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JP5488917B2 - Semiconductor surface light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP5488917B2 JP2010172585A JP2010172585A JP5488917B2 JP 5488917 B2 JP5488917 B2 JP 5488917B2 JP 2010172585 A JP2010172585 A JP 2010172585A JP 2010172585 A JP2010172585 A JP 2010172585A JP 5488917 B2 JP5488917 B2 JP 5488917B2
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Description

本発明は、半導体面発光素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor surface light emitting device and a method for manufacturing the same.

フォトニック結晶は、屈折率が周期的に変化するナノ構造体であり、これを通過する光の波長を制御することができる。次世代の半導体面発光素子として、2次元フォトニック結晶(以下2DPCと称す)を用いたフォトニック結晶面発光レーザ(以下PCSELと称す)が提案されている。PCSELは、その光学特性が微細構造の寸法・形状により決まり、材料に依らないという特徴を持ち、大面積・単一モード、2次元的な偏光制御、出射角度の制御といった、従来の半導体発光素子単体では実現困難な新しい特性を有し、高出力半導体レーザの可能性を切り拓くポテンシャルを有している。   A photonic crystal is a nanostructure whose refractive index changes periodically, and the wavelength of light passing through the nanostructure can be controlled. As a next generation semiconductor surface light emitting device, a photonic crystal surface emitting laser (hereinafter referred to as PCSEL) using a two-dimensional photonic crystal (hereinafter referred to as 2DPC) has been proposed. PCSEL has the characteristics that its optical characteristics are determined by the size and shape of the microstructure and does not depend on the material. Conventional semiconductor light emitting devices such as large area, single mode, two-dimensional polarization control, and emission angle control It has new characteristics that are difficult to realize by itself, and has the potential to open up the possibilities of high-power semiconductor lasers.

実際の2DPCの作製では、ウェハ貼合わせ技術を用いており、次の問題点(1)〜(3)を有している。
(1)大面積の2DPC作製が困難である。すなわち、貼合わせるウェハが反りを有している場合、ウェハ間にゴミがある場合、ウェハ表面に大きな凹凸がある場合などの場合には、これらのウェハを上手く貼り合わせることができない。
(2)2DPC層に空洞を含んでおり、結合係数κが大きく、大面積化に不向きである。その理由は、2DPC層に均一に光を分布させるために、電極長Lに対して面内方向の規格化結合係数κLを1〜2程度とすることが望ましいが、2DPC層に空洞を含む場合、κの値が1000cm−1以上の値となり、Lの値が数十μmに制限されるからである。
(3)貼り合わせられたウェハ間の界面に欠陥が形成されるため、寿命・信頼性に難点がある。
In actual production of 2DPC, a wafer bonding technique is used, and the following problems (1) to (3) are present.
(1) It is difficult to produce a large area 2DPC. That is, when the wafer to be bonded has a warp, when there is dust between the wafers, or when there are large irregularities on the wafer surface, these wafers cannot be bonded well.
(2) The 2DPC layer includes a cavity, has a large coupling coefficient κ, and is not suitable for increasing the area. The reason is that in order to distribute light uniformly in the 2DPC layer, the normalized coupling coefficient κL in the in-plane direction with respect to the electrode length L is preferably about 1 to 2, but the 2DPC layer includes a cavity. This is because the value of κ is a value of 1000 cm −1 or more, and the value of L is limited to several tens of μm.
(3) Since defects are formed at the interface between the bonded wafers, there are difficulties in life and reliability.

上記問題点を解決するための2DPC作製手段として、結晶再成長を利用する再成長型PCSELがあり、これには次の利点がある。
(1)大面積の2DPC作製が容易である。すなわち、再成長を用いた場合、結晶を貼り合わせる必要がない。
(2)2DPC層を完全に埋込んだ場合、その結合係数κはウェハを貼合せた場合の結合係数の1/10程度に小さくなるため、大面積化が容易である。
(3)2DPC層界面をエピ層で埋め込むため、欠陥が少なく、信頼性が改善する。
(4)2DPC層に空洞を含まないので、放熱性に優れ、大出力化に向いている。
As a 2DPC manufacturing means for solving the above problems, there is a regrowth type PCSEL utilizing crystal regrowth, and this has the following advantages.
(1) It is easy to produce a large area 2DPC. That is, when regrowth is used, there is no need to bond crystals.
(2) When the 2DPC layer is completely embedded, the coupling coefficient κ is reduced to about 1/10 of the coupling coefficient when the wafers are bonded, so that the area can be easily increased.
(3) Since the interface of the 2DPC layer is embedded with an epi layer, there are few defects and the reliability is improved.
(4) Since the 2DPC layer does not include cavities, it has excellent heat dissipation and is suitable for high output.

上記の観点から、高出力PCSELの実用化を目指す上では、再成長型PCSELが、貼り合わせ型のPCSELよりも優位である。   From the above viewpoint, the regrowth type PCSEL is superior to the bonded type PCSEL in aiming at the practical use of the high output PCSEL.

特許文献1は、結晶の再成長において空洞を生じないフォトニック結晶として、六角形の凸部を半導体層内に埋め込むことを提案している。この場合、凸部の主表面(0001)面に対して、側面を(1−100)面としている。   Patent Document 1 proposes that a hexagonal convex portion is embedded in a semiconductor layer as a photonic crystal that does not generate a cavity in crystal regrowth. In this case, the side surface is the (1-100) plane with respect to the main surface (0001) plane of the convex portion.

特許文献2では、極性面を有する(111)基板または、半極性面を有する(n11)基板(2≦n≦6が望ましい)を用いた閃亜鉛構造(zinc blendestructure)の結晶成長において、再成長埋込みを行っており、その手段としてラテラル成長を用いている。   In Patent Document 2, regrowth is performed in a zinc blendestructure crystal growth using a (111) substrate having a polar plane or an (n11) substrate having a semipolar plane (2 ≦ n ≦ 6 is desirable). Embedding is performed, and lateral growth is used as the means.

特開2009−206157号公報JP 2009-206157 A 特開2010−114384号公報JP 2010-114384 A

しかしながら、本願発明者らが閃亜鉛構造の半導体層に穴を開けて、穴内で結晶の再成長を行った場合、その上に形成される化合物半導体層の表面モフォロジーが十分でなく、結晶内部に大きな転位が発生していることを発見した。すなわち、形成された半導体層の結晶性は十分ではないため、半導体面発光素子の特性が十分ではない。   However, when the inventors of the present invention have made a hole in the zinc flash structure semiconductor layer and regrown the crystal in the hole, the surface morphology of the compound semiconductor layer formed thereon is not sufficient, and the crystal inside It was discovered that a large dislocation occurred. That is, since the crystallinity of the formed semiconductor layer is not sufficient, the characteristics of the semiconductor surface light emitting element are not sufficient.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特性が改善可能な半導体面発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the semiconductor surface light emitting element which can improve a characteristic, and its manufacturing method.

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体面発光素子は、閃亜鉛構造の第1化合物半導体からなる基本層内に複数の穴を周期的に形成し、前記穴内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体からなる埋め込み層を成長させてなるフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層に対して光を供給する活性層と、を備え、前記基本層の主表面は(001)面であり、前記穴の側面は、{110}面、又は、この面を前記主表面の法線に回りに±15度未満の回転角度で回転させた面を含んでおり、前記埋め込み層は、前記側面との界面である少なくとも1つの{110}面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±15度未満の回転角度で回転させた面から突出した凸部又は凹部を有していることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a semiconductor surface light emitting device according to the present invention is formed by periodically forming a plurality of holes in a basic layer made of a first compound semiconductor having a zinc flash structure, and having a zinc flash structure in the hole. A photonic crystal layer obtained by growing a buried layer made of a second compound semiconductor, and an active layer that supplies light to the photonic crystal layer, and the main surface of the basic layer is (001) A side surface of the hole includes a {110} plane, or a plane obtained by rotating the plane around a normal to the main surface at a rotation angle of less than ± 15 degrees, , At least one {110} plane that is an interface with the side surface, or a convex or concave portion that protrudes from a plane obtained by rotating these planes around the normal of the main surface at a rotation angle of less than ± 15 degrees It is characterized by having.

穴の側面が4つの異なる{110}面によって形成されている場合、(110)および(−1−10)の側面に垂直に成長した埋め込み層には(110)および(−1−10)Facetが出現し、これらのFacetが中央部で接触するとき、結晶に乱れが生じ、最終的な結晶性が劣化することが判明した。すなわち、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは荒れており、内部に多くの転位が発生している。また、穴の側面に(110)、(-1-10)を含む場合、再成長埋め込み過程の初期に現れるFacet(一例として(113)、(-1-13)、すなわち(113)A面)上で複数のFacetの競合が生じ、部分的に不均一に再成長される。この領域が転位形成の核となるという機構も存在する。   If the side surface of the hole is formed by four different {110} planes, the buried layer grown perpendicular to the (110) and (-1-10) side surfaces has (110) and (-1-10) Facet When these facets come into contact with each other at the center, it was found that the crystals were disturbed and the final crystallinity was deteriorated. That is, the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is rough, and many dislocations are generated inside. Further, when (110) and (−1-10) are included in the side surface of the hole, Facet that appears in the early stage of the regrowth embedding process (for example, (113), (−1-13), that is, (113) A surface) Multiple Facet competition occurs above and partially regrowth. There is also a mechanism that this region becomes the nucleus of dislocation formation.

一方、穴及び埋め込み層の側面形状が、本発明のものの場合、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは非常に良好であって、平坦性が高く、相対的に、内部で発生している転位量が減少していることが分かる。このように半導体層の結晶性が改善すると、温度や熱による耐性が高くなるため、寿命を増加させることができ、リーク電流や内部抵抗が低くなるため、発光効率を改善することが可能となる。すなわち、穴の形状を本発明のものとすることで、半導体面発光素子の特性を改善することができる。   On the other hand, in the case where the side surface shape of the hole and the buried layer is that of the present invention, the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is very good, and the flatness is high. It can be seen that the amount of dislocations generated has decreased. When the crystallinity of the semiconductor layer is improved in this manner, the durability due to temperature and heat increases, so that the lifetime can be increased, and the leakage current and internal resistance are reduced, so that the light emission efficiency can be improved. . That is, the characteristics of the semiconductor surface light emitting device can be improved by setting the shape of the hole to that of the present invention.

また、前記第1化合物半導体はGaAsであり、前記第2化合物半導体はAlGaAsである。これらの閃亜鉛構造の化合物半導体を用いた場合、材料特性がよく知られているので、その形成が容易である。   The first compound semiconductor is GaAs, and the second compound semiconductor is AlGaAs. When these zinc-blende compound semiconductors are used, the material characteristics are well known, and the formation thereof is easy.

なお、上述の半導体面発光素子を製造する半導体面発光素子の製造方法は、前記穴を形成する工程と、前記埋め込み層の成長を行う工程と、を備えることを特徴とする。なお、前記成長を行う工程の前に、エッチングにより{110}面、又は{110}を前記主表面の法線回りに±10度以内の回転角度で回転させた面を含むアライメントマークを、前記基本層の形成される半導体基板に形成する工程を含んでも良い。この方法によれば、上述の素子を形成する場合において、前記アライメントマークの再成長層に転位が形成されることで再成長表面が荒れ、光学露光の基準位置として利用することができる。   In addition, the manufacturing method of the semiconductor surface light emitting element for manufacturing the above-described semiconductor surface light emitting element includes a step of forming the hole and a step of growing the buried layer. In addition, before the step of performing the growth, an alignment mark including a {110} plane or a plane obtained by rotating {110} by a rotation angle within ± 10 degrees around the normal of the main surface by etching, You may include the process of forming in the semiconductor substrate in which a base layer is formed. According to this method, when the above-described element is formed, the regrowth surface is roughened by forming dislocations in the regrowth layer of the alignment mark, and can be used as a reference position for optical exposure.

本発明の半導体面発光素子及びその製造方法によれば、これを構成する半導体層の結晶性が改善されているため、発光出力や寿命などの特性を改善することが可能となる。   According to the semiconductor surface light emitting device and the manufacturing method thereof of the present invention, since the crystallinity of the semiconductor layer constituting the semiconductor surface light emitting device is improved, it is possible to improve characteristics such as light emission output and life.

半導体面発光素子を一部破断して示す半導体面発光素子の斜視図である。It is a perspective view of the semiconductor surface light emitting element which shows a semiconductor surface light emitting element partially broken. ウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。It is a top view of basic layer 6A formed on the wafer. ウェハの正面図である。It is a front view of a wafer. 穴の形状を示す図である。It is a figure which shows the shape of a hole. 穴の形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真(A)及び半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真(B)を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph (A) of basic layer 6A in which the hole was formed, and the optical micrograph (B) of the surface of the semiconductor layer located in the outermost surface side of a semiconductor surface light emitting element. 穴の形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真(A)及び半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真(B)を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph (A) of basic layer 6A in which the hole was formed, and the optical micrograph (B) of the surface of the semiconductor layer located in the outermost surface side of a semiconductor surface light emitting element. 穴の形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真(A)及び半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真(B)を示す図である。It is a figure which shows the electron micrograph (A) of basic layer 6A in which the hole was formed, and the optical micrograph (B) of the surface of the semiconductor layer located in the outermost surface side of a semiconductor surface light emitting element. 穴の形状の詳細構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of the shape of a hole. 半導体面発光素子の断面図である。It is sectional drawing of a semiconductor surface light emitting element. 第1比較例に係るウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。It is a top view of basic layer 6A formed on the wafer concerning the 1st comparative example. 第1比較例に係る基本層の表面写真及び半導体面発光素子の断面写真を示す図である。FIG. 3 is a view showing a surface photograph of a basic layer and a cross-sectional photograph of a semiconductor surface light emitting device according to a first comparative example. 第1比較例に係る半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真を示す図である。FIG. 4 is a view showing an optical micrograph of the surface of a semiconductor layer located on the outermost surface side of the semiconductor surface light emitting device according to the first comparative example. 結晶性の劣化の状態を説明する図である。It is a figure explaining the state of deterioration of crystallinity. 第2比較例に係る基本層の表面写真及び半導体面発光素子の断面写真を示す図である。It is a figure which shows the surface photograph of the basic layer which concerns on a 2nd comparative example, and the cross-sectional photograph of a semiconductor surface light emitting element. 第2比較例に係る半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真を示す図である。It is a figure which shows the optical microscope photograph of the surface of the semiconductor layer located in the outermost surface side of the semiconductor surface light emitting element which concerns on a 2nd comparative example. 様々な穴の形状について示す図である。It is a figure shown about the shape of various holes. 様々な穴の形状について示す図である。It is a figure shown about the shape of various holes. フォトニック結晶層の第1の製造方法について説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a first manufacturing method of a photonic crystal layer. フォトニック結晶層の第2の製造方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd manufacturing method of a photonic crystal layer.

以下、実施の形態に係る半導体面発光素子及びその製造方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the semiconductor surface light emitting device and the manufacturing method thereof according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1は、半導体面発光素子を一部破断して示す半導体面発光素子の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor surface light emitting device, with the semiconductor surface light emitting device partially cut away.

半導体面発光素子は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3、活性層4、上部光ガイド層5、フォトニック結晶層6、上部クラッド層7、コンタクト層8を備えている。半導体基板1の裏面側には、電極E1が全面に設けられており、コンタクト層8の中央部には電極E2が設けられている。   The semiconductor surface light emitting device includes a lower clad layer 2, a lower light guide layer 3, an active layer 4, an upper light guide layer 5, a photonic crystal layer 6, an upper clad layer 7, and a contact layer 8 that are sequentially formed on a semiconductor substrate 1. It has. On the back side of the semiconductor substrate 1, an electrode E <b> 1 is provided on the entire surface, and an electrode E <b> 2 is provided in the center portion of the contact layer 8.

これらの化合物半導体層の材料/厚みは以下の通りである。なお、導電型の記載のないものは不純物濃度が1015/cm以下の真性半導体である。なお、不純物が添加されている場合の濃度は、1017〜1020/cmである。また、下記は本実施の形態の一例であって、活性層4およびフォトニック結晶層6を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。なお、括弧内の数値は、後述の実験で用いた数値であり、MOCVD法によるAlGaAsの成長温度は500℃〜850℃であって、実験では550〜700℃を採用し、成長時におけるAl原料としてTMA(トリメチルアルミニム)、ガリウム原料としてTMG(トリメチルガリウム)およびTEG(トリエチルガリウム)、As原料としてはAsH3(アルシン)、N型不純物用の原料としてSi26(ジシラン)、P型不純物用の原料としてDEZn(ジエチル亜鉛)を用いた。
・コンタクト層8:P型のGaAs/50〜500nm(200nm)
・上部クラッド層7:P型のAlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/1.0〜3.0μm(2.0μm)
・フォトニック結晶層6:
基本層6A:GaAs/50〜200nm(100nm)
埋め込み層6B:AlGaAs(Al0.4Ga0.6As)/50〜200nm(100nm)
・上部光ガイド層5:
上層:GaAs/10〜200nm(50nm)
下層:p型または真性のAlGaAs/10〜100nm(50nm)
・活性層4(多重量子井戸構造):
AlGaAs/InGaAs MQW/10〜100nm(30nm)
・下部光ガイド層3:AlGaAs/0〜300nm(150nm)
・下部クラッド層2:N型のAlGaAs/1.0〜3.0μm(2.0μm)
・半導体基板1:N型のGaAs/80〜350μm(150μm)
The materials / thicknesses of these compound semiconductor layers are as follows. Note that an intrinsic semiconductor having an impurity concentration of 10 15 / cm 3 or less has no conductivity type. In addition, the density | concentration when an impurity is added is 10 < 17 > -10 < 20 > / cm < 3 >. Further, the following is an example of the present embodiment, and any structure including the active layer 4 and the photonic crystal layer 6 has a degree of freedom in the material system, film thickness, and layer configuration. The numerical values in parentheses are those used in the experiments described later, the growth temperature of AlGaAs by MOCVD is 500 ° C. to 850 ° C., 550 to 700 ° C. is adopted in the experiments, and the Al raw material during growth TMA (trimethylaluminum) as the gallium source, TMG (triethylgallium) as the gallium source, AsH 3 ( arsine) as the As source, Si 2 H 6 (disilane) as the source for the N-type impurity, P type DEZn (diethyl zinc) was used as a raw material for impurities.
Contact layer 8: P-type GaAs / 50 to 500 nm (200 nm)
Upper clad layer 7: P-type AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) /1.0 to 3.0 μm (2.0 μm)
Photonic crystal layer 6:
Basic layer 6A: GaAs / 50 to 200 nm (100 nm)
Buried layer 6B: AlGaAs (Al 0.4 Ga 0.6 As) / 50 to 200 nm (100 nm)
Upper light guide layer 5:
Upper layer: GaAs / 10-200 nm (50 nm)
Lower layer: p-type or intrinsic AlGaAs / 10 to 100 nm (50 nm)
Active layer 4 (multiple quantum well structure):
AlGaAs / InGaAs MQW / 10 to 100 nm (30 nm)
Lower light guide layer 3: AlGaAs / 0 to 300 nm (150 nm)
Lower clad layer 2: N-type AlGaAs / 1.0 to 3.0 μm (2.0 μm)
Semiconductor substrate 1: N-type GaAs / 80 to 350 μm (150 μm)

上下の電極E1,E2間に電流を流すと、電極E2の直下の領域Rを電流が流れ、この領域が発光して、レーザ光LBが基板に垂直な方向に向かって出力される。   When a current is passed between the upper and lower electrodes E1, E2, a current flows in a region R immediately below the electrode E2, this region emits light, and the laser beam LB is output in a direction perpendicular to the substrate.

図2は、ウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。なお、平面図では、理解の明確化を目的として、実際のスケールよりも格段に大きく、複数の穴Hを記載しており、また、その数も実際よりは少ない。また、図3は、ウェハの正面図である。   FIG. 2 is a plan view of the basic layer 6A formed on the wafer. In the plan view, for the purpose of clarifying the understanding, a plurality of holes H are described which are much larger than the actual scale, and the number thereof is smaller than the actual scale. FIG. 3 is a front view of the wafer.

ウェハ(基板)の主表面は(001)面であり、同図では、基本層6Aの主表面(001)が表面に露出している状態が示されている。なお、閃亜鉛構造の結晶のa軸、b軸、c軸は、それぞれX軸、Y軸、Z軸として、図面に示されている。X軸、Y軸、Z軸の方向は、それぞれ[100]、[010]、 [001]である。   The main surface of the wafer (substrate) is the (001) plane, and in the drawing, the main surface (001) of the basic layer 6A is exposed on the surface. The a-axis, b-axis, and c-axis of the zinc-blende structure crystal are shown in the drawing as the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively. The directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis are [100], [010], and [001], respectively.

ウェハの一端には、オリエンテーションフラット(以下、オリフラと称す)OFが形成されており、オリフラOFは[110]方向に垂直である。オリフラOFは(−1−10)面を有している。基本層6Aには、複数の穴H(H1〜H10)が形成されており、それぞれの穴Hは、半導体基板の厚み方向に深さを有する。   An orientation flat (hereinafter referred to as orientation flat) OF is formed at one end of the wafer, and the orientation flat OF is perpendicular to the [110] direction. The orientation flat OF has a (-1-10) plane. A plurality of holes H (H1 to H10) are formed in the basic layer 6A, and each hole H has a depth in the thickness direction of the semiconductor substrate.

穴Hの平面形状における輪郭は、長方形の一辺に凸部を結合させ、凸部に対向する一辺を膨らませた形状であり、長方形の各辺はオリフラOFの延びた方向[1−10]又は[110]に対して平行である。すなわち、凸部以外の穴Hの5つの側面は、それぞれ、(−1−10)面、(−110)面、(1−10)面、(h1k10)面、(h2k20)面を有している。なお、結晶学的に等価な面として、(110)面、(−110)面、(1−10)面は、{110}面として表すことができる。   The outline of the hole H in the planar shape is a shape in which a convex portion is coupled to one side of the rectangle and the one side facing the convex portion is expanded, and each side of the rectangle has a direction [1-10] or [ 110]. That is, the five side surfaces of the hole H other than the convex portion have a (−1-10) plane, a (−110) plane, a (1-10) plane, a (h1k10) plane, and a (h2k20) plane, respectively. Yes. As crystallographically equivalent planes, the (110) plane, the (−110) plane, and the (1-10) plane can be represented as {110} planes.

平面内における穴Hの重心位置は、[1-10]方向に沿って、等間隔に並んでおり、また、[110]方向に沿っても等間隔に沿って並んでいる。同図では前者の間隔(例えばH1とH2の間)が、後者の間隔(例えばH1とH6の間)より短い場合が示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。また、前者の間隔(例えばH1とH2の間)の中点位置の[110]方向に沿った延長線上に、別の穴H4が位置する配置になっている。   The gravity center positions of the holes H in the plane are arranged at equal intervals along the [1-10] direction, and are also arranged at equal intervals along the [110] direction. In the drawing, the case where the former interval (for example, between H1 and H2) is shorter than the latter interval (for example, between H1 and H6) is shown, but the present invention is not limited to this. Further, another hole H4 is arranged on an extension line along the [110] direction of the midpoint position of the former interval (for example, between H1 and H2).

なお、実施の形態における穴Hの重心の[1-10]方向の間隔は、335nmであり、[110]方向の間隔は、580nmである。また、穴の形状は長方形を含むものであって、この長方形を構成する2辺の長さは120nm、100nm、面積は1.2×10nmである。なお、穴Hの重心位置を結ぶ線群は、正方格子、長方格子、三角格子を構成することができ、ランダムな配置であってもよい。 In the embodiment, the interval in the [1-10] direction of the center of gravity of the hole H is 335 nm, and the interval in the [110] direction is 580 nm. The shape of the hole includes a rectangle, and the lengths of two sides constituting the rectangle are 120 nm and 100 nm, and the area is 1.2 × 10 4 nm 2 . In addition, the line group which connects the gravity center position of the hole H can comprise a square lattice, a rectangular lattice, and a triangular lattice, and may be a random arrangement | positioning.

図1に示した埋め込み層6Bは、基本層6Aの穴Hの内部に埋め込まれるため、その側面は穴Hの側面に接触し、その面方位は、穴Hの側面の面方位に一致している。   Since the buried layer 6B shown in FIG. 1 is buried in the hole H of the basic layer 6A, its side surface is in contact with the side surface of the hole H, and its plane orientation matches the plane orientation of the side surface of the hole H. Yes.

このように、上述の半導体面発光素子は、閃亜鉛構造の第1化合物半導体(GaAs)からなる基本層6A内に複数の穴Hを周期的に形成し、穴H内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体(AlGaAs)からなる埋め込み層6Bを成長させてなるフォトニック結晶層6を備えている。もちろん、フォトニック結晶を構成するため、第1化合物半導体と、第2化合物半導体の屈折率は異なる。   As described above, the above-described semiconductor surface light-emitting device has a plurality of holes H periodically formed in the basic layer 6A made of the first compound semiconductor (GaAs) having the zinc flash structure, and the zinc H structure having the zinc flash structure. A photonic crystal layer 6 formed by growing a buried layer 6B made of a second compound semiconductor (AlGaAs) is provided. Of course, since the photonic crystal is formed, the refractive index of the first compound semiconductor is different from that of the second compound semiconductor.

図4は、穴の形状を示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing the shape of the hole.

図4(A)に示す設計値としての穴Hは、長方形部HAと、長方形部HAの一辺から突出した凸部HBと、この一辺に対向する一辺から逆方向に突出した凸部HCとを備えている。長方形HAの4辺をそれぞれ含む穴Hの側面は、{110}面から構成される。凸部HBの一辺からの突出距離(本例では50nm)は、凸部HCの突出距離(本例では20nm)よりも短い。本例における長方形の各辺の長さは全て100nmであって、この穴Hは正方形を構成している。   The hole H as a design value shown in FIG. 4A includes a rectangular portion HA, a convex portion HB protruding from one side of the rectangular portion HA, and a convex portion HC protruding in the opposite direction from one side facing the one side. I have. The side surface of the hole H including each of the four sides of the rectangle HA is composed of {110} planes. The protrusion distance from one side of the protrusion HB (50 nm in this example) is shorter than the protrusion distance of the protrusion HC (20 nm in this example). The length of each side of the rectangle in this example is 100 nm, and the hole H forms a square.

図4(B)に示す実際の穴Hは、基本層の凸部を崩して、長方形部HAに対応した本体部HA1に、凸部HBに対応した凸部HB1と、凸部HCに対応した凸部HC1とが結合した形状を有している。換言すれば、埋め込み層6Bは、本体部HA1及び凸部HB1,HC1を有している。本体部HA1の対向する2側面は[1−10]に垂直であって、(1−10)面、(−110)面を有しており、残りの面は、[110]に垂直な(-110)面を有している。本体部HA1の(1−10)面と(−110)面との間の距離は、本例では120nmである。凸部HB1の一辺(110)からの突出距離S1は、凸部HC1の突出距離S2よりも短い。結晶成長においてS1の値の好適範囲は15nm以上である。なお、S2はゼロであってもよい。なぜなら、S1の効果により、図13を用いて説明する(-1-10)に起因する転位発生機構が半減するため、発生する転位が半減するからである。結晶成長においてS2の値の好適範囲は0nm以上である。なお、穴Hの形状はS1とS2が上下逆であってもよく、凸部を凹部としてもよい。また、凸部および凹部は任意の{110}の上に複数存在してもよい。この凹部を形成した場合においても、凸部の場合と同様に、転位発生機構が抑制とされるものと考えられる。   The actual hole H shown in FIG. 4B breaks the convex portion of the basic layer, corresponds to the main body portion HA1 corresponding to the rectangular portion HA, the convex portion HB1 corresponding to the convex portion HB, and the convex portion HC. The convex portion HC1 has a combined shape. In other words, the buried layer 6B has a main body HA1 and convex portions HB1 and HC1. Two opposing side surfaces of the main body HA1 are perpendicular to [1-10] and have (1-10) plane and (−110) plane, and the remaining planes are perpendicular to [110] ( -110) plane. In this example, the distance between the (1-10) plane and the (−110) plane of the main body HA1 is 120 nm. The protruding distance S1 from one side (110) of the convex portion HB1 is shorter than the protruding distance S2 of the convex portion HC1. In crystal growth, the preferable range of the value of S1 is 15 nm or more. Note that S2 may be zero. This is because, due to the effect of S1, the dislocation generation mechanism resulting from (-1-10) described with reference to FIG. 13 is halved, and the generated dislocation is halved. In crystal growth, the preferred range of the value of S2 is 0 nm or more. In addition, as for the shape of the hole H, S1 and S2 may be upside down, and it is good also considering a convex part as a recessed part. Further, a plurality of convex portions and concave portions may exist on an arbitrary {110}. Even when this concave portion is formed, it is considered that the dislocation generation mechanism is suppressed as in the case of the convex portion.

上述の半導体面発光素子を形成して評価した。なお、説明おいて、電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた。断面SEM像は、断面を、アンモニア過水を用いてステインエッチしてから撮影した。   The above-described semiconductor surface light emitting device was formed and evaluated. In the description, a scanning electron microscope (SEM) was used as the electron microscope. The cross-sectional SEM image was taken after the cross-section was stain-etched with ammonia perwater.

図5〜図7は、穴Hの形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真(A)及び半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層(コンタクト層)の表面の光学顕微鏡写真(B)を示す図である。   5 to 7 are an electron micrograph (A) of the basic layer 6A in which the hole H is formed and an optical micrograph (B) of the surface of the semiconductor layer (contact layer) located on the outermost surface side of the semiconductor surface light emitting device. FIG.

なお、図5の場合の本体部HA1(図4参照)の[110]方向長は100nmであり、[1-10]方向長は120nmであり、凸部HB1の[110]方向長は15nmであり、[1-10]方向長は40nmであり、凸部HC1の[110]方向長は15nmであり、[1-10]方向長は60nmである。   5, the [110] direction length of the main body HA1 (see FIG. 4) is 100 nm, the [1-10] direction length is 120 nm, and the [110] direction length of the convex portion HB1 is 15 nm. Yes, the [1-10] direction length is 40 nm, the [110] direction length of the convex portion HC1 is 15 nm, and the [1-10] direction length is 60 nm.

なお、図6の場合の本体部HA1(図4参照)の[110]方向長は100nmであり、[1-10]方向長は120nmであり、凸部HB1の[110]方向長は30nmであり、[1-10]方向長は40nmであり、凸部HC1の[110]方向長は20nmであり、[1-10]方向長は60nmである。   In addition, the [110] direction length of the main body HA1 (see FIG. 4) in the case of FIG. 6 is 100 nm, the [1-10] direction length is 120 nm, and the [110] direction length of the convex portion HB1 is 30 nm. Yes, the [1-10] direction length is 40 nm, the [110] direction length of the protrusion HC1 is 20 nm, and the [1-10] direction length is 60 nm.

なお、図7の場合の本体部HA1(図4参照)の[110]方向長は100nmであり、[1-10]方向長は120nmであり、凸部HB1の[110]方向長は40nmであり、[1-10]方向長は50nmであり、凸部HC1の[110]方向長は30nmであり、[1-10]方向長は50nmである。   In addition, the [110] direction length of the main body HA1 (see FIG. 4) in the case of FIG. 7 is 100 nm, the [1-10] direction length is 120 nm, and the [110] direction length of the convex portion HB1 is 40 nm. Yes, the [1-10] direction length is 50 nm, the [110] direction length of the convex portion HC1 is 30 nm, and the [1-10] direction length is 50 nm.

なお、以下の説明では、FFは、Filling Factorを示す。Filling Factorは、フォトニック結晶の大きさを測る指標で、2次元構造の単位周期の面積に対するフォトニック結晶形状の占める面積(穴の面積)の割合である。以下の例では、2次元構造の単位周期あたりの長さa(格子定数)([1-10]方向の長さ)は335nmである。   In the following description, FF represents Filling Factor. The Filling Factor is an index for measuring the size of the photonic crystal, and is the ratio of the area occupied by the photonic crystal shape (hole area) to the area of the unit period of the two-dimensional structure. In the following example, the length a (lattice constant) per unit period of the two-dimensional structure (length in the [1-10] direction) is 335 nm.

図5はFFが12.5%の場合を示し、図6はFFが14.5%の場合を示し、図7はFFが16.7%の場合を示している。いずれの場合も、凸部が比較例(図11、図12、図14、図15)のものよりは良好なモフォロジーと結晶性が得られているが、FFが増加するに伴って、表面モフォロジーが更に改善している。したがって、FFは12.5%以上が好ましく、凸部HB1の[110]方向長は15nm以上,または、凸部HB1、凸部HC1によるFFの増分の合計が1%以上であることが好ましい。仮に、凹部を凸部に代えて設ける場合には、その[110]方向長は15nm以上、または、全ての凹部によるFFの増分の合計が1%以上であることが好ましい。なお、凸部又は凹部の突出量又は引っ込み量は、それぞれを除いた本体部の最大径を超えないことが好ましい。   FIG. 5 shows a case where FF is 12.5%, FIG. 6 shows a case where FF is 14.5%, and FIG. 7 shows a case where FF is 16.7%. In any case, the protrusions have better morphology and crystallinity than those of the comparative examples (FIGS. 11, 12, 14, and 15), but the surface morphology is increased as the FF increases. Is further improved. Therefore, the FF is preferably 12.5% or more, and the [110] direction length of the protrusion HB1 is preferably 15 nm or more, or the total of the FF increments by the protrusion HB1 and the protrusion HC1 is preferably 1% or more. If the concave portion is provided instead of the convex portion, the length in the [110] direction is preferably 15 nm or more, or the total FF increment by all the concave portions is preferably 1% or more. In addition, it is preferable that the protrusion amount or retraction amount of a convex part or a recessed part does not exceed the maximum diameter of the main-body part except each.

図8は、穴Hの形状の詳細構成を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing a detailed configuration of the shape of the hole H.

穴H内の埋め込み層6Bは、本体部HA1と、凸部HB1と、凸部HC1を有している。XY平面内において、穴Hの輪郭に外接する多角形(10角形)を設定する。各辺は、(-110)面から左周りに、(-1-10)面、(h6k60)面、(h5k50)面、(h4k40)面、(h3k30)面、(-1-10)面、(1-10)面、(h1k10)面、(h2k20)面を有している。h1〜h6、k1〜k6は、面方位を表す適当なミラー指数の値である。本体部HA1の形状は四角形であり、   The buried layer 6B in the hole H includes a main body HA1, a convex portion HB1, and a convex portion HC1. A polygon (decagon) circumscribing the outline of the hole H is set in the XY plane. Each side has a (-1-10) plane, (h6k60) plane, (h5k50) plane, (h4k40) plane, (h3k30) plane, (-1-10) plane, counterclockwise from the (-110) plane, It has a (1-10) plane, a (h1k10) plane, and a (h2k20) plane. h1 to h6 and k1 to k6 are values of appropriate Miller indices representing plane orientations. The main body HA1 has a quadrangular shape,

埋め込み層6Bにおいて、(hkl)面からの離隔距離が20nm以下のXY平面内の対応辺の合計長さLが、外接する多角形の対応辺の長さの50%以上であって、この条件を満たす辺の連続長が10nm以上の場合、埋め込み層6Bの側面は、(hkl)面を含むこととする。また、埋め込み層6Bの側面が複数の凸部を有する場合、これらの凸部間には凹部が形成されており、この場合には凹部における最深部を結んだ線分(群)を、埋め込み層6Bの側面と見なして、これに外接する多角形の対応辺(hkl)との関係が、上述の関係を満たす場合には、埋め込み層6Bのこの側面は、(hkl)面を含むこととする。   In the buried layer 6B, the total length L of the corresponding sides in the XY plane whose separation distance from the (hkl) plane is 20 nm or less is 50% or more of the length of the corresponding sides of the circumscribed polygon. When the continuous length of the side that satisfies the above is 10 nm or more, the side surface of the buried layer 6B includes the (hkl) plane. When the side surface of the buried layer 6B has a plurality of convex portions, concave portions are formed between the convex portions. In this case, a line segment (group) connecting the deepest portions in the concave portions is used as the buried layer. When the relation with the corresponding side (hkl) of the polygon circumscribing it is considered as the side face of 6B, the side face of the buried layer 6B includes the (hkl) face. .

すなわち、例えば、(hkl)面が(-110)面である場合、本体部HA1に外接する多角形の図の対角線との交点P1,P2間の長さが、外接多角形の(-110)面を含む辺の長さL1の50%以上であって、上記連続長の条件を満たす場合、本体部HA1は、(-110)面を含むこととする。   That is, for example, when the (hkl) plane is the (−110) plane, the length between the intersection points P1 and P2 with the diagonal line of the polygon circumscribing the main body HA1 is (−110) of the circumscribed polygon. When the length of the side including the surface is 50% or more of the length L1 and the condition for the continuous length is satisfied, the main body HA1 includes the (−110) surface.

例えば、(hkl)面が(1-10)面である場合、本体部HA1に外接する多角形の図の対角線との交点P3,P6間の長さが、外接多角形の(1-10)面を含む辺の長さL1の50%以上であって、上記連続長の条件を満たす場合、本体部HA1は、(1-10)面を含むこととする。   For example, when the (hkl) plane is the (1-10) plane, the length between the intersection points P3 and P6 with the diagonal line of the polygon circumscribing the main body HA1 is (1-10) of the circumscribed polygon. When the length of the side including the surface is 50% or more of the length L1 and the condition for the continuous length is satisfied, the main body HA1 includes the (1-10) surface.

同様に、例えば、(hkl)面が図の左側の(-1-10)面である場合、本体部HA1に外接する多角形の図の対角線との交点P3,P4間の長さが、外接多角形の左側の(-1-10)面を含む辺の長さL3の50%以上であって、上記連続長の条件を満たす場合、本体部HA1は、(-1-10)面を含むこととする。   Similarly, for example, when the (hkl) plane is the (−1-10) plane on the left side of the drawing, the length between the intersection points P3 and P4 with the diagonal line of the polygon drawing circumscribing the main body HA1 is When the length L3 of the side including the (−1-10) plane on the left side of the polygon is 50% or more and the condition for the continuous length is satisfied, the main body HA1 includes the (−1-10) plane. I will do it.

同様に、例えば、(hkl)面が図の右側の(-1-10)面である場合、本体部HA1に外接する多角形の図の対角線との交点P5,P1間の長さが、外接多角形の右側の(-1-10)面を含む辺の長さL4の50%以上であって、上記連続長の条件を満たす場合、本体部HA1は、(-1-10)面を含むこととする。また、L3とL4に対応する辺は(−1−10)面に含まれ、L3+L4<L2×50%である。   Similarly, for example, when the (hkl) plane is the (−1-10) plane on the right side of the drawing, the length between the intersection points P5 and P1 with the diagonal line of the polygon drawing circumscribing the main body HA1 is When the length L4 of the side including the (−1-10) plane on the right side of the polygon is 50% or more and the condition of the continuous length is satisfied, the main body HA1 includes the (−1-10) plane. I will do it. The sides corresponding to L3 and L4 are included in the (-1-10) plane, and L3 + L4 <L2 × 50%.

なお、外接多角形の対向する{110}面間の距離、すなわち、(1−10)面と(−110)面間の距離はL2であり、L2は例えば120nmである。   The distance between the opposing {110} faces of the circumscribed polygon, that is, the distance between the (1-10) face and the (−110) face is L2, and L2 is 120 nm, for example.

図9は、半導体面発光素子の断面図である。本例は、オリフラに平行な断面を示している。   FIG. 9 is a cross-sectional view of a semiconductor surface light emitting device. This example shows a cross section parallel to the orientation flat.

上述のように、半導体面発光素子は、半導体基板1上に順次形成された下部クラッド層2、下部光ガイド層3、活性層4、上部光ガイド層5、フォトニック結晶層6、上部クラッド層7、コンタクト層8を備えている。ここで、活性層4は、フォトニック結晶層6に対して光を供給するものであり、上下の半導体層4A,4Cと、これらに挟まれた中央の半導体層4Bとを有している。これらのエネルギーバンドギャップの関係は、通常のレーザと同じであり、4BのQW(量子井戸)層を4A、4Cのガイド層で挟んだ多重量子井戸構造となるように設定されている。フォトニック結晶層6は、光の共振によってレーザ光を生成するために用いられる。すなわち、この半導体面発光素子は、フォトニック結晶面発光レーザであるが、レーザ発振が起きなければ当該構造は、発光ダイオードとして用いることもできる。   As described above, the semiconductor surface light emitting device includes the lower cladding layer 2, the lower light guide layer 3, the active layer 4, the upper light guide layer 5, the photonic crystal layer 6, and the upper cladding layer that are sequentially formed on the semiconductor substrate 1. 7 and a contact layer 8 are provided. Here, the active layer 4 supplies light to the photonic crystal layer 6, and includes upper and lower semiconductor layers 4A and 4C and a central semiconductor layer 4B sandwiched between them. The relationship of these energy band gaps is the same as that of a normal laser, and is set so as to have a multiple quantum well structure in which a 4B QW (quantum well) layer is sandwiched between 4A and 4C guide layers. The photonic crystal layer 6 is used to generate laser light by light resonance. That is, this semiconductor surface light emitting device is a photonic crystal surface emitting laser, but if the laser oscillation does not occur, the structure can be used as a light emitting diode.

なお、各穴Hは、{110}側面に対して傾斜した傾斜面F3、F4を有していてもよく、F3、F4は曲面でもよい。   Each hole H may have inclined surfaces F3 and F4 inclined with respect to the {110} side surfaces, and F3 and F4 may be curved surfaces.

図10は、第1比較例に係るウェハ上に形成された基本層6Aの平面図である。図1〜図9において示した半導体面発光素子を実施例とすると、第1比較例の素子は、穴Hの形状のみが、実施例と異なる。すなわち、穴Hの側面は、それぞれ、{110}面のみによって構成されている。詳説すれば、それぞれの側面は、(110)、(1-10)、(-1-10)、(-110)である。   FIG. 10 is a plan view of the basic layer 6A formed on the wafer according to the first comparative example. Assuming that the semiconductor surface light emitting device shown in FIGS. 1 to 9 is an example, the element of the first comparative example is different from the example only in the shape of the hole H. That is, the side surfaces of the holes H are each constituted only by {110} planes. More specifically, the respective sides are (110), (1-10), (-1-10), and (-110).

図11は、第1比較例に係る穴の形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真を示す図である。   FIG. 11 is a view showing an electron micrograph of the basic layer 6A in which holes are formed according to the first comparative example.

図11(A)は、穴Hの平面写真を示しており、正方形の穴Hが示されている。図11(B)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成前)の断面像を示しており、図11(C)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成前)の断面像を示している。図11(D)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成後)の断面像を示しており、図11(E)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成後)の断面像を示している。   FIG. 11A shows a plan photograph of the hole H, and the square hole H is shown. FIG. 11B shows a cross-sectional image of the basic layer cut before the orientation flat parallel direction (before formation of the buried layer), and FIG. 11C shows the basic layer cut along the orientation flat parallel direction (embedded layer). A cross-sectional image before layer formation) is shown. FIG. 11D shows a cross-sectional image of the basic layer cut after the orientation flat parallel direction (after formation of the buried layer), and FIG. 11E shows the basic layer cut along the parallel orientation direction of the orientation flat (embedded layer). The cross-sectional image after layer formation is shown.

埋め込み工程は、上部クラッド層を形成するまで続けられ、その後、コンタクト層を形成する。これらの埋め込み層及び上部クラッド層には、大きな転位は観察され(図11(D),図11(E)参照)、結晶性が良好ではないことを示している。   The filling process is continued until the upper cladding layer is formed, and then the contact layer is formed. Large dislocations are observed in these buried layers and the upper cladding layer (see FIGS. 11D and 11E), indicating that the crystallinity is not good.

図12は、第1比較例に係る半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層(コンタクト層)の表面の光学顕微鏡写真を示す図である。   FIG. 12 is a view showing an optical micrograph of the surface of the semiconductor layer (contact layer) located on the outermost surface side of the semiconductor surface light emitting device according to the first comparative example.

コンタクト層の表面は荒れており、モフォロジーが悪く、数多くの凹凸が観察される。これは、内部において結晶性が劣っていることを間接的に示している。   The surface of the contact layer is rough, the morphology is bad, and many irregularities are observed. This indirectly indicates that the crystallinity is poor inside.

このように、穴の側面が4つの異なる{110}面によって形成されている場合、結晶性が低いことが判明した。この原理について考察する。   Thus, it was found that the crystallinity is low when the side surface of the hole is formed by four different {110} planes. Consider this principle.

図13は、結晶性劣化の概念を示す図である。   FIG. 13 is a diagram showing the concept of crystallinity degradation.

第1比較例において、(110)および(−1−10)の側面に垂直に成長した埋め込み層には(110)および(−1−10)Facetが出現し(A)、結晶成長の進行に伴い、これらのFacetが中央部で接触するとき、結晶に乱れが生じ(B)、最終的な結晶性が劣化することが判明した。すなわち、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは荒れており、内部に多くの転位が発生している。また、穴の側面に(110)、(-1-10)を含む場合、再成長埋め込み過程の初期に現れるFacet(一例として(113)、(-1-13)、すなわち(113)A面)上で複数のFacetの競合が生じ、部分的に不均一に再成長される。この領域が転位形成の核となるという機構も存在する。   In the first comparative example, (110) and (-1-10) Facets appear in the buried layer grown perpendicularly to the side surfaces of (110) and (-1-10) (A), and the crystal growth proceeds. Accordingly, it was found that when these facets come into contact with each other at the center, the crystals are disturbed (B) and the final crystallinity is deteriorated. That is, the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is rough, and many dislocations are generated inside. Further, when (110) and (−1-10) are included in the side surface of the hole, Facet that appears in the early stage of the regrowth embedding process (for example, (113), (−1-13), that is, (113) A surface) Multiple Facet competition occurs above and partially regrowth. There is also a mechanism that this region becomes the nucleus of dislocation formation.

一方、本発明では、基本層6Aの主表面は(001)面であって、埋め込み層6Bの側面(穴Hとの界面)は、{110}面から突出した凸部HB1を有している。したがって、上述の(110)、(-1-10)に起因する転位形成の機構が抑制されるため、結晶性が良好となると考えられる。   On the other hand, in the present invention, the main surface of the basic layer 6A is the (001) plane, and the side surface (interface with the hole H) of the buried layer 6B has the protrusion HB1 protruding from the {110} plane. . Therefore, the dislocation formation mechanism due to the above (110) and (−1-10) is suppressed, and it is considered that the crystallinity is improved.

また、穴Hの形状を円形とした場合についても、実験を行った。   An experiment was also performed when the shape of the hole H was circular.

図14は、第2比較例に係る穴の形成された基本層6Aの電子顕微鏡写真を示す図である。第1比較例とは穴Hの形状のみが異なり、他は同一である。穴Hの開口径は、110nmである。   FIG. 14 is a view showing an electron micrograph of the basic layer 6A in which holes are formed according to the second comparative example. Only the shape of the hole H is different from the first comparative example, and the others are the same. The opening diameter of the hole H is 110 nm.

図14(A)は、穴Hの平面写真を示しており、円形の穴Hが示されている。図14(B)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成前)の断面像を示しており、図14(C)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成前)の断面像を示している。図14(D)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成後)の断面像を示しており、図14(E)は、オリフラ平行方向に沿って切った基本層(埋め込み層形成後)の断面像を示している。   FIG. 14A shows a plane photograph of the hole H, and the circular hole H is shown. FIG. 14B shows a cross-sectional image of a basic layer cut before the orientation flat parallel direction (before formation of the buried layer), and FIG. 14C shows a basic layer cut along the orientation flat parallel direction (the buried layer). A cross-sectional image before layer formation) is shown. FIG. 14D shows a cross-sectional image of the basic layer cut after the orientation flat parallel direction (after formation of the buried layer), and FIG. 14E shows the basic layer cut along the parallel orientation direction of the orientation flat (embedded layer). The cross-sectional image after layer formation is shown.

埋め込み工程は、上部クラッド層を形成するまで続けられ、その後、コンタクト層を形成する。これらの埋め込み層及び上部クラッド層には、大きな転位は観察されない(図14(D),図14(E)参照)。   The filling process is continued until the upper cladding layer is formed, and then the contact layer is formed. Large dislocations are not observed in these buried layers and upper cladding layers (see FIGS. 14D and 14E).

しかしながら、表面のモフォロジーは、悪化している。   However, the surface morphology is getting worse.

図15は、第2比較例に係る半導体面発光素子の最表面側に位置する半導体層の表面の光学顕微鏡写真を示す図である。コンタクト層の表面は荒れており、モフォロジーが悪化し、数多くの凹凸が観察される。これは、図14の観察範囲には転位が見られないが、より広域で調べると転位が形成されており、表面モフォロジーの悪化を招いている。   FIG. 15 is an optical micrograph of the surface of the semiconductor layer located on the outermost surface side of the semiconductor surface light emitting device according to the second comparative example. The surface of the contact layer is rough, the morphology deteriorates, and many irregularities are observed. This is because dislocations are not observed in the observation range of FIG. 14, but dislocations are formed when examined in a wider area, leading to deterioration of the surface morphology.

図16、様々な穴(埋め込み層6B)の形状について示す図である。図中の点線は、{110}面を示している。また、図17における各図は、図16の各図をXY平面内において90度回転させたものであるが、結晶学的には、これらは同一である。   FIG. 16 is a diagram showing the shapes of various holes (embedded layer 6B). The dotted line in the figure indicates the {110} plane. Each figure in FIG. 17 is obtained by rotating each figure in FIG. 16 by 90 degrees in the XY plane, but these are the same crystallographically.

図16又は図17の(A)は、上述の実施形態の形状から上側の凸部の位置を若干左側に変更し、下側の凸部を除いたものである。なお、上側の凸部は凹部であってもよい。
(B)は、(A)の1辺の一部が欠けて埋め込み層の側面が凹部(凹面)を有しているものである。(C)は、(A)の2辺の一部が欠けて埋め込み層の側面が凹部(凹面)を有すると共に、下側の辺にも凸部を有するものである。(D)は、(A)の本体部形状を台形としたものである。(E)は、(A)の本体部形状を平行四辺形にしたものである。(F)は、(A)の本体部の角部を滑らかにしたものである。(G)は、(A)の本体部形状を三角形としたものであり、(H)は、(A)の本体部形状を五角形としたものであり、これらの図では、上下が(A)とは反対となるように示されているが、結晶学的には反対であることには意味がない。(I)は、(A)の本体部形状を六角形としたものである。(J)は、実施形態にける対向する2辺から延びるそれぞれの凸部形状を大きくし、これらの凸部の形状を非対称としたものである。一方の凸部の平面形状は長方形である。(K)は、(110)および(−1−10)面に1辺の長さが5nm以上の適当な側面(hk0)からなる1つ以上の凹凸形状で覆った四角形を示す。なお、(hk0)面は{100}であることが望ましい。(L)は(K)の形状で一部凹凸形状に欠けを有する形状を表す。(M)は(K)の形状において片方の{110}面のみに凹凸形状を有する形状を表す。(N)は(K)の形状において側面が曲面である形状を表す。(O)は(K)において同じ{110}面を2つ以上含む形状の例を表す。なお、(K)〜(O)において、一辺が(110)、または(−1−10)を含めば、穴Hの側面における凸部の頂点(埋め込み層6Bにおける凹部の最深部)の各点を結んだ包絡線の形状は、四角形でなくてもよい。
In FIG. 16 or FIG. 17A, the position of the upper convex portion is slightly changed to the left side from the shape of the above-described embodiment, and the lower convex portion is removed. The upper convex portion may be a concave portion.
In (B), a part of one side of (A) is missing and the side surface of the buried layer has a recess (concave surface). (C) is one in which a part of the two sides of (A) is missing and the side surface of the buried layer has a concave portion (concave surface), and also has a convex portion on the lower side. (D) makes the main-body-part shape of (A) trapezoid. (E) is a parallelogram of the main body shape of (A). (F) is a smoothed corner of the main body of (A). (G) shows the shape of the main body portion of (A) as a triangle, and (H) shows the shape of the main body portion of (A) as a pentagon. Is shown to be opposite, but crystallographically opposite is meaningless. (I) is a hexagonal shape of the main body of (A). (J) enlarges the shape of each convex part extended from two opposing sides in the embodiment, and makes the shape of these convex parts asymmetric. The planar shape of one convex part is a rectangle. (K) shows a quadrangle covered with one or more irregular shapes consisting of a suitable side surface (hk0) having a side length of 5 nm or more on the (110) and (-1-10) planes. The (hk0) plane is preferably {100}. (L) represents a shape having a chip in the uneven shape in the shape of (K). (M) represents a shape having an uneven shape only on one {110} plane in the shape of (K). (N) represents a shape having a curved side surface in the shape of (K). (O) represents an example of a shape including two or more of the same {110} planes in (K). In (K) to (O), if one side includes (110) or (-1-10), each point of the apex of the convex portion on the side surface of the hole H (the deepest portion of the concave portion in the embedded layer 6B). The shape of the envelope connecting the two lines may not be a quadrangle.

これらの場合においても、図13を用いて述べた(110)、(-1-10)に起因する転位形成の機構が抑制されるという理由で、上述の効果を奏するものと考えられる。   Even in these cases, it is considered that the above-described effects are exhibited because the mechanism of dislocation formation due to (110) and (−1-10) described with reference to FIG. 13 is suppressed.

以上、説明したように、上述の実施形態では、穴Hの側面は、{110}面を有しており、埋め込み層6Bは、穴Hの側面との界面である少なくとも1つの{110}面から突出した凸部HB1を有している。この場合、フォトニック結晶層上に形成された半導体層の表面モフォロジーは非常に良好であって、平坦性が高く、相対的に、内部で発生している転位量が減少していることが分かる。このように半導体層の結晶性が改善すると、温度や熱による耐性が高くなるため、寿命を増加させることができ、リーク電流や内部抵抗が低くなるため、発光効率を改善することが可能となる。すなわち、穴の形状の上述の実施形態のものとすることで、半導体面発光素子の特性を改善することができる。   As described above, in the above-described embodiment, the side surface of the hole H has a {110} surface, and the buried layer 6B has at least one {110} surface that is an interface with the side surface of the hole H. It has a convex part HB1 protruding from. In this case, it can be seen that the surface morphology of the semiconductor layer formed on the photonic crystal layer is very good, the flatness is high, and the amount of dislocation generated inside is relatively reduced. . When the crystallinity of the semiconductor layer is improved in this manner, the durability due to temperature and heat increases, so that the lifetime can be increased, and the leakage current and internal resistance are reduced, so that the light emission efficiency can be improved. . That is, the characteristics of the semiconductor surface light emitting device can be improved by adopting the hole-shaped configuration described above.

なお、上述の穴の形状で(110)、(−1−10)を含む側面は、XY平面内において、主平面(001)の法線の回りに、回転(±15度以内)を許容しても同様の効果が得られるものと考えられる。   The side surfaces including (110) and (-1-10) in the shape of the hole described above allow rotation (within ± 15 degrees) around the normal of the main plane (001) in the XY plane. However, the same effect can be obtained.

なお、上述の第1化合物半導体はGaAsであり、前記第2化合物半導体はAlGaAsである。これらの閃亜鉛構造の化合物半導体を用いた場合、材料特性がよく知られているので、その形成が容易である。   The first compound semiconductor is GaAs, and the second compound semiconductor is AlGaAs. When these zinc-blende compound semiconductors are used, the material characteristics are well known, and the formation thereof is easy.

図18は、フォトニック結晶層の第1の製造方法について説明するための図である。   FIG. 18 is a diagram for explaining a first manufacturing method of the photonic crystal layer.

N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1上に、N型のクラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3、多重量子井戸構造(InGaAs/AlGaAs)4、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)5、フォトニック結晶層となる基本層(GaAs)6Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。   An N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, an optical guide on an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 A layer (GaAs / AaGaAs) or spacer layer (AlGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).

エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、PCVD(プラズマCVD)法により、SiN層AGを基本層6A上に形成しI(B)、次に、レジストRを、SiN層AG上に形成する(C)。更に、レジストRを露光・現像し(D)、レジストRをマスクとしてSiN層AGをエッチングし、SiN層AGを一部残留させて、アライメントマークを形成する(E)。残ったレジストは除去する(F)。   In order to take alignment after epitaxial growth, a SiN layer AG is formed on the basic layer 6A by PCVD (plasma CVD), and then a resist R is formed on the SiN layer AG (C). Further, the resist R is exposed and developed (D), the SiN layer AG is etched using the resist R as a mask, and a part of the SiN layer AG is left to form an alignment mark (E). The remaining resist is removed (F).

次に、基本層6AにレジストR2を塗布し、レジストR2上に電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジストR2上に2次元微細パターンを形成する(H)。その後、レジストR2をマスクとして、ドライエッチングにより100nm程度の深さを持つ2次元微細パターンを基本層6A上に転写し(穴Hを形成する)(I)、レジストを除去する(J)。穴Hの深さは、100nmである。   Next, a resist R2 is applied to the basic layer 6A, a two-dimensional fine pattern is drawn on the resist R2 by an electron beam drawing apparatus, and developed to form a two-dimensional fine pattern on the resist R2 (H). Thereafter, using the resist R2 as a mask, a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching (forming a hole H) (I), and the resist is removed (J). The depth of the hole H is 100 nm.

その後、MOCVD法を用いて再成長を行う。   Thereafter, regrowth is performed using the MOCVD method.

再成長工程では、埋め込み層(AlGaAs)6Bが穴H内に成長し、続いて、P型のクラッド層(AlGaAs)7、P型のコンタクト層(GaAs)8が順次エピタキシャル成長する(K)。次に、P型コンタクト8上に正方形の孔Hを持つレジストR3を形成し(L)、レジストR3をパターニングして(M)、電極EをレジストR3の上から蒸着し(N)、リフトオフにより電極(Cr/Au)E2のみを残して、電極材を除去する(O)。そして、N型の半導体基板1の裏面を研磨し、N型の電極(AuGe/Au)E1を形成する(P)。   In the regrowth process, the buried layer (AlGaAs) 6B is grown in the hole H, and then the P-type cladding layer (AlGaAs) 7 and the P-type contact layer (GaAs) 8 are sequentially epitaxially grown (K). Next, a resist R3 having a square hole H is formed on the P-type contact 8 (L), the resist R3 is patterned (M), an electrode E is deposited from above the resist R3 (N), and lift-off is performed. The electrode material is removed leaving only the electrode (Cr / Au) E2 (O). Then, the back surface of the N-type semiconductor substrate 1 is polished to form an N-type electrode (AuGe / Au) E1 (P).

図19は、フォトニック結晶層の第2の製造方法について説明するための図である。   FIG. 19 is a diagram for explaining a second manufacturing method of the photonic crystal layer.

N型(第1導電型とする)の半導体基板(GaAs)1上に、N型のクラッド層(AlGaAs)2、ガイド層(AlGaAs)3、多重量子井戸構造(InGaAs/AlGaAs)4、光ガイド層(GaAs/AaGaAs)又はスペーサ層(AlGaAs)5、フォトニック結晶層となる基本層(GaAs)6Aを、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。   An N-type cladding layer (AlGaAs) 2, a guide layer (AlGaAs) 3, a multiple quantum well structure (InGaAs / AlGaAs) 4, an optical guide on an N-type (first conductivity type) semiconductor substrate (GaAs) 1 A layer (GaAs / AaGaAs) or spacer layer (AlGaAs) 5 and a basic layer (GaAs) 6A to be a photonic crystal layer are epitaxially grown sequentially using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).

次に、基本層6A上にレジストR2を塗布し(B)、電子ビーム描画装置で2次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に2次元微細パターンを形成する(C)。このとき、使用するフォトマスクのアライメントマーク位置に(110)Facetで囲まれた1辺120nmの正方形を330nm間隔で配置し、領域全体の面積を100μm×100μmとする。後述するが、このパターンは再成長後の光学露光の位置合わせの基準として利用する。   Next, a resist R2 is applied on the basic layer 6A (B), a two-dimensional fine pattern is drawn with an electron beam drawing apparatus, and developed to form a two-dimensional fine pattern on the resist (C). At this time, squares with sides of 120 nm surrounded by (110) Facets are arranged at 330 nm intervals at the alignment mark position of the photomask to be used, and the area of the entire region is set to 100 μm × 100 μm. As will be described later, this pattern is used as a reference for alignment of optical exposure after regrowth.

その後、ドライエッチングにより100nm程度の深さを持つ2次元微細パターンを基本層6A上に転写し(D)、レジストを除去する(E)。目印の位置もエッチングされるため、この位置にパターン(アライメントマーク)が形成される。このパターンは4つの{110}面で囲まれた側面を有するが、若干の回転(±10度以内)をさせてもよい。このパターンは、再成長によっても転位が形成されるため、再成長表面が荒れる。したがって、荒れた表面を再成長後の光学露光における位置合わせの基準として利用することが出来る。その後、MOCVD法を用いて再成長を行う。このように、埋め込み層の再成長を行う工程の前に、エッチングにより{110}面、又は{110}を前記主表面(001)の法線回りに±10度以内の回転角度で回転させた面を含むアライメントマークを、基本層6Aの形成される半導体基板の適当な箇所(発光素子形成予定領域の外側領域)に形成しておくことで、通常のアライメントマーク形成工程を省略することができる。   Thereafter, a two-dimensional fine pattern having a depth of about 100 nm is transferred onto the basic layer 6A by dry etching (D), and the resist is removed (E). Since the position of the mark is also etched, a pattern (alignment mark) is formed at this position. This pattern has side surfaces surrounded by four {110} planes, but may be rotated slightly (within ± 10 degrees). In this pattern, dislocations are formed even by regrowth, so that the regrowth surface becomes rough. Therefore, the rough surface can be used as a reference for alignment in optical exposure after regrowth. Thereafter, regrowth is performed using the MOCVD method. Thus, before the step of performing the regrowth of the buried layer, the {110} plane or {110} was rotated by a rotation angle within ± 10 degrees around the normal line of the main surface (001) by etching. By forming the alignment mark including the surface in an appropriate location (outside area of the light emitting element formation scheduled area) of the semiconductor substrate on which the basic layer 6A is formed, the normal alignment mark forming process can be omitted. .

再成長工程では、埋め込み層(AlGaAs)6Bが穴H内に成長し、続いて、P型のクラッド層(AlGaAs)7、P型のコンタクト層(GaAs)8が順次エピタキシャル成長する(F)。次に、P型コンタクト8上に正方形の孔Hを持つレジストR3を形成し(G)、レジストR3を光学露光によりパターニングして(H)、電極EをレジストR3の上から蒸着し(I)、リフトオフにより電極(Cr/Au)E2のみを残して、電極材を除去する(J)。そして、N型の半導体基板1の裏面を研磨し、N型の電極(AuGe/Au)E1を形成する(K)。   In the regrowth step, the buried layer (AlGaAs) 6B is grown in the hole H, and then the P-type cladding layer (AlGaAs) 7 and the P-type contact layer (GaAs) 8 are sequentially epitaxially grown (F). Next, a resist R3 having a square hole H is formed on the P-type contact 8 (G), the resist R3 is patterned by optical exposure (H), and an electrode E is deposited on the resist R3 (I). Then, the electrode material is removed by lifting off, leaving only the electrode (Cr / Au) E2 (J). Then, the back surface of the N-type semiconductor substrate 1 is polished to form an N-type electrode (AuGe / Au) E1 (K).

この方法によれば、上述の素子を形成する場合において、再成長前に{110}面で囲まれたパターンを形成しておくことで、これを再成長後の光学露光の位置合わせの基準位置として利用することができる。   According to this method, when the above-described element is formed, by forming a pattern surrounded by the {110} plane before the regrowth, the reference position for alignment of the optical exposure after the regrowth is formed. Can be used as

なお、穴Hの深さは、基本層6Aよりも浅くてもよく、若干深くてもよい。また、(001)ウェハはオフ基板であってもよい。   The depth of the hole H may be shallower than the basic layer 6A or slightly deeper. The (001) wafer may be an off-substrate.

なお、穴Hの作製方法として、実施の形態では電子ビーム露光法による作製法を説明したが、ナノインプリント、干渉露光、FIB、ステッパなどの光学露光といった、その他の微細加工技術を用いてもよい。   In addition, although the manufacturing method by the electron beam exposure method was demonstrated in the embodiment as the manufacturing method of the hole H, you may use other microfabrication techniques, such as optical exposures, such as nanoimprint, interference exposure, FIB, and a stepper.

6A・・・基本層、6B・・・埋め込み層、H・・・穴。
6A: basic layer, 6B: buried layer, H: hole.

Claims (4)

閃亜鉛構造の第1化合物半導体からなる基本層内に複数の穴を周期的に形成し、前記穴内に、閃亜鉛構造であって第2化合物半導体からなる埋め込み層を成長させてなるフォトニック結晶層と、前記フォトニック結晶層に対して光を供給する活性層と、
を備え、
前記基本層の主表面は(001)面であり、
前記穴の側面は、{110}面、又は、この面を前記主表面の法線に回りに±15度未満の回転角度で回転させた面を含んでおり、前記埋め込み層は、前記側面との界面である少なくとも1つの{110}面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±15度未満の回転角度で回転させた面から突出した凸部又は凹部を有していることを特徴とする半導体面発光素子。
A photonic crystal in which a plurality of holes are periodically formed in a basic layer made of a first compound semiconductor having a zinc flash structure, and a buried layer made of a second compound semiconductor having a zinc flash structure is grown in the hole. A layer, and an active layer that supplies light to the photonic crystal layer,
With
The main surface of the basic layer is a (001) plane,
The side surface of the hole includes a {110} surface or a surface obtained by rotating the surface around a normal to the main surface at a rotation angle of less than ± 15 degrees, and the embedded layer includes the side surface and At least one {110} plane, or a convex or concave portion protruding from a plane obtained by rotating these planes around the normal of the main surface at a rotation angle of less than ± 15 degrees. A semiconductor surface light emitting device.
前記第1化合物半導体はGaAsであり、
前記第2化合物半導体はAlGaAsである、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体面発光素子。
The first compound semiconductor is GaAs;
The second compound semiconductor is AlGaAs;
The semiconductor surface light emitting device according to claim 1.
請求項1又は2に記載の半導体面発光素子を製造する半導体面発光素子の製造方法において、
前記穴を形成する工程と、
前記埋め込み層の成長を行う工程と、
を備えることを特徴とする半導体面発光素子の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor surface light emitting element which manufactures the semiconductor surface light emitting element of Claim 1 or 2,
Forming the hole;
Growing the buried layer;
A method for manufacturing a semiconductor surface light emitting device, comprising:
前記成長を行う工程の前に、エッチングにより{110}面、又は{110}を前記主表面の法線回りに±10度以内の回転角度で回転させた面を含むアライメントマークを、前記基本層の形成される半導体基板に形成する工程を備えることを特徴とする請求項3に記載の半導体面発光素子の製造方法。




Before the step of performing the growth, an alignment mark including a {110} plane or a plane obtained by rotating {110} at a rotation angle within ± 10 degrees around the normal of the main surface by etching is used as the base layer. 4. The method of manufacturing a semiconductor surface light emitting device according to claim 3, further comprising a step of forming the semiconductor substrate on the semiconductor substrate on which the semiconductor surface is formed.




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