施例について説明する。
本実施例においては、本発明を適用して構成した二次元フォトニック結晶を備えた面発光レーザについて、図7を用いて説明する。
(第1の工程)
本実施例における第1の工程について、図7(a)〜図7(c)を用いて説明する。
まず、図7(a)を用いて、本実施例における第1の工程に含まれる窒化物半導体層の結晶成長工程について説明する。
図7(a)に示すように、GaN基板701上に、MOVPE法によって、つぎの各層を以下の順番で成長させる。
すなわち、n型クラッド層702であるn型Al0.09Ga0.91N、n型ガイド層703であるn型GaN、活性層704、p型ガイド層705であるp型GaN、マストランスポート抑制層706であるp型Al0.1Ga0.9Nをこの順番で成長させる。
ここで、p型ガイド層705が、実施形態1に示した第1の半導体層102に相当し、その主面707は(0001)面である。また、マストランスポート抑制層706が、実施形態1に示した第2の半導体層104に相当する。
また、p型Al0.1Ga0.9Nの膜厚は、100nmである。
また、p型GaNの成長温度T1は1100℃、p型Al0.1Ga0.9Nの成長温度T2は1150℃である。
活性層704は、3周期の多重量子井戸構造を形成しており、材料は、井戸層がIn0.09Ga0.91Nで、障壁層がGaNである。
なお、本実施例における第2の半導体層は、上記の膜厚100nmのp型Al0.1Ga0.9Nに特に限定されるものではなく、マストランスポートを抑制するマスクとして機能すれば、他のAl組成や膜厚であってもよい。
ここで、GaNの上にAlGaNを結晶成長した場合、Al組成が高くなると、格子歪みの影響により、結晶の割れ(クラック)が発生し、素子の特性に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。
同様に、AlGaNの膜厚を厚くしていった場合にも、格子歪みの影響により、結晶の割れ(クラック)が発生し、素子の特性に悪影響を及ぼす可能性が高くなる。
また、本実施例におけるp型AlGaNは、p型伝導層としても機能するが、Al組成が高くなると電気伝導特性が悪化する可能性がある。
一方、上述したように、AlGaNはGaNと比較して低屈折率であるため、本実施例において、p型電極での光吸収の抑制および活性層への光閉じ込めの増加が可能となる。
したがって、本実施例におけるp型Al0.1Ga0.9Nの場合には、膜厚は160nm以下であることが好ましい。
Next, examples of the present invention will be described.
In this embodiment, a surface emitting laser including a two-dimensional photonic crystal configured by applying the present invention will be described with reference to FIG.
(First step)
The first step in this embodiment will be described with reference to FIGS. 7 (a) to 7 (c).
First, the nitride semiconductor layer crystal growth step included in the first step of this embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 7A, the following layers are grown on the
That is, the n-
Here, the p-
The film thickness of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N is 100 nm.
The growth temperature T1 of p-type GaN is 1100 ° C., and the growth temperature T2 of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N is 1150 ° C.
The
Note that the second semiconductor layer in this embodiment is not particularly limited to the above-described 100 nm-thickness p-type Al 0.1 Ga 0.9 N. If the second semiconductor layer functions as a mask for suppressing mass transport, other Al layers may be used. It may be a composition or a film thickness.
Here, when AlGaN is crystal-grown on GaN, if the Al composition is increased, crystal cracking (cracks) occurs due to the effect of lattice distortion, which increases the possibility of adversely affecting the device characteristics.
Similarly, when the film thickness of AlGaN is increased, crystal cracking (cracks) occurs due to the effect of lattice distortion, which increases the possibility of adversely affecting the device characteristics.
In addition, the p-type AlGaN in this example also functions as a p-type conductive layer, but if the Al composition becomes high, the electric conduction characteristics may be deteriorated.
On the other hand, as described above, since AlGaN has a lower refractive index than GaN, in this embodiment, it is possible to suppress light absorption at the p-type electrode and increase light confinement in the active layer.
Therefore, in the case of p-type Al 0.1 Ga 0.9 N in this example, the film thickness is preferably 160 nm or less.
つぎに、本実施例における第1の工程に含まれるエッチングマスクの形成工程について説明する。
図7(b)は、マストランスポート抑制層706のp型Al0.1Ga0.9Nを貫通した形で、
該p型Al0.1Ga0.9およびガイド層705のp型GaNに、二次元フォトニック結晶を形成するための、エッチングマスク708を形成する工程を説明する図である。
以下、図7(b)の工程を順に説明する。
まず、マストランスポート抑制層706の上に、プラズマCVDによってSiOx膜を150nm成膜する。
続いて、SiOx膜に、電子ビームリソグラフィとICPエッチングにより、複数の開口部709で構成される二次元フォトニック結晶パターンを形成する。
その開口部709の孔直径は60nmであり、面内方向に周期160nmで正方格子状に配列されている。
Next, an etching mask forming step included in the first step in this embodiment will be described.
FIG. 7B shows the mass
The p-type GaN in the a p-type Al 0.1 Ga 0.9 and the
Hereafter, the process of FIG.7 (b) is demonstrated in order.
First, a SiOx film having a thickness of 150 nm is formed on the mass
Subsequently, a two-dimensional photonic crystal pattern including a plurality of
The
つぎに、本実施例における第1の工程に含まれる二次元フォトニック結晶の形成工程について説明する。
図7(c)は、図7(b)の工程に続いて、エッチングマスク708(SiOx膜)を用いて、
マストランスポート抑制層706を貫通して、p型ガイド層705をエッチングし、複数の細孔710からなる二次元フォトニック結晶を形成した後、該エッチングマスク708を除去する工程を説明する図である。
二次元フォトニック結晶の形成は、ICPによるドライエッチングを用いる。
ICPのガス組成は、Cl2とArの混合ガスプラズマである。エッチング後の、二次元フォトニック結晶の細孔710の深さは100nmである。
Next, a process for forming a two-dimensional photonic crystal included in the first process in the present embodiment will be described.
FIG. 7C shows an etching mask 708 (SiOx film) following the process of FIG.
The figure explaining the process of removing this
The two-dimensional photonic crystal is formed by dry etching using ICP.
The gas composition of ICP is a mixed gas plasma of Cl 2 and Ar. The depth of the
(第2の工程)
つぎに、本実施例における第2の工程について説明する。
図7(d)は、図7(c)の工程に続く、第2の工程を説明する図である。
すなわち、この第2の工程では、V族である窒素元素を含む雰囲気下で熱処理し、マストランスポート抑制層706をマスクとして、p型ガイド層705であるp型GaNにマストランスポートを生じさせる。
そして、二次元フォトニック結晶を構成する細孔710の側壁711に、p型ガイド層705の材料であるp型GaNの結晶面712を形成する。
第2の工程の雰囲気は、N2流量が10slm(standard litter per minitus)、NH3流量が5slmであり、熱処理温度T3は、1025℃である。
なお、N2流量10slmは、0.45mol/minであり、NH3流量5slmは、0.22mol/minに相当する。
また、本実施例の第2の工程では、p型ドーパント原料であるCP2Mgは流していないが、熱処理工程の最適化を行ううえでは、CP2Mgを流してもよい。p型ガイド層705であるp型GaNの主面707が(0001)面であるので、マストランスポートによって、側壁711には、主面707に対して垂直な(1−100)面と、傾斜した(1−103)面が形成される。
ここで、第2の工程の目的は、上述したように、p型ガイド層705であるp型GaNに形成された細孔710の側壁711に、p型ガイド層705の材料であるp型GaNの結晶面712を形成することである。
このため、特許文献1にあるような多大なマストランスポートが生じないように、第1の半導体層の成長温度T1と、第2の半導体層の成長温度T2と、熱処理温度T3の関係が、
T3≦T1,T2の関係を満たすように、T3=1025℃とし、保持時間は4分にしてある。
(Second step)
Next, the second step in the present embodiment will be described.
FIG. 7D is a diagram for explaining a second step following the step of FIG.
That is, in this second step, heat treatment is performed in an atmosphere containing a nitrogen element that is a group V, and mass transport is generated in the p-type GaN that is the p-
Then, a p-type
The atmosphere of the second step is an N 2 flow rate of 10 slm (standard litter per minute), an NH 3 flow rate of 5 slm, and a heat treatment temperature T3 of 1025 ° C.
The N 2 flow rate of 10 slm is 0.45 mol / min, and the NH 3 flow rate of 5 slm corresponds to 0.22 mol / min.
In the second step of the present embodiment, CP 2 Mg does not flow a p-type dopant raw material, in terms of the optimization of the heat treatment step, may be flowed CP 2 Mg. Since the
Here, as described above, the purpose of the second step is to form the p-type GaN that is the material of the p-
For this reason, the relationship between the growth temperature T1 of the first semiconductor layer, the growth temperature T2 of the second semiconductor layer, and the heat treatment temperature T3 is such that a great mass transport as in
In order to satisfy the relationship of T3 ≦ T1, T2, T3 = 1025 ° C. and the holding time is 4 minutes.
(第3の工程)
つぎに、本実施例における第3の工程について説明する。
図7(e)は、図7(d)の工程に続く、第3の工程を説明する図である。
すなわち、この第3の工程では、結晶成長により、二次元フォトニック結晶の細孔710の上部を、p型GaNのキャップ層713で塞ぎ、p型GaN層およびp型Al0.1Ga0.9Nの内部に二次元フォトニック結晶を埋め込む。
なお、本実施例では、キャップ層713が実施形態1に示した第3の半導体層111に相当する。
第3の工程の結果、二次元フォトニック結晶の細孔710の孔径(対向する側壁面の間隔)をほとんど変動させること無く、二次元フォトニック結晶の上部をキャップ層713で塞ぎ空孔714を形成することができた。
(Third step)
Next, the third step in the present embodiment will be described.
FIG. 7E is a diagram for explaining a third step following the step of FIG.
That is, in this third step, the upper part of the
Note that in this example, the
As a result of the third step, the upper portion of the two-dimensional photonic crystal is closed with the
つぎに、図7(f)に示すように、キャップ層713(p型GaN)の上に、p型クラッド層715であるp型Al0.1Ga0.9N、p型コンタクト層716であるp型GaNを順にMOVPE法によって順に成長させる。
Next, as shown in FIG. 7F, on the cap layer 713 (p-type GaN), p-type Al 0.1 Ga 0.9 N which is a p-
次に、GaN基板701の裏面にTi/Alのn側電極を、p型コンタクト層表面にTi/Auのp側電極717をフォトリソグラフィと電子ビーム蒸着法とリフトオフ法により形成する。
以上の工程により、波長400nm帯で駆動する二次元フォトニック結晶面発光レーザの作製が可能である。
Next, a Ti / Al n-side electrode is formed on the back surface of the
Through the above steps, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser that is driven in a wavelength band of 400 nm can be manufactured.
100:半導体構造
101:基板
102:第1の半導体層
103:第1の半導体層の主面
104:第2の半導体層
105:第2の半導体層の主面
106:エッチングマスク
107:細孔
108:開口部
109:側壁
110:結晶面
111:第3の半導体層
120:空孔
100: Semiconductor structure 101: Substrate 102: First semiconductor layer 103:
Claims (11)
Alを除くIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層の主面の上に、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層が形成され、
前記第2の半導体層を貫通してなる、前記第1の半導体層に形成された孔を有する半導体構造を用意する第1の工程と、
前記第1の工程の後に、前記半導体構造を窒素元素を含む雰囲気下で熱処理し、前記第1の半導体層に形成された孔の側壁の少なくとも一部に、前記第1の半導体層における前記Alを除くIII族窒化物半導体の結晶面を形成する第2の工程と、
前記第2の工程の後に、前記第2の半導体層の上にIII族窒化物半導体からなる第3の半導体層を形成し、前記孔の上部を塞ぐ第3の工程と、
を有することを特徴とする窒化物半導体の微細構造の製造方法。 A method of manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor,
On the main surface of the first semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor excluding Al, a second semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor containing at least Al is formed,
A first step of preparing a semiconductor structure having a second semiconductor layer formed by penetration of said first semiconductor layer hole formed,
After said first step, said semiconductor structure is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen element, at least a portion of a sidewall of the first semiconductor layer in the hole formed, the in the first semiconductor layer Al A second step of forming a crystal plane of the group III nitride semiconductor excluding
After the second step, a third step of closing the on the second semiconductor layer to form a third semiconductor layer made of a Group III nitride semiconductor, the upper portion of the front Kiana,
A method for producing a microstructure of a nitride semiconductor, comprising:
T3≦T1,T2の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法。 When the temperature at the time of forming the first semiconductor layer is T1, the temperature at the time of forming the second semiconductor layer is T2, and the temperature of the heat treatment in the second step is T3, each of these temperatures Relationship
The method for manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the relationship of T3≤T1, T2 is satisfied.
前記第1の半導体層の主面の上に、前記第2の半導体層を形成した後に、
前記第2の半導体層を貫通して前記第1の半導体層に形成される孔を、エッチングによって形成する工程を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法。 The first step includes
After forming the second semiconductor layer on the main surface of the first semiconductor layer,
Wherein the second semiconductor layer through to said first semiconductor layer to Ru formed hole, a nitride semiconductor fine according to claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises a step of forming by etching Structure manufacturing method.
前記第1の半導体層の主面の上に、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の結晶成長を抑制するためのマスクである、前記孔の形状をした結晶成長抑制用マスクを形成する工程と、
前記結晶成長抑制用マスクを形成する工程の後に、前記結晶成長抑制用マスクが形成されていない前記第1の半導体層の主面の上の領域に、
前記第1の半導体層と同じ半導体層を積層し、更にその上に前記第2の半導体層を積層する工程と、
前記第1の半導体層と同じ半導体層を積層し、更にその上に前記第2の半導体層を積層する工程の後に、前記結晶成長抑制用マスクを除去する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法。 The first step includes
Wherein on the surface of the first semiconductor layer, said first semiconductor layer and the second is the mask for suppressing crystal growth of the semiconductor layer, the crystal growth suppression mask in the shape of a pre Kiana Forming a step;
After the step of forming the crystal growth suppression mask, in a region on the main surface of the first semiconductor layer where the crystal growth suppression mask is not formed,
Laminating the same semiconductor layer as the first semiconductor layer, and further laminating the second semiconductor layer thereon,
A step of laminating the same semiconductor layer as the first semiconductor layer and further laminating the second semiconductor layer thereon, and thereafter removing the mask for suppressing crystal growth;
The method of manufacturing a microstructure of a nitride semiconductor according to claim 1 or 2, characterized in that
請求項7に記載の窒化物半導体の微細構造の製造方法によってフォトニック結晶が製造されたことを特徴とする面発光レーザの製造方法。 And the active layer, the photonic crystal is manufactured me by the manufacturing method of the nitride semiconductor microstructure according to claim 7 A method for manufacturing a surface emitting laser and a two-dimensional photonic crystal method for manufacturing a surface-emitting laser you characterized.
前記二次元フォトニック結晶は、Alを除くIII族窒化物半導体からなる第1の半導体層と、少なくともAlを含むIII族窒化物半導体からなる第2の半導体層と、を前記活性層に近い側から順に有し、複数の孔が、前記第2の半導体層を貫通し、前記第1の半導体層に形成されており、
前記孔の側壁の少なくとも一部に、前記第1の半導体層の結晶面が形成されていることを特徴とする面発光レーザ。 An active layer, a surface emitting laser and a secondary Motofu photonic crystal,
The two-dimensional photonic crystal includes a first semiconductor layer, the side close to the second semiconductor layer made of a Group III nitride semiconductor, the said active layer comprising at least Al formed of a Group III nitride semiconductor except for Al It has in order from a plurality of holes, through said second semiconductor layer, is formed on the first semiconductor layer,
At least in part on the first surface emitting laser characterized in that the crystal face of the semiconductor layer is formed of a side wall of the front Kiana.
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