JP5549011B2 - 半導体面発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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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。
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。
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、ウエ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。
（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、ウエ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。
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。
（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。
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。
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。
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 blende structure）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。
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。
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。
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、少なくとも異なる３つの｛１００｝面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいることを特徴とする。
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。
一方、穴の側面形状が、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。
また、前記穴の側面は、４つの異なる｛１００｝面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいることを特徴とする。
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、上記と同様に、半導体面発光素子の特性を改善することができる。
また、前記回転角度は、±２５度以下に設定されていることを特徴とする。回転角度が±２５度以下の場合、３５度の場合よりも格段に表面モフォロジーが改善し、半導体層の結晶性が改善する。
前記回転角度は、±２０度以下に設定されていることを特徴とする。回転角度が±２０度以下の場合、２５度の場合よりも更に表面モフォロジーが改善し、半導体層の結晶性が改善する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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／ｃｍ３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／ｃｍ３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Ｓｉ2Ｈ6（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（２００μｍ）
・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（２００μｍ）
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。
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。
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。
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。
穴Ｈの平面形状における輪郭は、長方形であり、長方形の各辺はオリフラＯＦの延びた方向[１−１０]に対して、４５度傾斜している。すなわち、穴Ｈの４つの側面は、それぞれ、（１００）面、（０−１０）面、（−１００）面、（０１０）面を有している。なお、結晶学的に等価な面として、これらの面は、｛１００｝面として表すことができる。
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。
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、３３０ｎｍであり、[110]方向の間隔は、５７０ｎｍである。また、穴の形状は長方形であって、各辺の長さは１６５ｎｍ、面積は２．７×１０４ｎｍ２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。
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。
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。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。
図４は、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。
図４（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４（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４（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４（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４（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。
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ず、良好な結晶性を有していることがわかる。
図５は、図４の場合において、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。コンタクト層の表面は平坦であって、モフォロジーに優れており、凹凸が殆ど観察されない。これは、内部において結晶性が優れていることを間接的に示している。
図６は、穴の形状の詳細構成を示す図である。
ＸＹ平面内において、穴Ｈの輪郭に外接する長方形の各辺の寸法をＬ１，Ｌ２とする。この長方形に相似の長方形を仮定し、１つの角部を内接させる。内接した長方形は、外接する長方形と重心Ｇを共通とし、ＸＹ平面内の回転位置も同一であるとする。この場合、それぞれ対応辺の離間距離をΔＬ１１、ΔＬ１２、ΔＬ２１、ΔＬ２２とする。
（ΔＬ１１＋ΔＬ１２）／Ｌ１が２９％未満であり、かつ、（ΔＬ２１＋ΔＬ２２）／Ｌ２が２９％未満の場合であり、且つ、ＸＹ平面内における穴の面積の最大値（最表面の面積）が、これに外接する長方形の面積の５０％以上である場合、穴の形状を長方形と認定し、穴Ｈの側面が４つの｛１００｝面を含むものと認める。
図７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。
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。
図８は、基本層６Ａのオリフラに平行な方向の再成長埋め込み初期における断面形状の一例であり、図９は、基本層６Ａのオリフラに垂直な方向の再成長埋め込み初期における断面形状の一例である。これらの図に示されるように、各穴Ｈは、｛１００｝側面に対して傾斜した傾斜面（Ｆ１〜Ｆ８）を有している。各傾斜面Ｆ１〜Ｆ８の面方位は、それぞれ、（１-１１）、（-１１１）、（１-１３）、（-１１３）、（-１-１３）、（１１３）、（-１-１０）、（１１０）である。
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。
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。
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。
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、大きな転位が観察され（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。
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。
コンタクト層の表面は荒れており、モフォロジーが低く、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。
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。
図１３は、結晶性劣化の概念を示す図である。
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。
一方、本発明では、基本層６Ａの主表面は（００１）面であって、穴Ｈの側面は、｛１００｝面によって囲まれている。したがって、上記のような（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。
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。
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、１２０ｎｍである。
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。
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）。
しかしながら、表面のモフォロジーは、悪化している。
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。
次に、実施の形態に係る穴Ｈを、重心Ｇを通るＺ軸周りに回転させて、その回転角の許容度を調査した。
図１６は、穴の向きの回転について説明する図である。
穴Ｈの平面内における重心Ｇから、その一辺（０１０）面に向けて垂線を引き、この垂線ＶＲと[０-１０]との成す角度を回転角度φとする。すなわち、穴Ｈの形状として長方形を仮定して、これの一辺に垂線ＶＲを引く。穴Ｈの形状に若干の揺らぎがある場合には、これに外接する長方形を穴Ｈの形状とする。
図１７は、実施例に係る穴の（１００）側面（ｆａｃｅｔ）を回転させた基本層の表面の電子顕微鏡写真（左側）と、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（右側）を示す図である。正方形の穴の各辺の長さは１４０ｎｍであり、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。回転角度φが３５度において、表面モフォロジーが悪化しており、それよりもφが小さい場合には、表面モフォロジーは良好である。
図１８は、第1比較例に係る穴の（１１０）側面（ｆａｃｅｔ）を回転させた基本層の表面の電子顕微鏡写真（左側）と、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（右側）を示す図である。
長方形の穴の各辺の長さは１００ｎｍ、２００ｎｍであり、穴Ｈの重心の[1-10]方向の間隔は、３３５ｎｍであり、短辺が[1-10]方向に平行である。[110]方向の間隔は、５８０ｎｍである。回転角度φが２０度（実施例の回転角度は２５度）から、表面モフォロジーが改善されており、それよりもφが小さい場合には、表面モフォロジーは悪化している。
長方形の穴の各辺の長さは１００ｎｍ、２００ｎｍであり、穴Ｈの重心の[1-10]方向の間隔は、３３５ｎｍであり、短辺が[1-10]方向に平行である。[110]方向の間隔は、５８０ｎｍである。回転角度φが２０度（実施例の回転角度は２５度）から、表面モフォロジーが改善されており、それよりもφが小さい場合には、表面モフォロジーは悪化している。
図１９は、第1比較例の穴の（１１０）側面（ｆａｃｅｔ）を回転させた基本層の表面の電子顕微鏡写真（左側）と、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（右側）を示す図である。図１８の場合と比較して、長辺が[1-10]方向に平行である。回転角度φが２０度以上（実施例の回転角度φは２５度以下）から、表面モフォロジーが改善されており、それよりもφが小さい場合には、表面モフォロジーは悪化している。
図２０は、４つの角部Ｃ１〜Ｃ４のうち、幾つかの角部Ｃ２，Ｃ２の一部分が切り欠かれた穴Ｈの形状を示す図である。（１１０）、（-１-１０）に起因する転位形成の機構が抑制されるため、上記と同様の結晶性及び表面モフォロジーの改善効果が得られるものと考えられる。
なお、上記実施形態では、穴Ｈの形状を長方形としたが、これは直角台形であってもよい。
図２１は、ウェハ上に形成された基本層６Ａの平面図である。
この実施形態の半導体面発光素子では、穴Ｈの形状のみを直角台形に変更する。他の構造は、上述のものと同一である。直角台形の各辺を含む面は、（０１０）、（０−１０）、（１００）、（ｈｋ０）である。すなわち、３つの側面が｛１００｝面に属している。
図２２は、穴Ｈの形状を示す図である。
ここで、（０１０）面と（ｈｋ０）面のなす角度（鋭角）をθとする。図２２では（ｈｋ０）面の面方位は、ｈ１＝−ｓｉｎθ、ｋ１＝ｃｏｓθとして、ベクトルＶ［ｈ１，ｋ１，０］に平行な面方位となっている。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Ｈ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）は３３５ｎｍである。
図２３は、直角台形の穴を有する基本層６Ａの表面（左側）の電子顕微鏡写真と、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（右側）の光学顕微鏡写真を示す図である。
θを６０度として、ＦＦを１１％〜３３％まで変更したが、表面モフォロジーに大きな変化は見られず、いずれも良好であった。
図２４及び図２５は、直角台形の穴を有する基本層の表面（左側）の電子顕微鏡写真と、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（右側）の光学顕微鏡写真を示す図である。
ＦＦを１５％（設計値）とし、θを３０〜８０度まで変更したが、表面モフォロジーに大きな変化は見られず、いずれも良好であった。
図２６は、穴の形状の詳細構成を示す図である。
ＸＹ平面内において、穴Ｈの輪郭に外接する直角台形において、上底又は下底の大きい方の寸法をＬ１、対向する平行辺の距離をＬ２とする。この直角台形に相似の直角台形を仮定し、１つの角部を内接させる。内接した直角台形は、外接する直角台形と重心Ｇを共通とし、ＸＹ平面内の回転位置も同一であるとする。この場合、それぞれ対応辺の台形の上底に平行な方向の離間距離をΔＬ１１、ΔＬ１２、台形高さ方向の離間距離をΔＬ２１、ΔＬ２２、とする。
（ΔＬ１１＋ΔＬ１２）／Ｌ１が２９％未満であり、かつ、（ΔＬ２１＋ΔＬ２２）／Ｌ２が２９％未満の場合であり、且つ、ＸＹ平面内における穴の面積の最大値（最表面の面積）が、これに外接する直角台形の面積の５０％以上である場合、穴Ｈの形状を直角台形と認定し、穴Ｈの側面が３つの｛１００｝面を含むものと認めることとする。
図２７は、直角台形の場合における穴Ｈの向きの回転について説明する図である。
上述の長方形の場合と同様に、穴Ｈの平面内における重心Ｇから、その一辺（０１０）面に向けて垂線を引き、この垂線ＶＲと[０-１０]との成す角度を回転角度φとする。すなわち、穴Ｈの形状として長方形を仮定して、これの一辺に垂線ＶＲを引く。穴Ｈの形状に若干の揺らぎがある場合には、これに外接する長方形を穴Ｈの形状とする。この場合、良好な結晶が得られる回転角度φの許容範囲は、上記の長方形の場合と同様である。なぜならば、回転角度φが許容範囲を超えると、｛１００｝Ｆａｃｅｔが（１１０）、（-１-１０）に近づくため、上述の転位発生の機構が働くが、直角台形では長方形に比べ主となる３つの｛１００｝Ｆａｃｅｔが共通であるため、回転角度φが許容範囲内であれば、転位発生の機構が抑制されるためである。
図２８は、様々な穴の形状について示す図である。
図中の点線は、｛１００｝面を示している。図２８（Ａ）は、上述の実施形態の形状である。（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）を有しているものである。（Ｄ）は、（Ａ）の３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。（Ｅ）は、（Ａ）の４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。なお、（Ｂ）〜（Ｅ）に示した凹部は複数であっても、また、凹部を凸部に置き換えてもよい。（Ｆ）は、(Ａ)の埋め込み層の中央の一部が欠けている場合である。（Ｆ）の欠けた領域は複数であってもよい。
これらの場合においても、上述の（１１０）、（-１-１０）に起因する転位発生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。
（Ｇ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面の斜辺が２つの平面を有する凸部（凸面）形状となったものである。（Ｈ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面が多数の平面が連続してなる凸部（凸面）形状となったものである。（Ｉ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面が斜辺が２つの凸部（凸面）を有する形状となったものである。（Ｊ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面が１辺がＶ溝型の凹部（凹面）を有する形状となったものである。
これらの場合においても、上述の転位発生機構が抑制されるのと同様の理由により、上述の結晶性及び表面モフォロジーの改善効果を奏するものと考えられる。
（Ｋ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面の斜辺が曲線かなる凸部（凸面）形状となったものである。（Ｌ）は、（Ａ）の埋め込み層の側面の斜辺が曲線からなる凹部（凹面）形状となったものである。（Ｍ）は、１辺の長さが５ｎｍ以上の｛１００｝面による凹凸形状から構成され、側面の凹部の最深部を結ぶ包絡線の形状が長方形である形状の例を表す。なお、｛１００｝面の形成する凹凸形状の包絡線の形状は（Ｍ）では長方形としたが、三角形（Ｎ）,円形（Ｏ）などの任意の形状であってよい。
これらの場合においても、上述の転位発生機構が抑制されるのと同様の理由により、上述の結晶性及び表面モフォロジーの改善効果を奏するものと考えられる。
以上、説明したように、上述の実施形態では、穴Ｈの側面が、少なくとも異なる３つの｛１００｝面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいる。穴の側面形状が、このような場合、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。
特に、図１〜図９に示した実施形態のように、穴の側面は、４つの異なる｛１００｝面を含むか、図１６〜１９に示した実施形態のように、これらの面を主表面の法線に回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいる場合、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、半導体面発光素子の特性を改善することができる。
また、この回転角度φが±２５度以下の場合、３５度の場合よりも格段に表面モフォロジーが改善し、半導体層の結晶性が改善する。回転角度φが±２０度以下の場合、２５度の場合よりも更に表面モフォロジーが改善し、半導体層の結晶性が改善している。
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。
図２９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。
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。
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）。
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。
その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて再成長を行う。
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）。
図３０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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
６Ａ・・・基本層、６Ｂ・・・埋め込み層、Ｈ・・・穴。
Claims (7)
- 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、少なくとも異なる３つの｛１００｝面、又は、これらの面を前記主表面の法線の回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいる、ことを特徴とする半導体面発光素子。
- 前記穴の側面は、４つの異なる｛１００｝面、又は、これらの面を前記主表面の法線に回りに±３５度未満の回転角度で回転させた面を含んでいる、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体面発光素子。 - 前記回転角度は、±２５度以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体面発光素子。 - 前記回転角度は、±２０度以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体面発光素子。 - 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乃至４のいずれか１項に記載の半導体面発光素子。 - 請求項１乃至５のいずれか１項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。 - 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６に記載の半導体面発光素子の製造方法。
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