JP5488917B2 - 半導体面発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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。

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。

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 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。

特開２００９−２０６１５７号公報 特開２０１０−１１４３８４号公報

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、｛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。

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。

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。

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。 ウェハ上に形成された基本層６Ａの平面図である。 ウェハの正面図である。 穴の形状を示す図である。 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。 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。 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。 穴の形状の詳細構成を示す図である。 半導体面発光素子の断面図である。 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。 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。 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。 結晶性の劣化の状態を説明する図である。 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。 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。 様々な穴の形状について示す図である。 様々な穴の形状について示す図である。 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。 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。

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１０^１５／ｃｍ^３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、１０^１７〜１０^２０／ｃｍ^３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ＡｓＨ_3（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（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ）／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（Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ）／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）

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。

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、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１．２×１０^４ｎｍ^２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。

図４は、穴の形状を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図８は、穴Ｈの形状の詳細構成を示す図である。

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、

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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、１１０ｎｍ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。