JP5056272B2 - Gallium nitride based semiconductor surface light emitting device and method for fabricating gallium nitride based semiconductor surface light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム系半導体面発光素子、および窒化ガリウム系半導体面発光素子を作製する方法に関する。 The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device and a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device.
特許文献1には、窒化物半導体からなる発光素子が記載されている。この発光素子は、単一モード安定性を高めることができる。第一の窒化物半導体層と第二の窒化物半導体層とが接合されてなる界面領域に、筒状の空洞からなる複数の空隙が、回折格子を構成するように周期的に設けられている。この構造からなる回折格子により、単一モード安定性の高いDFBレーザ素子が提供される。
フォトニック結晶面発光レーザ開発においては、二次元周期構造を持つフォトニック層を作成する技術が重要である。特許文献1では、結晶成長法により第一のウエハを作製すると共に、同様に結晶成長法により第二のウエハを作製した後に、第一のウエハに周期的な溝を形成している。この後に、第一のウエハと第二のウエハを加圧加熱により接着している。 In developing a photonic crystal surface emitting laser, a technique for creating a photonic layer having a two-dimensional periodic structure is important. In Patent Document 1, a first wafer is manufactured by a crystal growth method, and after a second wafer is similarly manufactured by a crystal growth method, periodic grooves are formed in the first wafer. Thereafter, the first wafer and the second wafer are bonded by pressure heating.
これまでの半導体デバイスのための窒化ガリウム系半導体では、下地のGa面上に結晶成長された半導体を利用してきた。これ故に、成長された結晶体の最表面もGa面からなり、同じGa面を有する第一のウエハと第二のウエハを加圧加熱により接着していた。しかしながら、発明者の実験によれば、GaAsのようなエピタキシャル成長方向に対して極性を持たない結晶と異なり、窒化ガリウムといった六方晶系の結晶同士では所望の接合が形成されず、電気的特性に問題などが出る。つまり、物理的な接合が形成されても、接合面に現れる結晶面の極性が同一になることに起因する問題を含むことになる。 Conventional gallium nitride-based semiconductors for semiconductor devices have utilized semiconductors that have been crystal-grown on the underlying Ga surface. For this reason, the outermost surface of the grown crystal is also a Ga surface, and the first wafer and the second wafer having the same Ga surface are bonded together by pressure heating. However, according to the inventor's experiment, unlike a crystal having no polarity with respect to the epitaxial growth direction such as GaAs, a desired junction is not formed between hexagonal crystals such as gallium nitride, which causes a problem in electrical characteristics. Etc. That is, even if a physical bond is formed, there is a problem caused by the fact that the polarities of the crystal planes appearing on the bonded surface are the same.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、良好な電気的な特性を有する窒化ガリウム系半導体面発光素子を提供することを目的と、またこの窒化ガリウム系半導体面発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device having good electrical characteristics, and this gallium nitride based semiconductor surface light emitting device. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系半導体面発光素子は、(a)一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり接合面を有する第1の半導体構造物と、(b)一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり接合面を有する第2の半導体構造物とを備え、前記第1および第2の半導体構造物の前記接合面の一方はGa面からなり、前記第1および第2の半導体構造物の前記接合面の他方はN面からなり、前記第2の半導体構造物の前記接合面には、フォトニック結晶のための周期構造が設けられており、前記第1の半導体構造物の前記接合面と前記第2の半導体構造物の前記接合面とは互いに融着されており、前記第2の半導体構造物は活性層を含む。 A gallium nitride based semiconductor surface light emitting device according to an aspect of the present invention includes: (a) a first semiconductor structure including one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers and having a bonding surface; and (b) one or a plurality of nitridings. A second semiconductor structure made of a gallium-based semiconductor layer and having a bonding surface, wherein one of the bonding surfaces of the first and second semiconductor structures is made of a Ga surface, and the first and second semiconductors The other of the bonding surfaces of the structure is an N-plane, and the bonding surface of the second semiconductor structure is provided with a periodic structure for a photonic crystal. The bonding surface and the bonding surface of the second semiconductor structure are fused to each other, and the second semiconductor structure includes an active layer.
この発明によれば、第1および第2の半導体構造物の融着の際に、互いに異なる極性の接合面を融着するので、融着により提供されたフォトニック結晶構造を有しており、六方晶系の窒化ガリウム系半導体に固有の極性に係る問題に関係ない面発光素子が提供される。 According to the present invention, when the first and second semiconductor structures are fused, the bonding surfaces having different polarities are fused, so that the photonic crystal structure provided by the fusion is provided. There is provided a surface light emitting device that is not related to a problem related to polarity inherent in a hexagonal gallium nitride semiconductor.
本発明の窒化ガリウム系半導体面発光素子では、前記フォトニック結晶のための周期構造は、前記第2の半導体構造物の前記接合面に周期的に配列された複数の空隙からなることができる。 In the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device of the present invention, the periodic structure for the photonic crystal may be composed of a plurality of voids periodically arranged on the bonding surface of the second semiconductor structure.
この窒化ガリウム系半導体面発光素子によれば、好適な電気的特性を提供できる接合面の融着により、第2の半導体構造物の接合面に周期的に配列された複数の開口が第1の半導体構造物により塞がれて成るフォトニック結晶構造が提供される。 According to the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device, a plurality of openings periodically arranged on the joint surface of the second semiconductor structure are formed by the fusion of the joint surface capable of providing suitable electrical characteristics. A photonic crystal structure is provided that is enclosed by a semiconductor structure.
本発明の窒化ガリウム系半導体面発光素子では、前記フォトニック結晶のための周期構造は、前記第2の半導体構造物の窒化ガリウム系半導体内に周期的に配列された複数の絶縁部材からなることができる。 In the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device of the present invention, the periodic structure for the photonic crystal is composed of a plurality of insulating members periodically arranged in the gallium nitride based semiconductor of the second semiconductor structure. Can do.
この窒化ガリウム系半導体面発光素子。好適な電気的特性を提供できる接合面の融着により、窒化ガリウム系半導体内に周期的に配列された複数の絶縁部材からなるフォトニック結晶構造が提供される。 This gallium nitride based semiconductor surface light emitting device. The fusion of the bonding surfaces that can provide suitable electrical characteristics provides a photonic crystal structure comprising a plurality of insulating members periodically arranged in a gallium nitride based semiconductor.
本発明の窒化ガリウム系半導体面発光素子では、前記第1の半導体構造物の前記主面は、GaN、AlGaN、InGaN、およびこれらの混晶のいずれか一つから形成され、前記第2の半導体構造物の前記主面は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶のいずれか一つから形成されることができる。 In the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device of the present invention, the main surface of the first semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and a mixed crystal thereof, and the second semiconductor The main surface of the structure may be formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and mixed crystals thereof.
本発明の別の側面は、フォトニック結晶を含む窒化ガリウム系半導体面発光素子を作製する方法である。この方法は、(a)一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる第1の半導体構造物を第1の基板上にエピタキシャル成長する工程と、(b)一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる第2の半導体構造物を第2の基板上にエピタキシャル成長する工程と、(c)前記第1および第2の半導体構造物のいずれか一方にフォトニック結晶のための周期構造を形成する工程と、(d)前記周期構造を形成した後に、前記第1の半導体構造物の主面と前記第2の半導体構造物の主面を対面させて融着する工程と、(e)該融着の後に、前記第1および第2の基板のいずれか一方を除去する工程とを備え、前記第1の半導体構造物の前記主面はGa面またはN面を有しており、前記第2の半導体構造物の前記主面はGa面またはN面を有しており、前記第2の半導体構造物は活性層を含む。 Another aspect of the present invention is a method of fabricating a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device including a photonic crystal. This method comprises (a) a step of epitaxially growing a first semiconductor structure comprising one or more gallium nitride based semiconductor layers on a first substrate, and (b) comprising one or more gallium nitride based semiconductor layers. Epitaxially growing a second semiconductor structure on a second substrate; (c) forming a periodic structure for a photonic crystal in one of the first and second semiconductor structures; (D) after forming the periodic structure, and fusing the main surface of the first semiconductor structure and the main surface of the second semiconductor structure facing each other; (e) after the fusing Removing either one of the first and second substrates, wherein the main surface of the first semiconductor structure has a Ga surface or an N surface, and the second semiconductor structure The main surface of the object has a Ga surface or an N surface. , The second semiconductor structure including an active layer.
この方法によれば、第1の半導体構造物のN面の主面と第2の半導体構造物のGa面の主面を対面させて融着するので、これらの接合面は、互いに反対極性の結晶面を有する。これ故に、同一極性の結晶面の接合に起因する電気的特性上の不具合が生じない。 According to this method, since the main surface of the N surface of the first semiconductor structure and the main surface of the Ga surface of the second semiconductor structure face each other and are fused, these joint surfaces have opposite polarities. It has a crystal face. Therefore, there is no problem in electrical characteristics due to the bonding of crystal faces with the same polarity.
本発明に係る方法では、前記第1の半導体構造物の前記窒化ガリウム系半導体層は分子線エピタキシ法を用いて作製されることが好ましい。分子線エピタキシ法により、N面を有する窒化ガリウム系半導体を成長することが容易になる。また、本発明に係る方法では、前記第2の半導体構造物の前記窒化ガリウム系半導体層は有機金属気相成長法を用いて作製されることが好ましい。有機金属気相成長法は、窒化ガリウム系半導体層を含む多層膜を形成することに好適である。 In the method according to the present invention, it is preferable that the gallium nitride based semiconductor layer of the first semiconductor structure is formed using a molecular beam epitaxy method. By molecular beam epitaxy, it becomes easy to grow a gallium nitride based semiconductor having an N plane. In the method according to the present invention, it is preferable that the gallium nitride based semiconductor layer of the second semiconductor structure is formed using a metal organic chemical vapor deposition method. The metal organic chemical vapor deposition method is suitable for forming a multilayer film including a gallium nitride based semiconductor layer.
本発明に係る方法では、前記フォトニック結晶のための周期構造は、前記第2の半導体構造物の前記主面に周期的に配列された複数の開口からなることができる。複数の開口は、例えばリソグラフィとエッチングにより窒化ガリウム系半導体層にパターン形成することによって形成される。或いは、本発明に係る方法では、前記フォトニック結晶のための周期構造は、前記第2の半導体構造物の窒化ガリウム系半導体内に周期的に配列された複数の絶縁部材からなることができる。複数の絶縁部材は、絶縁物の堆積、フォトリソグラフィおよびエッチングにより絶縁膜から周期的に配列された複数の絶縁部材を形成すると共に、これら絶縁部材を窒化ガリウム系半導体で埋め込むことによって形成される。 In the method according to the present invention, the periodic structure for the photonic crystal may include a plurality of openings periodically arranged on the main surface of the second semiconductor structure. The plurality of openings are formed by patterning the gallium nitride based semiconductor layer by lithography and etching, for example. Alternatively, in the method according to the present invention, the periodic structure for the photonic crystal may be composed of a plurality of insulating members periodically arranged in a gallium nitride based semiconductor of the second semiconductor structure. The plurality of insulating members are formed by forming a plurality of insulating members periodically arranged from the insulating film by depositing an insulator, photolithography and etching, and embedding these insulating members with a gallium nitride based semiconductor.
本発明に係る方法では、前記第1の半導体構造物の前記主面は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶のいずれか一つから形成される。また、本発明に係る方法では、前記第2の半導体構造物の前記主面は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶のいずれか一つから形成される。 In the method according to the present invention, the main surface of the first semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and a mixed crystal thereof. In the method according to the present invention, the main surface of the second semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and a mixed crystal thereof.
本発明に係る方法では、前記第1の基板はサファイア基板であることが好ましい。第1の半導体堆積物の主面はN面を有しており、当該方法は、前記第1の半導体構造物を前記第1の基板上に成長する前に、前記サファイア基板の表面を窒化する工程を更に備えることができる。窒化された表面を有するサファイア基板上には、N面を有する窒化ガリウム系半導体が形成される。 In the method according to the present invention, the first substrate is preferably a sapphire substrate. The main surface of the first semiconductor deposit has an N-plane, and the method nitrides the surface of the sapphire substrate before growing the first semiconductor structure on the first substrate. A process can be further provided. A gallium nitride based semiconductor having an N surface is formed on a sapphire substrate having a nitrided surface.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、良好な電気的な特性を有する窒化ガリウム系半導体面発光素子が提供され、またこの窒化ガリウム系半導体面発光素子を作製する方法が提供される。 As described above, according to the present invention, a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device having good electrical characteristics is provided, and a method for producing the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化ガリウム系半導体面発光素子、および窒化ガリウム系半導体面発光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Next, embodiments of the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device and the method for producing the gallium nitride based semiconductor surface light emitting device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体面発光素子のための第1の半導体構造物を作製する方法における主要な工程を示す模式図である。以下の説明において、まず、基板上への第1の半導体構造物の作製を説明した後に、別の基板上への第2の半導体構造物の作製を説明する。第1および第2の半導体構造物を融着して一体の構造物を形成した後に、この構造物から一方の基板を除去する。 FIG. 1 is a schematic view showing main steps in a method for producing a first semiconductor structure for a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device according to an embodiment of the present invention. In the following description, first, the fabrication of the first semiconductor structure on the substrate will be described, and then the fabrication of the second semiconductor structure on another substrate will be described. After the first and second semiconductor structures are fused to form an integral structure, one substrate is removed from the structure.
図1を参照しながら、第1の半導体構造物の作製方法を説明する。分子線エピタキシ(MBE)装置11内に基板13を配置して後に、図1(a)に示されるように、基板13の熱処理を行う。この熱処理により、例えば基板表面のサーマルクリーニングが行われる。
A method for manufacturing the first semiconductor structure will be described with reference to FIGS. After the
基板13が、例えばサファイア基板であることが好ましい。このサファイア基板の表面を窒化する。窒化された表面を有するサファイア基板上には、N面を有する窒化ガリウム系半導体が形成される。引き続く説明では、基板13としてサファイア基板を用いる。
The
図1(b)に示されるように、所定の導電型のドーパントを供給しながら、窒化ガリウム系半導体層15を基板13の主面13a上にMBE装置11でエピタキシャル成長する。窒化ガリウム系半導体層15は、例えばp+型GaNからなることができ、また面発光素子のコンタクト層として利用される。p+型GaNの成長のために、MgのKセルから高Mgフラックス、GaのKセルからGaフラックス、およびNラジカルガンからNフラックスを供給する。窒化ガリウム系半導体層15の主面15aはN面を有する。
As shown in FIG. 1B, the gallium nitride based
次いで、図1(c)に示されるように、上記ドーパントと同じ導電型のドーパントを供給しながら、窒化ガリウム系半導体層17を窒化ガリウム系半導体層15の主面15a上にMBE装置11でエピタキシャル成長する。窒化ガリウム系半導体層17は、例えばp型GaNからなることができ、また面発光素子のp型クラッド層として使用させる。p型GaNの成長のために、MgのKセルからMgフラックス、GaのKセルからGaフラックス、およびNラジカルガンからNフラックスを供給する。窒化ガリウム系半導体層17の主面17aはN面を有する。
Next, as shown in FIG. 1C, the gallium nitride based
これらの工程により、基板13上に第1の半導体構造物19が形成された。第1の半導体構造物19は、上記の実施例では、窒化ガリウム系半導体層14、15、17を含む。第1の半導体構造物19の主面19a(主面17a)はN面を有しており、また後ほど説明されるように接合面として使用される。この接合面は、上記の具体例に限定されることなく、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶からなることができる。本実施例では、第2の半導体堆積物はp型コンタクト層およびp型クラッド層を含むけれども、p型に替えてn型を用いることができる。
Through these steps, the
図2は、本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系半導体面発光素子のための第2の半導体構造物を作製する方法における主要な工程を示す模式図である。有機金属気相成長(OMVPE)装置21内に基板23を配置して後に、図2(a)に示されるように、基板23の熱処理を行う。この熱処理により、例えば基板表面のサーマルクリーニングが行われる。基板23としては、例えばGaN基板、サファイア基板等を用いることができる。例えば、低転位密度のGa面を有するc面GaN基板が入手可能であるので、基板13として、GaN基板を用いることが好ましい。GaN基板上には、良好な結晶品質を有する活性層等の半導体積層を形成できる。引き続く説明では、基板13としてGaN基板を使用する。
FIG. 2 is a schematic view showing main steps in a method for producing a second semiconductor structure for a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device according to an embodiment of the present invention. After the
図2(a)に示されるように、第1の半導体堆積物のドーパントと逆導電型のドーパントを供給しながら、窒化ガリウム系半導体層25を基板23の主面23a上にOMVPE装置21でエピタキシャル成長する。窒化ガリウム系半導体層25は、例えばn型AlGaNからなることができ、また面発光素子のクラッド層として利用させる。n型AlGaNの成長のために、例えばトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)およびアンモニア(NH3)の原料を供給する。窒化ガリウム系半導体層25の主面25aはGa面を有する。必要な場合には、クラッド層の形成に先立って、バッファ層を堆積することができ、またクラッド層の単一のAlGaN半導体層だけでなく、複数のAlGaN層を含むことができる。
As shown in FIG. 2A, the gallium nitride based
次いで、図2(c)に示されるように、ドーパントを供給することなく、窒化ガリウム系半導体層27、29、31を窒化ガリウム系半導体層25の主面25a上にOMVPE装置21でエピタキシャル成長する。窒化ガリウム系半導体層27は、例えばアンドープ型GaNからなることができ、また面発光素子の光ガイド層として使用される。窒化ガリウム系半導体層29は、例えばアンドープ型窒化ガリウム系半導体積層からなることができ、また面発光素子の量子井戸構造の活性層として使用される。活性層は、交互に配置された井戸層および障壁層を含んでおり、井戸層は例えばInGaNからなり、障壁層は例えばInGaNまたはGaNからなる。窒化ガリウム系半導体層31は、例えばアンドープ型GaNからなることができ、また面発光素子の光ガイド層として使用される。窒化ガリウム系半導体層27、29、31のエピタキシャル成長において、c軸の方向、つまりGa面が維持される。例えば、窒化ガリウム系半導体層31の主面31aはGa面を有する。InGaNの成長のために、例えばトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)およびアンモニア(NH3)を供給する。
Next, as illustrated in FIG. 2C, the gallium nitride based semiconductor layers 27, 29, and 31 are epitaxially grown on the
次いで、第1の半導体構造物と同じ導電型のドーパントを供給しながら、窒化ガリウム系半導体層33を窒化ガリウム系半導体層31の主面31a上にOMVPE装置21でエピタキシャル成長する。窒化ガリウム系半導体層33は、例えばp型AlGaNからなることができ、また面発光素子の電子ブロック層として使用される。窒化ガリウム系半導体層33の主面33aはGa面を有する。
Next, the gallium nitride based
これらの工程により、基板23上に半導体積層35が形成された。半導体積層35は、上記の実施例では、窒化ガリウム系半導体層25、27、29、31、33を含む。半導体積層35の主面35a(主面33a)はGa面を有する。本実施例では、窒化ガリウム系半導体層25がn型であり窒化ガリウム系半導体層33はp型であるが、窒化ガリウム系半導体層25がp型であり窒化ガリウム系半導体層33はn型であってもよい。
Through these steps, the
図3は、フォトニック結晶構造を作製するための主要な工程を示す模式図である。図3(a)に示されるように、半導体積層35上に絶縁膜37を形成する。絶縁膜37は、例えばSiO2といったシリコン酸化物等からなることができる。シリコン酸化物は、例えばCVD装置といった成膜装置41を用いて形成される。
FIG. 3 is a schematic view showing main steps for producing a photonic crystal structure. As shown in FIG. 3A, an insulating
次いで、図3(b)に示されるように、フォトニック結晶構造のための二次元回折格子を形成するマスク39を絶縁膜37上に形成する。このマスクは、例えば電子ビームリソグラフィ等により形成される。マスク39は、例えば二次元格子のためのパターンを有しており、また二次元格子としては、例えば三角格子、正方格子等が知られている。マスク39を用いて絶縁膜37をエッチングして、複数の絶縁物37aを形成する。複数の絶縁物37aは、窒化ガリウム系半導体層33の主面33a上において二次元に周期的に配置されている。エッチングの後に、マスク39を除去する。二次元格子の周期はレーザ発振波長と関連している。
Next, as shown in FIG. 3B, a
この後に、図3(c)に示されるように、例えば柱状の絶縁部材の配列を窒化ガリウム系半導体で埋め込む。この埋込成長は、例えばOMVPE装置21を用いて行われる。埋込のために、窒化ガリウム系半導体層43を成長する。窒化ガリウム系半導体層43は、窒化ガリウム系半導体層33の主面33a上に選択的にエピタキシャル成長され、この結果、絶縁物柱の配列は埋め込まれる。窒化ガリウム系半導体層43の主面43aはGa面を有する。窒化ガリウム系半導体層43は、例えばp型である。窒化ガリウム系半導体層43は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶からなることができる。窒化ガリウム系半導体に埋め込まれた絶縁部材の周期的な配列により、二次元の周期的な屈折率変化が提供される。
Thereafter, as shown in FIG. 3C, for example, an array of columnar insulating members is embedded with a gallium nitride based semiconductor. This buried growth is performed using, for example, the
これらの工程により、基板23上に第2の半導体構造物45が形成された。第2の半導体構造物45は、上記の実施例では、窒化ガリウム系半導体層25、27、29、31、33、43および絶縁物柱の配列47を含む。第2の半導体構造物45の主面45a(主面43a)はGa面を有しており、また後ほど説明されるように接合面として使用される。
Through these steps, the
図4は、第1の半導体構造物と第2の半導体構造物を融着するための主要な工程を示す模式図である。図4(a)に示されるように、融着のために、Ga面からなる主面45aを有する第2の半導体構造物45を含む基板生産物W2が準備され、またN面からなる主面19aを有する第1の半導体構造物19を含む基板生産物W1が準備される。基板生産物W2の主面(Ga面)45aと基板生産物W2の主面19a(N面)とを互いに対面させる。
FIG. 4 is a schematic view showing main steps for fusing the first semiconductor structure and the second semiconductor structure. As shown in FIG. 4A, a substrate product W2 including a
図4(b)に示されるように、主面(Ga面)45aと主面19a(N面)とを互いに接触させるように、第1の半導体構造物19と第2の半導体構造物45とを処理装置49内において配置する。熱処理条件としては、例えば熱処理温度は摂氏500度であり、熱処理雰囲気は窒素中であり、熱処理時間は1時間である。融着に際して、加圧Fを行う。この処理により、接合Jが形成されて、第1および第2の半導体構造物19、45を一体化して基板生産物W3が形成される。接合Jにおいては、第1の半導体構造物19のN面からなる接合面と第2の半導体構造物45のGaからなる接合面とが接合されて、融着部が形成される。
As shown in FIG. 4B, the
図5は、基板生産物からの基板の除去、および電極形成のための主要な工程を示す模式図である。図5(a)に示されるように、基板生産物W3から基板(例えば基板13)を除去する。この除去は、例えばレーザリフトオフにより行われる。サファイア基板13を通して犠牲層14にレーザを照射して犠牲層14を溶融させ、基板生産物W3から基板13を分離する。基板の除去は、例示されたレーザリフトオフに限定されることなく、エッチング、研磨等を用いることができる。基板生産物W3から基板13を除去した後に、電極を形成するために溶融面の処理、例えば研磨を行って、基板生産物W4を作製する。
FIG. 5 is a schematic diagram showing main steps for removing a substrate from a substrate product and forming electrodes. As shown in FIG. 5A, the substrate (for example, the substrate 13) is removed from the substrate product W3. This removal is performed by, for example, laser lift-off. The sacrificial layer 14 is irradiated with a laser through the
次いで、図5(b)に示されるように、基板生産物W4のアノード面51aに電極53aを形成すると共に、基板生産物W4のカソード面51bに電極53bを形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体面発光素子55が形成された。窒化ガリウム系半導体面発光素子55は、屈折率の周期的な変化する構造を含む二次元回折格子層54によりレーザ共振したレーザ光Lを発光面55a(本実施例では、アノード面)を介して出射する。
Next, as shown in FIG. 5B, the
(実施例)
窒化ガリウム系フォトニック結晶レーザを作製した。まず、多重量子井戸構造の活性層を含むGa極性のエピタキシャル基板をOMVPE法でn型GaN基板を用いて作製した。このエピタキシャル基板上に、フォトニック結晶層のためのSiO2薄膜を蒸着した。この後に、フォトニック結晶層のためのマスクを用いて反応性イオンエッチング(RIE)を用いてエッチングを行った。これにより、規則正しく整列されたSiO2微細柱を形成した。OMVPE法でSiO2微細柱をGaNにより埋め込んで基板生産物を作製した。
(Example)
A gallium nitride photonic crystal laser was fabricated. First, a Ga-polar epitaxial substrate including an active layer having a multiple quantum well structure was produced using an n-type GaN substrate by OMVPE. An SiO 2 thin film for the photonic crystal layer was deposited on the epitaxial substrate. Thereafter, etching was performed using reactive ion etching (RIE) using a mask for the photonic crystal layer. This formed regularly aligned SiO 2 fine columns. A substrate product was produced by embedding SiO 2 fine columns with GaN by OMVPE method.
次に、N極性のエピタキシャル基板をMBE法でc面サファイア基板を用いて作製した。サファイア基板は、MBE装置のモリブデン製のホルダーに貼り付けられ、ホルダーは、マニピュレータと呼ばれる基板加熱装置に保持される。エピタキシャル成長のために、マニピュレータを摂氏700度程度に昇温して基板を加熱する。MBE装置にはGa、Mg等を供給するためのKセルが導入されている。Kセルを抵抗加熱し原料を高温に昇温して、各原料蒸気をサファイア基板上へ供給した。窒素源は、高周波磁場を印加するRFラジカルガンを用いて、活性化(プラズマ化)窒素を供給する。成長中のエピタキシャル表面はRHEEDが観測のために設けられている。 Next, an N-polar epitaxial substrate was fabricated using a c-plane sapphire substrate by MBE. The sapphire substrate is attached to a molybdenum holder of the MBE apparatus, and the holder is held by a substrate heating apparatus called a manipulator. For epitaxial growth, the manipulator is heated to about 700 degrees Celsius to heat the substrate. In the MBE apparatus, a K cell for supplying Ga, Mg and the like is introduced. The K cell was resistance-heated to raise the temperature of the material to a high temperature, and each material vapor was supplied onto the sapphire substrate. The nitrogen source supplies activated (plasmaized) nitrogen using an RF radical gun that applies a high-frequency magnetic field. The growing epitaxial surface is provided with RHEED for observation.
Gaセルを目的温度に向けて昇温させて、1.0×10−6Torr程度のGaフラックスを生成した。Mgセルを目的温度(例えば摂氏315度)に向けて昇温した。サファイア基板をMBE成長室に導入した後に、サファイア基板の昇温を開始した。摂氏800度の基板温度、窒素雰囲気下で、サファイア基板の表面窒化を行った。この窒化は、N極性成長のために行われた。 The Ga cell was heated to the target temperature to generate a Ga flux of about 1.0 × 10 −6 Torr. The Mg cell was heated to a target temperature (for example, 315 degrees Celsius). After introducing the sapphire substrate into the MBE growth chamber, the temperature of the sapphire substrate was started to rise. Surface nitriding of the sapphire substrate was performed under a substrate temperature of 800 degrees Celsius and a nitrogen atmosphere. This nitridation was performed for N-polar growth.
MgドープGaNコンタクト層およびMgドープGaNクラッド層を順に成長した。これらのp型GaNの成長中に、RHEEDにより回折パターンを行って、成長の状態を観測した。2時間程度の時間をかけて、1μm程度のGaN層を成長してエピタキシャル基板を作製した後に、全てのセルシャッタを閉じて成長を終了した。基板温度を降温すると共に、さらに窒素のプラズマ化も停止し、成長室への窒素ガス供給を停止した。基板温度が十分に低下したところで基板を載せたホルダーを成長室外へ取り出した。 An Mg-doped GaN contact layer and an Mg-doped GaN cladding layer were grown in order. During the growth of these p-type GaN, a diffraction pattern was performed by RHEED, and the growth state was observed. After taking about 2 hours to grow a GaN layer of about 1 μm to produce an epitaxial substrate, all cell shutters were closed to complete the growth. While lowering the substrate temperature, the plasma of nitrogen was also stopped, and the supply of nitrogen gas to the growth chamber was stopped. When the substrate temperature was sufficiently lowered, the holder on which the substrate was placed was taken out of the growth chamber.
OMVPE法で作製された基板生産物のGa面とMBEチャンバに配置法で作製されたエピタキシャル基板のN面を加重を掛けて融着した。融着条件としては、例えば温度は摂氏500度であり、処理雰囲気は窒素中であり、処理時間は1時間である。 The Ga surface of the substrate product produced by the OMVPE method and the N surface of the epitaxial substrate produced by the placement method in the MBE chamber were fused under load. As the fusing conditions, for example, the temperature is 500 degrees Celsius, the processing atmosphere is in nitrogen, and the processing time is 1 hour.
融着の後に、KrFエキシマレーザを用いてサファイア基板を分離した。サファイア基板の裏面に照射されたレーザ光は、サファイア基板を通ってGaNといった窒化ガリウム系半導体に到達する。レーザ光がGaNに吸収されると、界面においてGaNが分解して金属ガリウムが界面に残る。レーザ照射の後に、金属ガリウムの融点よりも高い温度にエピタキシャル基板を加熱してサファイア基板を剥離する。
する。
After fusion, the sapphire substrate was separated using a KrF excimer laser. The laser light applied to the back surface of the sapphire substrate reaches a gallium nitride semiconductor such as GaN through the sapphire substrate. When the laser light is absorbed by GaN, GaN decomposes at the interface and metal gallium remains at the interface. After the laser irradiation, the epitaxial substrate is heated to a temperature higher than the melting point of metal gallium to peel off the sapphire substrate.
To do.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. In the present embodiment, the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
11…分子線エピタキシ(MBE)装置、13…基板、15、17、25、27、29、31、33、43…窒化ガリウム系半導体層、19…第1の半導体構造物、21…有機金属気相成長(OMVPE)装置、23…基板、35…半導体積層、37…絶縁膜、39…マスク、41…成膜装置、37a…複数の絶縁物、45…第2の半導体構造物、49…処理装置、アノード面51a…、51b…カソード面、53a…電極、53b…電極、54…二次元回折格子層、55…窒化ガリウム系半導体面発光素子、55a…発光面、W1、W2、W3、W4…基板生産物
DESCRIPTION OF
Claims (11)
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり接合面を有する第2の半導体構造物と
を備え、
前記第1および第2の半導体構造物の前記接合面の一方はGa面からなり、
前記第1および第2の半導体構造物の前記接合面の他方はN面からなり、
前記第2の半導体構造物の前記接合面には、フォトニック結晶のための周期構造が設けられており、
前記第1の半導体構造物の前記接合面と前記第2の半導体構造物の前記接合面とは互いに融着されており、
前記第2の半導体構造物は活性層を含む、ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体面発光素子。 A first semiconductor structure made of one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers and having a bonding surface;
A second semiconductor structure comprising one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers and having a bonding surface,
One of the bonding surfaces of the first and second semiconductor structures is a Ga surface,
The other of the joint surfaces of the first and second semiconductor structures is an N plane,
A periodic structure for a photonic crystal is provided on the joint surface of the second semiconductor structure,
The bonding surface of the first semiconductor structure and the bonding surface of the second semiconductor structure are fused to each other;
The gallium nitride based semiconductor surface light emitting device, wherein the second semiconductor structure includes an active layer.
前記第2の半導体構造物の前記接合面は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶のいずれか一つから形成される、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された窒化ガリウム系半導体面発光素子。 The bonding surface of the first semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and mixed crystals thereof,
4. The junction surface of the second semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and a mixed crystal thereof. 2. A gallium nitride based semiconductor surface light emitting device described in 1).
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる第1の半導体構造物を第1の基板上にエピタキシャル成長する工程と、
一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなる第2の半導体構造物を第2の基板上にエピタキシャル成長する工程と、
前記第1および第2の半導体構造物のいずれか一方にフォトニック結晶のための周期構造を形成する工程と、
前記周期構造を形成した後に、前記第1の半導体構造物の主面と前記第2の半導体構造物の主面を対面させて融着する工程と、
該融着の後に、前記第1および第2の基板のいずれか一方を除去する工程と
を備え、
前記第1の半導体構造物の前記主面はGa面およびN面のいずれか一方を有しており、
前記第2の半導体構造物の前記主面はGa面およびN面のいずれか他方を有しており、
前記第2の半導体構造物は活性層を含む、ことを特徴とする方法。 A method of fabricating a gallium nitride based semiconductor surface light emitting device including a photonic crystal,
Epitaxially growing a first semiconductor structure comprising one or more gallium nitride based semiconductor layers on a first substrate;
Epitaxially growing a second semiconductor structure comprising one or more gallium nitride based semiconductor layers on a second substrate;
Forming a periodic structure for a photonic crystal in one of the first and second semiconductor structures;
After forming the periodic structure, the main surface of the first semiconductor structure and the main surface of the second semiconductor structure face each other, and are fused.
After the fusion, removing any one of the first and second substrates,
The main surface of the first semiconductor structure has either a Ga surface or an N surface;
The main surface of the second semiconductor structure has either the Ga surface or the N surface;
The method of claim 2, wherein the second semiconductor structure includes an active layer.
前記第1の半導体構造物の前記窒化ガリウム系半導体層は分子線エピタキシ法を用いて作製される、ことを特徴とする請求項5に記載された方法。 A main surface of the first semiconductor structure is an N surface;
6. The method according to claim 5, wherein the gallium nitride based semiconductor layer of the first semiconductor structure is formed using a molecular beam epitaxy method.
前記第2の半導体構造物の前記窒化ガリウム系半導体層は有機金属気相成長法を用いて作製される、ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載された方法。 The second semiconductor structure includes an active layer;
7. The method according to claim 5, wherein the gallium nitride based semiconductor layer of the second semiconductor structure is formed using metal organic vapor phase epitaxy.
前記第2の半導体構造物の前記主面は、GaN、AlGaN、InGaNおよびこれらの混晶のいずれか一つから形成される、ことを特徴とする請求項5〜請求項9のいずれか一項に記載された方法。 The main surface of the first semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN and mixed crystals thereof,
The main surface of the second semiconductor structure is formed of any one of GaN, AlGaN, InGaN, and a mixed crystal thereof. The method described in.
前記第1の半導体構造物の主面はN面であり、
当該方法は、前記第1の半導体構造物を前記第1の基板上に成長する前に、前記サファイア基板の表面を窒化する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項5〜請求項10のいずれか一項に記載された方法。 The first substrate is a sapphire substrate;
A main surface of the first semiconductor structure is an N surface;
The method of claim 5, further comprising nitriding a surface of the sapphire substrate before growing the first semiconductor structure on the first substrate. The method as described in any one.
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