半导体光学元件阵列及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种半导体光学元件阵列，其包括：具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别在前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由ＩＩＩ族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层；以及包覆前述各活性层的半导体层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种。
技术介绍
近年来，氮化镓(GaN)等III族氮化物半导体，作为一种能够实现可输出高品质短波长发光的发光二极管、激光二极管等的半导体发光元件的半导体材料而受到人们的关注。半导体发光元件，采用有机金属化学气相沉积(MOCVD :Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、分子束外延(MBE :Molecular Beam Epitaxy)法等晶体生长技术，通过在基板上形成由III族氮化物半导体构成的层叠结构来进行制作。关于MOCVD、MBE等公知的晶体生长技术，在形成层叠结构时，在其层叠方向上具有良好的控制性。为了形成沿着基板的面内方向的结构，有必要采用晶体加工技术进行加工层叠结构。晶体加工技术，大致分为自上而下式和自下而上式。自上而下式是在晶体生长后进行晶体加工而形成结构的技术，相对于此，自下而上式是在晶体生长前预先加工出基底基板并且在该基底基板上使晶体生长，从而在晶体生长的同时形成结构的技术。在自上而下式的工艺中，晶体因加工而容易受到损伤，特别是在形成微细结构时，存在该微细结构的表面积增大的问题。另一方面，在自下而上式工艺中，能够容易共同获得微细结构和良好的晶体品质。在专利文献1 (日本特开2008-1089M号公报)中，公开了一种采用自下而上式工艺在基板上形成纳米级的微细柱状晶体(纳米柱)的方法。该方法是一种在尖晶石基板上形成多个岛状狗粒并且使GaN纳米柱从各狗粒出发向基板上方生长的方法。对于涉及纳米柱形成方法的现有技术文献，除了专利文献1外，例如，还可以举出非专利文献1(M. Yoshizawa et al.，Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 36, No. 4B (1997) pp. L459-L462)、非专利文献 2 (H. Sekiguchi et al. , Journal of Crystal Growth,300(2007)pp. 259-262) 现有技术文献 专利文献 专利文献1 日本特开2008-108924号公报 非专利文献 非专禾Ij文 ^ 1 :M. Yoshizawa, A. Kikuchi, M.Mori, N. Fujita and K.Kishino, " Growth of Self-Organized GaN Nanostructures on Al2O3(0001)by RF-Radical Source Molecular Beam Epitaxy"，Jpn. J. Appl. Phys.，Vol. 36，No. 4B(1997) pp. L459-L462. 非专利文献2 :Η· kkiguchi，Τ· Nakazato，A. Kikuchi and K. Kishino, "Structural and optical properties of GaN nanocolumns grown on(0001)sapphire substrates by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy", Journal of Crystal Growth,300(2007)pp. 259-262.
技术实现思路
由专利文献1公开的方法形成的各个GaN纳米柱，具备层叠有η型层、发光层以及 P型层的发光结构。由这些GaN纳米柱的集合体构成了半导体发光元件。但是，各GaN纳米柱是以基板上的岛状！^粒为核而形成，因此，在GaN纳米柱的位置和形状方面容易发生偏差，难以使GaN纳米柱有规则地进行排列。该偏差能够使半导体发光元件的特性产生偏差。例如，存在所谓在GaN纳米柱的发光波长方面发生偏差而得不到所需发光色的问题。鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种， 该半导体光学元件阵列具备对基板上所形成的微细柱状晶体的位置和形状进行高精度控制而能够对微细柱状晶体的发光波长或光吸收波长进行控制的结构。关于由III族氮化物半导体构成的纳米级别的微细柱状晶体(被称为“纳米柱 (nano-column) ”、“纳米棒(nano-rod) ”或“纳米支柱(nano-pillar) ”)的位置控制和形状控制，本专利技术人等，着眼于在基板上形成具有多个开口部的掩模图案后使微细柱状晶体有选择性地从这些开口部生长的工序。本专利技术人等，针对相关工序进行了精心研究，发现能够控制微细柱状晶体的发光波长或光吸收波长，从而完成了本专利技术。基于本专利技术，能够提供一种半导体光学元件阵列，其包括具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层或者光吸收层；包覆前述各活性层或者光吸收层的半导体层。本专利技术的半导体光学元件阵列，具备从半导体基板的凹部出发，通过掩模图案的开口部，向掩模图案的上方生长的由III族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体。基于设置为这种构成，能够控制微细柱状晶体的直径，能够获得所需发光波长或吸收波长的半导体光学元件阵列。特别是，发光波长的峰值波长能够以下述方式进行设定前述各微细柱状晶体的直径越大，则偏移至长波长一侧；前述各微细柱状晶体的直径越小，则偏移至短波长一侧。在此，微细柱状晶体的直径优选为IOnm以上、IOOOnm以下。另外，基于本专利技术，还能够提供一种半导体光学元件阵列的制造方法，其包括在半导体基板上形成具有多个开口部的掩模图案的工序；通过将前述掩模图案作为蚀刻掩膜对前述半导体基板进行蚀刻而在前述半导体基板主面上形成多个凹部的工序；使多个微细柱状晶体从各凹部出发，通过各开口部，向前述掩模图案的上方生长的工序；使活性层或者光吸收层在前述微细柱状晶体上生长的工序；以及形成包覆前述活性层或者光吸收层的半导体层的工序。基于本专利技术，能够通过调整掩模图案的开口部位置来控制半导体基板上所形成的微细柱状晶体的位置。另外，通过调整各开口部正下方的凹部直径来控制微细柱状晶体的直径，由此，可以将从活性层放出的光的峰值波长或者由光吸收层吸收的光的波长设定为所需的波长。因此，本专利技术能够提供一种，该半导体光学元件阵列具有可高精度控制基板上所形成的微细柱状晶体的位置以及形状而控制微细柱状晶体的发光波长或者光的吸收波长的结构。附图说明 关于上述目的和其它目的、特征以及优点，通过下述优选实施方式以及附图，进一步进行明确化。图I(A) (D)是概要性表示本专利技术的一个实施方式的半导体元件的制造工序的剖面图。图2是表示形成于掩模图案上的开口部的图案的一个实例的图。图3是表示纳米柱的图案的一个实例的图。图4(A)、(B)是概要性表示微细柱状晶体的尖端部的沿着中心轴的剖面形状的图。图5是表示形成于模板基板上的凹部直径与纳米柱的发光波长之间关系的曲线图。图6是表示PL(Photoluminescence 光致发光)发光波长与光强度之间关系的曲线图。图7是表示纳米柱直径(Nanocolumn Size 纳米柱尺寸)与所检测出的峰值波长 (Peak Wavelengt本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种半导体光学元件阵列，其包括：具备形成有多个凹部的主面的半导体基板；形成于前述半导体基板的该主面上并且具备分别设置于前述多个凹部的正上方的多个开口部的掩模图案；从前述多个凹部出发，通过前述多个开口部，向前述掩模图案的上方生长的由ＩＩＩ族氮化物半导体构成的多个微细柱状晶体；分别在前述多个微细柱状晶体上生长的活性层或者光吸收层；以及包覆前述各活性层或者光吸收层的半导体层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：岸野克巳，
申请(专利权)人：学校法人上智学院，
类型：发明
国别省市：JP