JP2003158074A - Semiconductor multilayer substrate and method of manufacturing semiconductor multilayer film - Google Patents
Semiconductor multilayer substrate and method of manufacturing semiconductor multilayer filmInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 基板への微小な凹凸の形成あるいは傾斜方向
へ細長い成長領域を形成することで転位の少ない良好な
格子定数または極性の異なる半導体多層基板を提供す
る。
【解決手段】 <001>方向の表面を有するSi基板
31表面上に全ての方向に対してステップを有するよう
に、山状の凸部32を形成する。そして、この凸部の形
成された半導体基板上に上に厚み2nmのGaAs結晶
薄膜33および100nmのSi結晶薄膜34を成長し
て半導体多層基板を得る。
[PROBLEMS] To provide a semiconductor multi-layer substrate having good lattice constant or different polarity with few dislocations by forming minute unevenness on a substrate or forming a growth region elongated in a tilt direction. SOLUTION: A mountain-shaped convex portion 32 is formed on a surface of a Si substrate 31 having a surface in a <001> direction so as to have steps in all directions. Then, a GaAs crystal thin film 33 having a thickness of 2 nm and a Si crystal thin film 34 having a thickness of 100 nm are grown on the semiconductor substrate on which the convex portions are formed to obtain a semiconductor multilayer substrate.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は異なる格子定数または極
性を有する複数の半導体結晶を同一基板上に成長する半
導体結晶構造およびその製造方法、さらにこの半導体結
晶構造を用いた半導体レーザ、発光タ゛イオート゛等の発光素
子、受光素子、光導波路素子、電子素子およびその製造
方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor crystal structure in which a plurality of semiconductor crystals having different lattice constants or polarities are grown on the same substrate and a method for manufacturing the same, and a semiconductor laser, a light emitting diode, etc. using the semiconductor crystal structure. The present invention relates to a light emitting element, a light receiving element, an optical waveguide element, an electronic element, and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体結晶基板と格子定数が異なる半導
体結晶薄膜を成長する場合、基板を構成する原子と薄膜
を構成する原子が同様の規則性を持って連続して配列さ
れるために、半導体結晶薄膜を構成する原子の配列は立
方体から直方体へと変形する。2. Description of the Related Art When a semiconductor crystal thin film having a lattice constant different from that of a semiconductor crystal substrate is grown, the atoms constituting the substrate and the atoms constituting the thin film are continuously arranged with the same regularity. The arrangement of atoms forming the crystal thin film is transformed from a cube to a rectangular parallelepiped.
【0003】この変形により半導体結晶薄膜中に応力が
発生する。2つの結晶の格子定数が異なること、すなわ
ち格子不整合により発生した応力が、結晶を構成する原
子の結合エネルギーより大きくなったときに結晶中に転
位が発生して応力が緩和される。転位とは、原子の存在
していない領域であり、転位を導入することで結晶表面
の面内に存在する原子の数を調整して、(基板の格子定
数*面内の原子数)=(薄膜の格子定数*面内の原子数
`)とすることができる。従って、格子定数の異なる2
種類の結晶を連続して成長した場合には、成長膜厚が厚
くなって薄膜内の内部応力が転位の発生エネルギー以上
になった場合に、転位を発生して応力を緩和することと
なる。しかしながら、薄膜内の転位はトラップとなり電
子の移動度を低下させたり、光子の消滅中心となる等問
題となるために、デバイスの活性領域における転位の密
度を低下させる必要があった。This deformation causes stress in the semiconductor crystal thin film. When the two crystals have different lattice constants, that is, when the stress generated by the lattice mismatch becomes larger than the binding energy of the atoms constituting the crystal, dislocations are generated in the crystals and the stress is relaxed. A dislocation is a region in which no atom exists, and the number of atoms existing in the plane of the crystal surface is adjusted by introducing dislocation, and ((lattice constant of substrate * number of atoms in plane) = ( Lattice constant of thin film * number of atoms in plane ") Therefore, 2 with different lattice constants
When the types of crystals are continuously grown, when the grown film thickness becomes thicker and the internal stress in the thin film becomes equal to or higher than the dislocation generation energy, dislocations are generated to relax the stress. However, dislocations in the thin film act as traps, reducing electron mobility, and becoming photon annihilation centers. Therefore, it is necessary to reduce dislocation density in the active region of the device.
【0004】一方、基板21と結晶成長した結晶22の
極性が異なる場合を図1に示す。例えばSiは一種類の
原子で構成されているために非極性分子を構成している
が、GaAsは陽性のGaと陰性のAsとで構成されて
いるために極性分子を構成する。非極性分子上に極性分
子薄膜を成長した場合には、極性不適合により極性−非
極性分子間の結合には大きなエネルギーが必要となるた
め、連続した薄膜が形成されないという問題がある。す
なわち、極性分子は非極性分子より極性分子上に存在し
た方がよりエネルギーか小さくなるために島状に成長す
る。その結果、成長が進んでそれぞれの島が大きくな
り、ぶつかりあったところに境界が発生する。この境界
をAPD23(アンチフェーズドドメイン)という。境
界では原子が連続しておらず多くの転位を含むために、
格子定数が異なる結晶を成長した場合と同様に大きな問
題となる。この場合も同様に転位によるデバイス特性の
劣化が問題となっていた。On the other hand, FIG. 1 shows the case where the substrate 21 and the crystal grown crystal 22 have different polarities. For example, Si constitutes a non-polar molecule because it is composed of one kind of atom, whereas GaAs constitutes a polar molecule because it is composed of positive Ga and negative As. When a polar molecular thin film is grown on a non-polar molecule, a large amount of energy is required for bonding between polar and non-polar molecules due to polarity incompatibility, so that there is a problem that a continuous thin film cannot be formed. That is, the polar molecule grows in an island shape because it has smaller energy when it is present on the polar molecule than when it is a non-polar molecule. As a result, growth progresses and each island grows, creating boundaries where they meet. This boundary is called APD23 (antiphased domain). At the boundary, the atoms are not continuous and contain many dislocations.
As in the case of growing a crystal with a different lattice constant, it becomes a big problem. In this case as well, deterioration of device characteristics due to dislocations has been a problem.
【0005】基板と結晶界面付近には上述したように、
格子不整合や極性非極性による転位が発生するが、バッ
ファ層である結晶を成長し続けることで転位の密度を低
下させて、その後に成長するデバイスの活性層領域への
転位の伝播を抑制することができる。効果的な方法とし
ては組成が異なる2種類の膜膜で且つ一方に格子歪を導
入した臨界膜厚以下の薄膜を多層に積層することで、薄
膜の界面に於て転位をストップすることができる。これ
により、薄膜の成長に応じて転位密度を低下することが
できる。その後、この結晶を高温にてアニールすること
で安定した低転位の多層膜結晶基板が得られることにな
る。As described above, near the crystal interface between the substrate and
Dislocations are generated due to lattice mismatch and polar nonpolarity, but dislocation density is reduced by continuing to grow the buffer layer crystal, and the propagation of dislocations to the active layer region of the device to be grown thereafter is suppressed. be able to. As an effective method, it is possible to stop dislocations at the interface of the thin films by laminating two or more kinds of film films having different compositions and one of which is a critical film thickness or less in which lattice strain is introduced . Thereby, the dislocation density can be reduced according to the growth of the thin film. Then, this crystal is annealed at a high temperature to obtain a stable low-dislocation multi-layer crystal substrate.
【0006】上記のように半導体基板上に格子定数また
は極性の異なる半導体結晶を成長する場合、格子不整合
または極性・非極性により発生する内部応力を厚い膜厚
の結晶を成長することで転位により吸収し良質の半導体
多層膜を得る検討が行われてきているが、図2に従来の
半導体多層膜の例を示す。In the case of growing a semiconductor crystal having different lattice constants or polarities on the semiconductor substrate as described above, the internal stress generated by the lattice mismatch or polar / nonpolar is caused by dislocation by growing a crystal having a large film thickness. Although studies have been conducted to obtain a good-quality semiconductor multilayer film by absorption, FIG. 2 shows an example of a conventional semiconductor multilayer film.
【0007】Si基板1上に200度で第1のGaAs
結晶2を50nm成長した後、580度で10分アニー
ルを行い、さらに第2のGaAs結晶4を580度で1
μm成長した後330度で第3のGaAs5を1μm成
長することで、第1のGaAs2結晶内に転位を発生さ
せて応力を緩和し、第3のGaAs5結晶内には転位を
伝播させないことが可能となっている。ここでは完成度
の高い結晶を得るために(001)面より<011>方
向に6度傾斜したSi基板を用いたり、Siエピタキシ
ャル基板を用いたりすることで、さらに第2のGaAs
結晶内の転位を減少している[ヒロフミ.シモムラ、ヨシタカ.オカタ゛、ミツ
オ.カワヘ゛、インターナショナル カンファレンス オン ソリット゛ステート テ゛ハ゛イス
アント゛ マテリアリアルス、1992,S-II-8 (H. Shimomura, Yoshita
ka. Okada, Mitsuo Kawabe, International conference
on Solid State Device and Materials,1992,S-II-
8]。First GaAs at 200 ° on Si substrate 1
After the crystal 2 is grown to 50 nm, it is annealed at 580 ° C. for 10 minutes, and the second GaAs crystal 4 is annealed at 580 ° C.
It is possible to generate dislocations in the first GaAs2 crystal and relax the stress by growing the third GaAs5 1 μm at 330 degrees after the growth of μm and prevent the dislocation from propagating in the third GaAs5 crystal. Has become. Here, in order to obtain a crystal with a high degree of perfection, a Si substrate tilted by 6 degrees in the <011> direction from the (001) plane is used, or a Si epitaxial substrate is used.
Decreasing dislocations in crystals [Hirofumi Shimomura, Yoshitaka Okata, Mitsuo Kawabe, International Conference on Solid State Devices
And Materia Reals, 1992, S-II-8 (H. Shimomura, Yoshita
ka. Okada, Mitsuo Kawabe, International conference
on Solid State Device and Materials, 1992, S-II-
8].
【0008】半導体発光素子および電子素子としてはS
i基板全面にGaAs結晶を成長した後にストライプ上
に活性領域が形成されている。As a semiconductor light emitting element and an electronic element, S
After growing a GaAs crystal on the entire surface of the i substrate, an active region is formed on the stripe.
【0009】上記のように、歪多層薄膜結晶の成長とア
ニールにより転位密度が低い結晶を得ることはできる
が、良好な結晶を得るためには厚い結晶が必要となり、
長時間の結晶成長が要求されるばかりでなく、転位が発
生しても完全に応力が緩和されないことによりデバイス
作製中に多層膜結晶基板が容易に破損したり、基板の湾
曲等によるプロセスの制約等と大きな問題となる。As described above, it is possible to obtain a crystal with a low dislocation density by growing and annealing a strained multilayer thin film crystal, but a thick crystal is required to obtain a good crystal,
Not only long-term crystal growth is required, but stress is not completely relaxed even when dislocations occur, so that the multilayer crystal substrate is easily damaged during device fabrication, and process constraints due to substrate bending, etc. It becomes a big problem.
【0010】ところで、極性非極性の問題はかなり解決
されつつあり、基板に傾斜をつけて結晶成長が開始する
ポイントを多くすることにより、島状成長の抑制が可能
であることが示されている。しかしながら、基板に傾斜
をつけることによりへき開性の低下や、デバイス形状の
等方性の劣化等が問題となる。By the way, the problem of polar non-polarity is being solved considerably, and it has been shown that it is possible to suppress the island-like growth by inclining the substrate and increasing the number of points at which crystal growth starts. . However, the inclination of the substrate causes problems such as deterioration of cleavage and deterioration of isotropicity of the device shape.
【0011】以上のような低転位化のアプローチは厚膜
を必要とするということで大きな問題点を内包してい
る。言い替えれば、厚膜化することで低転位化は可能で
あるが、基板の破損や湾曲等の問題により量産デバイス
に適応可能とは考えられない。すなわち、厚膜の形成な
くして安定した低転位結晶を得る必要がある。The above-mentioned low dislocation approach involves a big problem in that a thick film is required. In other words, it is possible to reduce dislocations by increasing the film thickness, but it cannot be considered applicable to mass-produced devices due to problems such as breakage and bending of the substrate. That is, it is necessary to obtain a stable low dislocation crystal without forming a thick film.
【0012】また、Si基板が非極性原子で構成されて
いるのに対して、成長する結晶であるGaAsが極性分
子であることにより、アンチフェイズドメイン(AP
D)が発生するが、このAPDを抑制する方法として、
<110>方向に2度程度の傾斜をもつ(001)表面
を有する基板上に、結晶成長することで傾斜方向にはA
PDの発生が抑制される。また厚膜を形成してアニール
することで、結晶表面におけるAPDによる転位がきわ
めて少なくなるという報告がある(NTT)。Further, since the Si substrate is composed of non-polar atoms, the growing crystal GaAs is a polar molecule, so that the anti-phase domain (AP
D) occurs, but as a method of suppressing this APD,
By growing a crystal on a substrate having a (001) surface having an inclination of about 2 degrees in the <110> direction, A
Generation of PD is suppressed. In addition, there is a report that dislocation due to APD on the crystal surface is extremely reduced by forming a thick film and annealing (NTT).
【0013】さらに、Si基板上に酸化膜をもちいたス
トライプを形成してGaAs結晶を選択成長する方法と
して(特開平3−171617号公報、特開平3−24
7597号公報)がある。2度傾斜した基板上にストラ
イプを形成してストライプの開口部に半導体結晶を選択
成長するものである。Further, as a method for forming a stripe using an oxide film on a Si substrate and selectively growing a GaAs crystal (Japanese Patent Laid-Open Nos. 3-171617 and 3-24).
7597). A stripe is formed on a substrate inclined by 2 degrees, and a semiconductor crystal is selectively grown in the opening of the stripe.
【0014】しかしながら、きわめて重要であるストラ
イプの方向と基板の傾斜角度の関係について言及されて
いない。また、基板の傾斜角度が2度と小さいために、
APDの抑制効果が小さく、ストライプのと基板の傾斜
角度を同じにした場合においても薄膜結晶を形成した場
合にはAPDによる転位が発生してしまい、低転位の薄
膜結晶は実現できない。半導体結晶を厚膜としてアニー
ルすることで転位を抑制できたと考えられる。However, no mention is made of the extremely important relationship between the stripe direction and the tilt angle of the substrate. Moreover, since the inclination angle of the substrate is as small as 2 degrees,
The effect of suppressing APD is small, and even when the inclination angle of the substrate is the same as that of the stripe, when a thin film crystal is formed, dislocation occurs due to APD, and a low dislocation thin film crystal cannot be realized. It is considered that dislocations could be suppressed by annealing the semiconductor crystal as a thick film.
【0015】つまり、この場合はGaAs結晶をストラ
イプの幅と同程度に厚い厚膜結晶を形成する必要がある
と共に、結晶全面に化合物結晶を成長することを目的と
しており、低転位の薄膜結晶は実現できない。In other words, in this case, it is necessary to form a thick film crystal of GaAs crystal as thick as the width of the stripe, and the purpose is to grow a compound crystal on the entire surface of the crystal. It cannot be realized.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】上記の転位の発生を防
止するために、臨界膜厚以下の薄い結晶を成長する必要
がある。しかしながら、Siが非極性結晶であるのに対
してGaAsが極性結晶であるために臨界膜厚以下でも
転位の発生が確認されている。In order to prevent the above dislocation from occurring, it is necessary to grow a thin crystal having a critical film thickness or less. However, since Si is a non-polar crystal and GaAs is a polar crystal, it has been confirmed that dislocations occur even below the critical film thickness.
【0017】本発明は上記問題点に鑑み、極性非極性に
よる転位の発生を無くするために凹凸結晶基板表面上に
半導体結晶を成長するか、または傾斜基板上にストライ
プを形成して傾斜方向と垂直な方向での極性非極性によ
る転位の発生を抑制することで異なる格子定数または極
性の複数の結晶を成長した半導体多層膜およびその製造
方法を提供すると共に、この半導体多層膜を用いて作製
した発光素子、受光素子、電子素子の構造およびその製
造方法を提供するものである。In view of the above problems, the present invention grows a semiconductor crystal on the surface of a concave-convex crystal substrate in order to eliminate the occurrence of dislocations due to non-polarity, or forms a stripe on a tilted substrate to form a tilt direction. A semiconductor multilayer film in which a plurality of crystals having different lattice constants or polarities are grown by suppressing the generation of dislocations due to polar nonpolarity in the vertical direction, and a method for manufacturing the same are provided, and the semiconductor multilayer film is manufactured using this semiconductor multilayer film. A structure of a light emitting element, a light receiving element, an electronic element, and a method for manufacturing the same are provided.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の半導体多層膜基板は、結晶基板表面に凹凸
を有するかまたは結晶基板の傾斜方向に細長い結晶成長
領域を有しており、これらの上に成長された格子定数ま
たは極性の異なる結晶で構成される。また、ステップの
無い半導体基板上に極性を有する結晶を成長すること
で、均一な量子ドットで構成されている。In order to achieve the above object, the semiconductor multilayer film substrate of the present invention has irregularities on the surface of the crystal substrate or has elongated crystal growth regions in the tilt direction of the crystal substrate. , Composed of crystals with different lattice constants or different polarities grown on them. Further, by growing a crystal having a polarity on a semiconductor substrate without steps, the quantum dots are formed uniformly.
【0019】さらに、本発明の半導体多層膜基板の製造
方法は、半導体基板上に、凹凸を形成する工程と、ある
いは傾斜方向に細長い結晶成長領域を形成する工程と、
格子定数または極性の異なる結晶を成長する工程を有す
る構成となっている。Further, the method for manufacturing a semiconductor multilayer film substrate of the present invention comprises a step of forming irregularities on the semiconductor substrate, or a step of forming elongated crystal growth regions in a tilt direction,
The structure has a step of growing crystals having different lattice constants or polarities.
【0020】[0020]
【作用】本発明において、微小領域に格子不整合による
転位発生の臨界膜厚以下の結晶を成長することで上記の
問題はすべて解決される。微小領域とすることで以下に
示すメリットがある。第1に、結晶薄膜中に発生する横
方向の応力は小さくなるとともに、臨界膜厚が上昇す
る。第2に、基板に与える応力が著しく減少するため
に、基板に存在する内部応力による破損や湾曲等の問題
が無くなる。第3に、必要とされる原料が少量ですみ、
結晶成長時間も短縮される。第4に、結晶成長によりデ
バイス形状を作製することが可能となるために、デバイ
ス作製時のプロセスの簡易化が可能となる。第5に、結
晶が成長する面積が小さいために島状成長が抑制され
る。In the present invention, all of the above problems can be solved by growing a crystal having a critical film thickness or less for dislocation generation due to lattice mismatch in a minute region. The small area has the following advantages. First, the lateral stress generated in the crystalline thin film is reduced and the critical film thickness is increased. Second, since the stress applied to the substrate is significantly reduced, problems such as damage and bending due to the internal stress existing in the substrate are eliminated. Third, a small amount of raw material is needed,
The crystal growth time is also shortened. Fourthly, since it becomes possible to manufacture a device shape by crystal growth, it becomes possible to simplify the process at the time of manufacturing the device. Fifth, island growth is suppressed because the area where the crystal grows is small.
【0021】一方、臨界膜厚以下に薄膜化することで以
下に示すメリットがある。第1に、結晶薄膜中に発生す
る応力が小さく転位は発生しない。第2に、基板に与え
る応力が著しく減少するために、基板に存在する内部応
力による破損や湾曲等の問題が無くなる。第3に、バッ
ファ層を成長する必要が無いため、必要とされる原料が
少量ですみ結晶成長時間も短縮される。第4に、活性領
域を基板上に直接形成できるために基板のエネルギー状
態等を利用したデバイスを作製することが可能となる。On the other hand, the following advantages can be obtained by making the film thickness less than the critical film thickness. First, the stress generated in the crystalline thin film is small and dislocations do not occur. Second, since the stress applied to the substrate is significantly reduced, problems such as damage and bending due to the internal stress existing in the substrate are eliminated. Thirdly, since it is not necessary to grow the buffer layer, a small amount of raw material is required and the crystal growth time is shortened. Fourthly, since the active region can be directly formed on the substrate, it becomes possible to fabricate a device utilizing the energy state of the substrate.
【0022】さらに、微小領域の形状を基板の傾斜方向
に細長くすることにより極性非極性の影響を緩和でき
る。例えば、(001)面から<110>方向に基板を
傾斜させた場合には、<−110>方向にはステップが
存在しないために、<−110>方向のAPD抑制が働
かない。<110>方向に細長い領域を形成することで
<−110>方向は短くなるために、APDの抑制が可
能となる。Further, by making the shape of the minute region elongated in the tilt direction of the substrate, the influence of polar nonpolarity can be alleviated. For example, when the substrate is inclined in the <110> direction from the (001) plane, the APD suppression in the <-110> direction does not work because there are no steps in the <-110> direction. By forming the elongated region in the <110> direction, the <−110> direction is shortened, so that APD can be suppressed.
【0023】ところで、広い領域にわたり多層膜結晶が
必要である場合には、微小領域を形成するわけにはいか
ない。この場合には、結晶の傾斜面を例えば<111>
方向とするかまたは基板表面に微小な凹凸を形成して表
面を斜面で構成することで結晶基板全表面にわたり原子
オーダのステップを形成できる。その結果、極性非極性
の問題は解決される。ただし、格子定数が異なる場合に
はきわめて薄い膜厚とする必要がある。By the way, when a multilayer film crystal is required over a wide area, it is impossible to form a minute area. In this case, the inclined surface of the crystal is, for example, <111>.
Steps in the atomic order can be formed over the entire surface of the crystal substrate by forming the direction or by forming minute unevenness on the surface of the substrate and forming the surface by an inclined surface. As a result, the polar and non-polar problem is solved. However, when the lattice constants are different, it is necessary to make the film thickness extremely thin.
【0024】以上のように、多層膜成長においては薄膜
化および微小面積化がきわめて有効である。本発明で
は、この格子定数または極性の異なる結晶同士の成長を
実現することで今までにない良好な特性を示すデバイス
を提供するものである。As described above, thinning and miniaturization are extremely effective in growing a multilayer film. The present invention provides a device exhibiting unprecedented good characteristics by realizing the growth of crystals having different lattice constants or polarities.
【0025】[0025]
【実施例】以下本発明の一実施例の半導体多結晶膜につ
いて、図面を参照しながら説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A semiconductor polycrystalline film according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0026】(実施例1)図3は本発明の実施例におけ
る半導体多層膜の構造図を示すものである。(Embodiment 1) FIG. 3 is a structural diagram of a semiconductor multilayer film in an embodiment of the present invention.
【0027】図3(a)において、31は<001>方
向の表面を有するSi基板、32は凹凸を有するSi基
板表面、33は厚み2nmのGaAs結晶薄膜、34は
100nmのSi結晶薄膜である。In FIG. 3A, 31 is a Si substrate having a surface in the <001> direction, 32 is a surface of a Si substrate having irregularities, 33 is a 2 nm thick GaAs crystal thin film, and 34 is a 100 nm Si crystalline thin film. .
【0028】本実施例では、Si基板32表面には格子
状レジストを用いて作製される凹凸が形成されており、
この凹凸側面は図3に示したように、(111)面等で
形成されている。ピッチはおよそ100nmである。側
面が(111)面で構成されているため、図3に示した
ように、基板31表面は原子レベルの等高線状のステッ
プにより構成されていることになる。従って、SiとG
aAsの格子不整合率は3%程度となり、GaAs結晶
は4nm程度の膜厚であれば臨界膜厚以下となり転位を
発生せずに安定して存在することができるが、GaAs
結晶33の上にSi結晶薄膜34を成長することで、G
aAsの臨界膜厚が増大している。もし、Si結晶34
が存在しない場合には2nm程度の臨界膜厚程度であ
る。In this embodiment, the surface of the Si substrate 32 is formed with irregularities made of a grid-shaped resist,
As shown in FIG. 3, the uneven side surface is formed of a (111) plane or the like. The pitch is approximately 100 nm. Since the side surface is composed of the (111) plane, as shown in FIG. 3, the surface of the substrate 31 is composed of atomic level contour-shaped steps. Therefore, Si and G
The lattice mismatch ratio of aAs is about 3%, and the GaAs crystal has a thickness of about 4 nm or less, which is below the critical thickness and can exist stably without generating dislocations.
By growing a Si crystal thin film 34 on the crystal 33, G
The critical film thickness of aAs is increasing. If Si crystal 34
In the case where no is present, the critical film thickness is about 2 nm.
【0029】図3に示したように、本実施例の半導体多
層膜は基板表面に原子オーダーのステップが全ての方向
に対して存在しているために各ステップに於てGaAs
結晶33が核生成してお互いに融合し、従って極性非極
性によるAPDの発生を防止することができる。また、
GaAs結晶膜33は2nmであり、臨界膜厚以下なの
で転位も発生しない。さらに、GaAs結晶33は格子
歪を有しているために、縮退が解けており、各種デバイ
スの活性領域として歪を有しない場合より良好な特性を
示す。As shown in FIG. 3, since the semiconductor multilayer film of this embodiment has atomic-order steps on all directions in the substrate surface, GaAs is formed at each step.
The crystals 33 nucleate and fuse with each other, thus preventing generation of APD due to polar nonpolarity. Also,
Since the GaAs crystal film 33 has a thickness of 2 nm, which is less than the critical film thickness, dislocation does not occur. Further, since the GaAs crystal 33 has lattice strain, the degeneracy is resolved, and the GaAs crystal 33 exhibits better characteristics than the case where it has no strain as the active region of various devices.
【0030】なお、凹凸は多重露光法によるエッチング
で形成するが、電子ビーム等の描画法を用いてもよい
し、エッチングにより結晶表面を荒してもよい。Although the unevenness is formed by etching by a multiple exposure method, a drawing method using an electron beam or the like may be used, or the crystal surface may be roughened by etching.
【0031】以上のように、本実施例Si基板31表面
が凹凸を有し、原子オーダーのステップを有しており、
その上にSi結晶薄膜を成長しているために、GaAs
結晶33をきわめて薄くしても基板全体として応力的に
釣合が取れ、GaAs結晶33内に転位等の発生をおさ
えることができる。As described above, the surface of the Si substrate 31 of the present embodiment has irregularities and has atomic steps.
Since a Si crystal thin film is grown on it, GaAs
Even if the crystal 33 is extremely thin, the substrate as a whole can be balanced in terms of stress and dislocations and the like can be suppressed in the GaAs crystal 33.
【0032】(実施例2)図4は本発明第2の実施例に
おける半導体多結晶膜の構造図を示すものである。(Embodiment 2) FIG. 4 is a structural diagram of a semiconductor polycrystalline film in a second embodiment of the present invention.
【0033】図4において、41はSi基板、42は<
110>方向に10度傾斜したSi基板表面、43は絶
縁膜、44は結晶を成長する窓領域、45は厚み2nm
のGaAs結晶薄膜、46は100nmのSi結晶薄膜
である。In FIG. 4, 41 is a Si substrate and 42 is <
Si substrate surface inclined by 10 degrees in the 110> direction, 43 is an insulating film, 44 is a window region for growing crystals, and 45 is a thickness of 2 nm.
Is a GaAs crystal thin film, and 46 is a 100 nm Si crystal thin film.
【0034】本実施例では、Si基板表面は<110>
方向に10度傾斜している為に<10>方向には10原
子のテラスと1原子のステップにより表面が形成される
ため、その方向には極性非極性によるAPDは発生しな
い。In this embodiment, the surface of the Si substrate is <110>.
Since the surface is formed by a terrace of 10 atoms and a step of 1 atom in the <10> direction because it is inclined by 10 degrees in the direction, APD due to polar nonpolarity does not occur in that direction.
【0035】ここで、<−110>方向にはステップが
存在しないため<−110>方向に極性非極性の島状成
長を助長する表面張力が発生することが考えられるが、
本実施例では<−110>方向の幅を2μm長さが1m
mと島状成長する領域より狭い窓領域を形成してそこに
選択的にGaAs結晶45を成長しているため、島状成
長を抑制することができる。すなわち、極性非極性によ
り形成される島状結晶の大きさより窓領域の幅を小さく
することで<−110>方向のAPDの発生を防止する
ことができる。Here, since there are no steps in the <-110> direction, it is conceivable that surface tension that promotes polar and non-polar island-like growth is generated in the <-110> direction.
In this embodiment, the width in the <-110> direction is 2 μm and the length is 1 m.
Since a window region narrower than the region where m and islands grow is formed and the GaAs crystal 45 is selectively grown therein, the island growth can be suppressed. That is, by making the width of the window region smaller than the size of the island-like crystals formed by polar nonpolarity, the generation of APD in the <-110> direction can be prevented.
【0036】GaAs結晶45の上にSi結晶薄膜46
を成長することで、GaAsの臨界膜厚は増大し、Ga
As結晶45は臨界膜厚以下になっている。Si crystal thin film 46 on GaAs crystal 45
Growth of GaAs increases the critical thickness of GaAs.
The As crystal 45 is below the critical film thickness.
【0037】図4(b)に示したように、本実施例の半
導体多層膜は基板41表面に原子オーダーのステップを
有するために極性非極性によるAPDは発生せず、ま
た、臨界膜厚以下であるために、転位も発生しない。さ
らに、GaAs結晶45は格子歪を有しているために、
縮退が解けており、各種デバイスの活性領域として歪を
有しない場合より良好な特性を得ることができる。As shown in FIG. 4B, since the semiconductor multilayer film of this embodiment has atomic-order steps on the surface of the substrate 41, APD due to non-polarity does not occur, and the thickness is less than the critical film thickness. Therefore, dislocation does not occur. Furthermore, since the GaAs crystal 45 has lattice distortion,
The degeneracy is resolved, and better characteristics can be obtained as compared with the case where the active region of various devices has no strain.
【0038】本実施例においても第1の実施例と同様
に、本発明はGaAs結晶45がきわめて薄いこと、さ
らにその上にSi結晶薄膜46を成長しているために基
板全体として応力的に釣合が取れていること、さらにG
aAs45結晶内に転位等が発生しないことがポイント
となっており、従来のように絶縁膜ストライプを用いた
成長を行っていても厚膜結晶を成長していることと大き
く異なっていることを特長としている。Also in this embodiment, as in the first embodiment, according to the present invention, since the GaAs crystal 45 is extremely thin and the Si crystal thin film 46 is grown on the GaAs crystal 45, the entire substrate is stress-balanced. That the match is good, and G
The point is that dislocations and the like do not occur in the aAs45 crystal, and it is very different from the growth of thick film crystals even if the growth is performed using insulating film stripes as in the past. I am trying.
【0039】(実施例3)図5は本発明第3の実施例に
おける半導体レーザの構造図を示すものである。(Embodiment 3) FIG. 5 is a structural diagram of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
【0040】図5において、51はn−Si基板、52
は干渉露光法で、100nmピッチで<110>方向と
<−110>方向にレジストグレーティングを形成した
後に、エッチングにより凹凸をつけたSi基板表面、5
3は膜厚500nmの絶縁膜、54はGaAs結晶を成
長する窓領域、55はエピタキシャル成長した厚み2n
mのGaAs結晶薄膜、56はエピタキシャル成長した
200nmのp−Si単結晶薄膜、57はp側電極、5
8はn側電極である。光出射光端面はドライエッチング
により形成し、スクライブにより素子に分離した。共振
器長は500μmである。なお、本実施例では、MBE
法を用いてGaAsおよびSi薄膜を成長している。In FIG. 5, 51 is an n-Si substrate, and 52 is
Is an interference exposure method, and after forming a resist grating in a <110> direction and a <−110> direction at a pitch of 100 nm, the surface of a Si substrate having irregularities by etching 5
3 is an insulating film having a film thickness of 500 nm, 54 is a window region for growing a GaAs crystal, 55 is an epitaxially grown thickness 2n.
m is a GaAs crystal thin film, 56 is an epitaxially grown 200 nm p-Si single crystal thin film, 57 is a p-side electrode, 5
Reference numeral 8 is an n-side electrode. The light emitting light end face was formed by dry etching and separated into elements by scribing. The resonator length is 500 μm. In this embodiment, MBE
Method is used to grow GaAs and Si thin films.
【0041】本実施例の半導体レーザは、Si基板51
上にGaAs55を形成しているが、Siに対してGa
Asの屈折率が大きいためにGaAs薄膜55付近で光
強度が最大となり、Si基板51上に形成したグレーテ
ィングの凹凸によりレーザの活性層であるGaAs結晶
55の膜厚が変調されて分布利得型のDFBレーザとし
て発振する。この時、GaAs結晶薄膜55の膜厚が2
nmと極めて薄いためにGaAs薄膜55上に結晶成長
したSi56にはAPDは発生しない。なお、発光波長
は1.15μm程度でDFB発振波長は1.1μmであ
り、1.3μm用ファイバアンプ励起用光源として使用
できる。また、発振閾値は20mA、スロープ効率は5
0%となる。The semiconductor laser of the present embodiment has a Si substrate 51.
GaAs 55 is formed on top, but Ga is used for Si
Since the refractive index of As is large, the light intensity is maximized near the GaAs thin film 55, and the thickness of the GaAs crystal 55, which is the active layer of the laser, is modulated by the unevenness of the grating formed on the Si substrate 51, so that the distributed gain type It oscillates as a DFB laser. At this time, the thickness of the GaAs crystal thin film 55 is 2
APD does not occur in the Si 56 crystal-grown on the GaAs thin film 55 because it is extremely thin as nm. The emission wavelength is about 1.15 μm and the DFB oscillation wavelength is 1.1 μm, which can be used as a fiber amplifier excitation light source for 1.3 μm. The oscillation threshold is 20 mA and the slope efficiency is 5.
It becomes 0%.
【0042】(実施例4)図6は本発明第4の実施例に
おける半導体レーザの構造図を示すものである。(Embodiment 4) FIG. 6 is a structural diagram of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
【0043】図6において、61はn−Si基板、62
は干渉露光法で、100nmピッチで<110>方向と
<−110>方向にレジストグレーティングを形成した
後にエッチングにより凹凸をつけたSi基板表面、63
はエピタキシャル成長した厚み2nmのInGaAs結
晶薄膜、64はエピタキシャル成長した200nmのp
−Si単結晶薄膜、65はエピタキシャル成長した膜厚
1μmのn−Si単結晶薄膜、66は電極である。素子
の外形は第3の実施例と同様に作製した。In FIG. 6, 61 is an n-Si substrate and 62
Is an interference exposure method, and a Si substrate surface is formed by forming a resist grating in a <110> direction and a <−110> direction at a pitch of 100 nm and then making unevenness by etching.
Is an epitaxially grown InGaAs crystal thin film having a thickness of 2 nm, and 64 is an epitaxially grown 200 nm p film.
-Si single crystal thin film, 65 is an epitaxially grown n-Si single crystal thin film with a film thickness of 1 [mu] m, and 66 is an electrode. The outer shape of the device was produced in the same manner as in the third embodiment.
【0044】本実施例の半導体レーザは、上記第3の実
施例の半導体レーザと比較してInGaAs活性層63
の側面が絶縁膜ではなく、p−Si64により覆ってい
る点が異なる。The semiconductor laser of this embodiment is different from the semiconductor laser of the third embodiment in that the InGaAs active layer 63 is
The side surface of is covered with p-Si64 instead of an insulating film.
【0045】本実施例の半導体レーザは注入した電流は
p−Si層64で狭索された後、活性層63に注入され
るが、発光波長は1.8μm程度でDFB発振波長は
1.7μmであり、発振閾値は10mA、スロープ効率
は50%である。このように活性層への結晶欠陥の伝播
が抑制されて低閾値化が実現されるのは、活性層63側
面をSi結晶で覆っていることに基づくものである。In the semiconductor laser of this embodiment, the injected current is narrowed by the p-Si layer 64 and then injected into the active layer 63. The emission wavelength is about 1.8 μm and the DFB oscillation wavelength is 1.7 μm. The oscillation threshold is 10 mA and the slope efficiency is 50%. The reason why the crystal defects are prevented from propagating to the active layer and the threshold value is lowered as described above is based on the fact that the side surface of the active layer 63 is covered with Si crystal.
【0046】(実施例5)図7は本発明第5の実施例に
おける半導体受光素子の構造図を示すものである。(Embodiment 5) FIG. 7 is a structural diagram of a semiconductor light receiving element in a fifth embodiment of the present invention.
【0047】図7において、71は<110>方向に1
0度傾斜したn−Si基板、72は絶縁膜、73はGa
As結晶を成長する窓領域、74はエピタキシャル成長
した厚み2nmのInGaAs結晶薄膜、75はエピタ
キシャル成長した100nmのp−Si単結晶薄膜、7
6はp側電極、77はn側電極である。窓領域は50μ
mピッチで10本平行に形成し一端をp側電極でまとめ
ている。窓領域の長さは500μmである。なお、本実
施例では、MBE法を用いてInGaAsおよびSi薄
膜を成長している。In FIG. 7, 71 is 1 in the <110> direction.
N-Si substrate inclined at 0 degree, 72 an insulating film, and 73 Ga
A window region for growing As crystals, 74 is an epitaxially grown InGaAs crystal thin film with a thickness of 2 nm, 75 is an epitaxially grown 100 nm p-Si single crystal thin film, 7
6 is a p-side electrode, and 77 is an n-side electrode. Window area is 50μ
10 pieces are formed in parallel at an m pitch, and one end is gathered by a p-side electrode. The length of the window region is 500 μm. In this embodiment, the InGaAs and Si thin films are grown by using the MBE method.
【0048】InGaAsはSiに対して格子定数が大
きいために圧縮歪が導入されることが考えられる。しか
しながら、本実施例の半導体レーザはSi基板71を<
110>方向に10度傾斜させ、また光吸収層であるI
nGaAs薄膜74は歪が無い場合においては2.6μ
m程度となるInAsに近い組成としている。Since InGaAs has a larger lattice constant than Si, compressive strain is considered to be introduced. However, in the semiconductor laser of this embodiment, the Si substrate 71 is
The light absorption layer I is tilted by 10 degrees in the 110> direction and is I.
The nGaAs thin film 74 is 2.6 μ when there is no strain.
The composition is close to InAs, which is about m.
【0049】その結果、受光波長は2μm程度まで可能
となり、広い波長範囲で均一な変換効率の受光素子が実
現される。変換効率は98%であった。特に、MSMホ
トダイオードでありながら、光吸収層はp−i−n構成
としているためにリーク電流が小さく、雑音特性も良好
である。As a result, the light receiving wavelength can be up to about 2 μm, and a light receiving element having a uniform conversion efficiency in a wide wavelength range can be realized. The conversion efficiency was 98%. In particular, even though it is an MSM photodiode, the light absorption layer has a pin structure, so that the leak current is small and the noise characteristic is good.
【0050】またSiの受光素子の受光可能波長が1.
4μm程度までであるため、それ以上の波長の受光素子
としてSiのICと集積化して、低雑音で高利得かつ高
速の受光素子を得ることができる。Further, the receivable wavelength of the Si light receiving element is 1.
Since the thickness is up to about 4 μm, it can be integrated with a Si IC as a light receiving element having a wavelength longer than that, and a low noise, high gain and high speed light receiving element can be obtained.
【0051】(実施例6)図8は本発明第6の実施例に
おける半導体光導波路の構造図を示すものである。(Embodiment 6) FIG. 8 is a structural diagram of a semiconductor optical waveguide according to a sixth embodiment of the present invention.
【0052】図8において、81は<110>方向に1
0度傾斜したn−Si基板、82は絶縁膜、83はGa
As結晶を成長する窓領域、84はエピタキシャル成長
した厚み2nmのInGaAs結晶薄膜、85はエピタ
キシャル成長した5nmのSi単結晶薄膜、86はGa
As結晶薄膜とSi単結晶薄膜より成るペア数50の導
波路層、87は絶縁膜、88はp側電極、89はn側電
極、90は屈折率変調器である。なお、本実施例では、
MBE法を用いてGaAsおよびSi薄膜を成長してい
る。In FIG. 8, 81 is 1 in the <110> direction.
N-Si substrate inclined by 0 degree, 82 an insulating film, and 83 Ga
Window region for growing As crystal, 84 is epitaxially grown 2 nm thick InGaAs crystal thin film, 85 is epitaxially grown 5 nm Si single crystal thin film, and 86 is Ga.
A waveguide layer having a number of pairs of 50 consisting of an As crystal thin film and a Si single crystal thin film, 87 is an insulating film, 88 is a p-side electrode, 89 is an n-side electrode, and 90 is a refractive index modulator. In this example,
The MBE method is used to grow GaAs and Si thin films.
【0053】本実施例の半導体光導波路において、Ga
AsはSiに対して屈折率が大きいために光が内部に閉
じ込められるが、電極に電圧を印可することで導波層路
86内の屈折率が変化して光の位相が変わり、合波した
後の出射光に強度変調を与えることができる。また、S
iのように安価でかつ強度の高い半導体結晶を基板とし
て用いることで大面積に光ICを構成できる。特に図8
に示したような光変調器の場合導波層路領域で1mm程
度、屈折率変調器領域で200μm程度の長さが必要と
なるためにGaAs基板上に素子を構成した場合には極
めて高価なものとなる。In the semiconductor optical waveguide of this embodiment, Ga
Since As has a large refractive index with respect to Si, light is confined inside, but when a voltage is applied to the electrodes, the refractive index in the waveguide layer path 86 changes, the phase of the light changes, and the light is combined. Intensity modulation can be applied to the later emitted light. Also, S
An optical IC can be formed in a large area by using a semiconductor crystal, which is inexpensive and has high strength, such as i, as a substrate. Especially Figure 8
In the case of the optical modulator as shown in FIG. 1, a length of about 1 mm is required in the waveguide layer path region and about 200 μm in the refractive index modulator region, so that it is extremely expensive when the element is formed on the GaAs substrate. Will be things.
【0054】(実施例7)図9は本発明第7の実施例に
おける半導体電子素子の構造図を示すものである。(Embodiment 7) FIG. 9 is a structural diagram of a semiconductor electronic device according to a seventh embodiment of the present invention.
【0055】図9において、91は<110>方向に1
0度傾斜したn−Si基板、92は絶縁膜、93は結晶
薄膜を成長する窓領域、94はエピタキシャル成長した
厚み2nmのGaAs結晶薄膜、95は2nmのInG
aAs結晶薄膜、96はエピタキシャル成長した10n
mのSi単結晶薄膜、97はソース電極、98はゲート
電極、99はドレイン電極である。窓領域の長さは30
0μmである。なお、本実施例では、MBE法を用いて
GaAs,InGaAsおよびSi薄膜を成長してい
る。In FIG. 9, 91 is 1 in the <110> direction.
N-Si substrate tilted by 0 degree, 92 is an insulating film, 93 is a window region for growing a crystal thin film, 94 is an epitaxially grown GaAs crystal thin film having a thickness of 2 nm, and 95 is InG having a thickness of 2 nm.
aAs crystal thin film, 96 is epitaxially grown 10n
m is a Si single crystal thin film, 97 is a source electrode, 98 is a gate electrode, and 99 is a drain electrode. The length of the window area is 30
It is 0 μm. In this embodiment, the GaAs, InGaAs and Si thin films are grown by using the MBE method.
【0056】本実施例の半導体電子素子において、In
GaAs95が活性層として機能し、移動度100000cm2/
secがえられ、ゲート電極に電圧を印可することでIn
GaAs層95に空乏層が形成されてソース97とドレ
イン99電極間に流れる電流を制御することができる。
また、InGaAs層95はドーピングしていないため
に電子の移動度が大きく、さらにInGaAs層95に
歪が導入されているために移動度は更に大きくなり、相
互コンダクタンスとしてgm=250A/Vが得られ
る。In the semiconductor electronic device of this embodiment, In
GaAs95 functions as an active layer and has a mobility of 100000 cm2 /
sec is obtained, and by applying a voltage to the gate electrode, In
A depletion layer is formed in the GaAs layer 95 to control the current flowing between the source 97 and drain 99 electrodes.
Further, since the InGaAs layer 95 is not doped, the mobility of electrons is large, and since the strain is introduced into the InGaAs layer 95, the mobility is further increased, and a mutual conductance of gm = 250 A / V is obtained. .
【0057】第3〜第7の実施例において、表面に凸部
を有する半導体基板を用いても、(001)面と異なる
面を有しその表面にストライプ状に結晶成長領域が形成
されている半導体基板を用いても同様の効果を得ること
ができる。In the third to seventh embodiments, even if the semiconductor substrate having the convex portion on the surface is used, the crystal growth region is formed in a stripe shape having a surface different from the (001) surface. The same effect can be obtained by using a semiconductor substrate.
【0058】(実施例8)上記の第1〜第7の実施例に
おいては、本発明の実施例における半導体多層膜や半導
体レーザなどについて説明したが、以下では半導体結晶
薄膜基板や半導体レーザなどのの製造方法について説明
する。(Embodiment 8) In the above-mentioned first to seventh embodiments, the semiconductor multilayer film and the semiconductor laser in the embodiments of the present invention have been described. However, the semiconductor crystal thin film substrate, the semiconductor laser and the like will be described below. The manufacturing method of will be described.
【0059】図10は本発明第8の実施例における半導
体結晶薄膜基板の製造方法を示すものである。FIG. 10 shows a method for manufacturing a semiconductor crystal thin film substrate in the eighth embodiment of the present invention.
【0060】図10において、(001)表面を有する
Si基板101上にSi102を3μmエピタキシャル
成長するSi成長工程(a)と、基板上に<110>方
向及び<−110>方向にレジストによる回折格子10
3を作製したのちフッ酸で回折格子をSi基板上に転写
する回折格子作製工程(b)と、レジストを除去した後
にSi基板全面に膜厚2nmのGaAs薄膜結晶104
および膜厚100nmのSi結晶薄膜105をMBEに
より成長する工程(c)より半導体薄膜結晶基板を得
る。In FIG. 10, a Si growth step (a) in which Si 102 is epitaxially grown to a thickness of 3 μm on a Si substrate 101 having a (001) surface, and a diffraction grating 10 made of resist in the <110> direction and the <−110> direction on the substrate.
3b, and then a diffraction grating manufacturing step (b) in which the diffraction grating is transferred onto the Si substrate with hydrofluoric acid, and after removing the resist, a GaAs thin film crystal 104 having a thickness of 2 nm is formed on the entire surface of the Si substrate.
Then, a semiconductor thin film crystal substrate is obtained by the step (c) of growing the Si crystal thin film 105 having a thickness of 100 nm by MBE.
【0061】本実施例では成長温度を650度と低温に
してSiとGaAs原子間の拡散を抑制しているが、こ
の時回折格子103のピッチは100nm程度とし、エ
ッチング深さは20nm程度である。この回折格子10
3により基板全面に原子レベルのステップが生じるた
め、薄膜の結晶成長領域を細長く限定しなくても極性非
極性分子を成長できる。GaAs層104の臨界膜厚は
3.5nm程度である。なお、基板表面は鏡面であった
が、格子定数の違いによる基板の僅かのたわみが確認さ
れた。In this embodiment, the growth temperature is set to a low temperature of 650 ° C. to suppress the diffusion between Si and GaAs atoms. At this time, the pitch of the diffraction grating 103 is about 100 nm and the etching depth is about 20 nm. . This diffraction grating 10
Since step 3 at the atomic level is generated on the entire surface of substrate 3, polar nonpolar molecules can be grown without limiting the crystal growth region of the thin film to be long and thin. The critical film thickness of the GaAs layer 104 is about 3.5 nm. Although the surface of the substrate was a mirror surface, slight bending of the substrate due to the difference in lattice constant was confirmed.
【0062】本実施例における半導体結晶薄膜基板の製
造方法では干渉露光法による回折格子によりレジストマ
スクを作製したが、1μm幅で2μmピッチ程度のライン
アンドスペースを有するフォトマスクを使用して露光を
行い、基板表面に凹凸を形成することも可能である。も
っとも、回折格子によるレジストマスクのほうがピッチ
を100nm以下に小さくできると共に、凹凸の斜面の
傾斜が小さいために均一なテラスの幅が実現されるため
に効果的である。In the method of manufacturing the semiconductor crystal thin film substrate in this example, the resist mask was manufactured by the diffraction grating by the interference exposure method, but the exposure was performed using the photomask having the line and space of about 1 μm width and about 2 μm pitch. It is also possible to form irregularities on the substrate surface. Of course, the resist mask using the diffraction grating is effective because the pitch can be reduced to 100 nm or less and the uniform slope width is realized because the slope of the uneven surface is small.
【0063】また凹凸を作製する場合、マスクのライン
の方向を<210>または<120>方向とすること
で、1回の露光で基板表面に均一な凹凸を形成できる
が、この場合凹凸をDFBレーザの回折格子としては使
用できない。従って、へき開によりDFBレーザの回折
格子として使用する場合には、へき開の方向はラインの
方向に同じく<110>または<−110>方向を向い
ている必要がある。この場合は、<110>方向にフォ
トマスクか回折格子で露光を行った後、さらに<−11
0>方向に重ねて露光することで基板面内に均一に凹凸
を形成できる。Further, in the case of producing irregularities, by setting the direction of the mask line to be the <210> or <120> direction, uniform irregularities can be formed on the substrate surface by one exposure. It cannot be used as a laser diffraction grating. Therefore, when used as a diffraction grating of a DFB laser by cleaving, the cleaving direction must also be oriented in the <110> or <-110> direction in the direction of the line. In this case, after exposure in the <110> direction with a photomask or a diffraction grating, <-11
By overlapping and exposing in the 0> direction, unevenness can be uniformly formed in the surface of the substrate.
【0064】(実施例9)図11は本発明第9の実施例
における半導体結晶薄膜基板の製造方法を示すものであ
る。(Embodiment 9) FIG. 11 shows a method for manufacturing a semiconductor crystal thin film substrate in a ninth embodiment of the present invention.
【0065】図11において、(001)面から<11
0>方向に10度傾斜した表面を有するSi基板111
上にSi112を3μmエピタキシャル成長した後、S
iO 2113を500nm堆積するSi成長工程(a)
と、レジストを基板前面に塗布した後、基板上に<11
0>方向に細長くレジストを露光し、露光された領域1
14にある絶縁膜をフッ化水素酸で除去するストライプ
作製工程(b)と、レジストを除去した後、ストライプ
窓部にSiバッファ結晶115、GaAs結晶116お
よびSi結晶117を成長する薄膜成長工程(c)より
半導体薄膜結晶基板を得る。In FIG. 11, <11 from the (001) plane
Si substrate 111 having a surface inclined by 10 degrees in the 0> direction
After epitaxially growing Si112 of 3 μm, S
iO 2Si growth step (a) for depositing 113 to 500 nm
After applying the resist on the front surface of the substrate, <11
Exposed region 1 in the 0> direction, and exposed region 1
Stripes that remove the insulating film at 14 with hydrofluoric acid
Fabrication step (b) and stripes after removing the resist
Si buffer crystal 115, GaAs crystal 116 and
And the thin film growth step (c) for growing the Si crystal 117
A semiconductor thin film crystal substrate is obtained.
【0066】本実施例において、結晶成長はMBE法に
て行った。ストライプ作製工程(b)において、<ー1
10>方向の幅が2μm、<110>方向の長さが30
0μmの窓領域が得られるようにレジストにより絶縁膜
をエッチング除去するが、このエッチングについては、
窓領域の絶縁膜の除去には基板にダメージが入らないよ
うにウエットエッチングを行っている。In this example, the crystal growth was carried out by the MBE method. In the stripe forming process (b), <-1
The width in the 10> direction is 2 μm, and the length in the <110> direction is 30 μm.
The insulating film is etched away with a resist so as to obtain a window region of 0 μm.
Wet etching is performed to remove the insulating film in the window region so that the substrate is not damaged.
【0067】薄膜形成工程(c)において、良好なGa
As/基板界面を得るためにSi基板111上にSi結
晶112をエピタキシャル成長した後に膜厚が2nmの
GaAs薄膜116と膜厚200nmのSi結晶117
を成長するが、その際、半導体結晶はSiO2113上
には成長せずSi02113のない窓領域に選択的に成
長する。その結果、成長した結晶は窓領域と同様な形状
となる。In the thin film forming step (c), good Ga
After epitaxially growing a Si crystal 112 on a Si substrate 111 to obtain an As / substrate interface, a GaAs thin film 116 having a film thickness of 2 nm and a Si crystal 117 having a film thickness of 200 nm are formed.
However, at this time, the semiconductor crystal does not grow on the SiO 2 113 but selectively grows on the window region without the Si 02113. As a result, the grown crystal has a shape similar to that of the window region.
【0068】本実施例においても第8の実施例と同様
に、成長温度を650度と低温にしてSiとGaAs原
子間の拡散を抑制している。(001)面から<110
>方向に10度傾けることで1原子のステップに対して
約10原子のテラスが存在することとなる。10原子程
度と小さいテラスの場合は、極性非極性によるAPDの
発生は認められない。Also in the present embodiment, as in the eighth embodiment, the growth temperature is set to a low temperature of 650 ° C. to suppress the diffusion between Si and GaAs atoms. <110 from the (001) plane
By tilting 10 degrees in the> direction, there is a terrace of about 10 atoms for each step of 1 atom. In the case of a terrace having a small size of about 10 atoms, generation of APD due to non-polarity is not observed.
【0069】また、Si基板表面は<110>方向に傾
いているために、<−110>方向にはステップが存在
せず、極性非極性によるAPDの発生が考えられるが、
幅2μmと小さいために、1個の結晶粒で覆われ、AP
Dは発生しない。Si結晶薄膜117は、GaAs結晶
薄膜の表面保護と格子歪の安定化のために設けられてい
る。Further, since the surface of the Si substrate is tilted in the <110> direction, there is no step in the <-110> direction, and it is conceivable that APD is generated due to polar nonpolarity.
The width is as small as 2 μm, so it is covered with one crystal grain, and AP
D does not occur. The Si crystal thin film 117 is provided to protect the surface of the GaAs crystal thin film and stabilize the lattice strain.
【0070】上記した方法により成長した結晶薄膜表面
は鏡面状態で、強いフォトルミネッセンス発光が観察さ
れ、これより結晶中には殆ど転位が存在していないこと
がわかる。本実施例では、結晶を基板の一部に成長して
いるために、結晶のある部分にだけ格子歪による僅かの
変形を生ずるが、基板の大部分には結晶が存在していな
いため基板全体としては、きわめて僅かの応力となり基
板の変形は認められなかった。また、基板内に応力が発
生していないために残留応力による結晶の割れ等がな
く、歩留まりが向上する。さらに、基板の変形が無いた
めにフォトリソグラフィ等による像のぼやけ等が無く、
基板前面に均一な露光条件が得られ、歩留まりが向上す
る。The surface of the crystal thin film grown by the above method is in a mirror state, and strong photoluminescence emission is observed. From this, it can be seen that there are almost no dislocations in the crystal. In this example, since the crystal is grown on a part of the substrate, a slight deformation due to lattice strain occurs only in a part of the crystal, but since the crystal does not exist in most of the substrate, the whole substrate is As a result, the stress was extremely small and no deformation of the substrate was observed. Further, since stress is not generated in the substrate, there is no cracking of crystals due to residual stress and the yield is improved. Furthermore, since there is no deformation of the substrate, there is no blurring of the image due to photolithography etc.
Uniform exposure conditions are obtained on the front surface of the substrate, and the yield is improved.
【0071】(実施例10)図12は本発明第10の実
施例における半導体レーザの製造方法を示すものであ
る。(Embodiment 10) FIG. 12 shows a method for manufacturing a semiconductor laser according to a tenth embodiment of the present invention.
【0072】図12において、n−Si基板121上に
Si結晶122をエピタキシャル成長するSiエピタキ
シャル成長工程(a)と、基板前面にレジスト123を
塗布した後に干渉露光法で100nmピッチで<110
>方向と<−110>方向にレジストの回折格子を形成
したのちエッチングにより凹凸124をつけるエッチン
グ工程(b)と、厚み2nmのInGaAs結晶薄膜1
25と、200nmのp−Si単結晶薄膜126をエピ
タキシャル成長する薄膜成長工程(c)と、絶縁膜12
7をマスクとしてエッチイングにより幅2μm、長さ3
00μmのストライプ128状に薄膜結晶をエッチング
して活性領域を形成するストライプ工程(d)と、膜厚
1μmのn−Si単結晶薄膜129を選択成長した後に
絶縁膜を除去し、基板両面に電極130を蒸着する選択
成長工程(e)より半導体レーザ構造を得る。In FIG. 12, a Si epitaxial growth step (a) in which a Si crystal 122 is epitaxially grown on an n-Si substrate 121, and a resist 123 is applied on the front surface of the substrate, and then interference exposure is performed at a pitch of 100 nm by <110 nm.
An etching step (b) of forming unevenness 124 by etching after forming a diffraction grating of a resist in the <> and <-110> directions, and an InGaAs crystal thin film 1 having a thickness of 2 nm.
25, a thin film growth step (c) of epitaxially growing a 200 nm p-Si single crystal thin film 126, and the insulating film 12.
Width 2μm, length 3 by etching using 7 as a mask
A stripe process (d) in which a thin film crystal is etched to form a stripe 128 of 00 μm to form an active region, and an insulating film is removed after selectively growing an n-Si single crystal thin film 129 having a film thickness of 1 μm, and electrodes are formed on both surfaces of the substrate. A semiconductor laser structure is obtained by a selective growth step (e) of depositing 130.
【0073】本実施例は干渉露光法による回折格子12
4を有しており、InGaAs活性層125は回折格子
に124よる凹凸により膜厚が同じ周期で変動する。そ
の結果、利得結合型のDFBレーザが実現される。In this embodiment, the diffraction grating 12 by the interference exposure method is used.
4, the thickness of the InGaAs active layer 125 fluctuates in the same cycle due to the unevenness of the diffraction grating 124. As a result, a gain-coupled DFB laser is realized.
【0074】また、レーザの端面はドライエッチによる
垂直エッチングで形成し、素子分離はソーイングにて行
っている。これは、Si基板121の壁開性が悪いため
であり、GaAs基板状にInP基板を成長するような
場合には、へき開レーザの端面を形成できる。なお、本
実施例に於て、第9の実施例を応用してストライプを設
けてそこにレーザの活性層を形成してもよい。The end face of the laser is formed by vertical etching by dry etching, and element isolation is performed by sawing. This is because the cleaving property of the Si substrate 121 is poor, and in the case of growing an InP substrate on a GaAs substrate, an end face of a cleavage laser can be formed. In the present embodiment, the stripes may be provided by applying the ninth embodiment, and the laser active layer may be formed there.
【0075】(実施例11)図13は本発明第11の実
施例における半導体電子素子の製造方法を示すものであ
る。(Embodiment 11) FIG. 13 shows a method for manufacturing a semiconductor electronic device according to an eleventh embodiment of the present invention.
【0076】図13において、<110>方向に10度
傾斜したn−Si基板131上に、SiO2132絶縁
膜を500nm堆積するSi結晶成長工程(a)と、基
板前面にレジスト133を塗布した後、結晶薄膜を成長
する幅1μm長さ300μmの窓領域134をウェットエ
ッチングにより形成するエッチング工程(b)と、レジ
ストを除去した後、厚み100nmのSi結晶薄膜13
5、厚み2nmのGaAs結晶薄膜136、2nmのI
nGaAs結晶薄膜137、厚み2nmのGaAs結晶
薄膜136、100nmのSi単結晶薄膜138をエピ
タキシャル成長するした後、SiO2絶縁膜139を5
0nm堆積する薄膜成長工程(c)、とソース、ゲー
ト、ドレイン電極140を蒸着する工程(d)より半導
体電子素子構造を得る。なお、本実施例では、MBE法
を用いてGaAs,InGaAsおよびSi薄膜を成長
した。In FIG. 13, a Si crystal growth step (a) of depositing an SiO 2 132 insulating film to a thickness of 500 nm on an n-Si substrate 131 tilted by 10 degrees in the <110> direction, and a resist 133 was applied to the front surface of the substrate. After that, an etching step (b) of forming a window region 134 having a width of 1 μm and a length of 300 μm for growing the crystal thin film by wet etching, and after removing the resist, the Si crystal thin film 13 having a thickness of 100 nm
5, GaAs crystal thin film 136 having a thickness of 2 nm, I having a thickness of 2 nm
After the nGaAs crystal thin film 137, the GaAs crystal thin film 136 having a thickness of 2 nm, and the Si single crystal thin film 138 having a thickness of 100 nm are epitaxially grown, the SiO 2 insulating film 139 is formed to 5
A semiconductor electronic device structure is obtained by a thin film growth step (c) of 0 nm deposition and a step (d) of vapor deposition of the source, gate and drain electrodes 140. In this example, GaAs, InGaAs and Si thin films were grown using the MBE method.
【0077】本実施例の半導体電子素子において、活性
層の膜厚はGaAsとInGaAs層で6nmと厚くな
るが両面をSiとしているために安定して歪結晶が得ら
れ、特に、3種類の結晶を用いてデバイス構造を実現す
る場合は活性層に導入される歪は圧縮も引っ張りも可能
となる。すなわち、Si上にInGaAsを成長した場
合には常に引っ張り歪となるが、Si上にGaAsをバ
ッファ層としてInGaAs活性層を成長した場合に
は、InGaAs層に導入される歪はGaAsとInG
aAs結晶の相互の格子定数によって決まるために圧縮
歪でも引っ張り歪みでもどちらも導入できる。In the semiconductor electronic device of this example, the active layer has a thickness of 6 nm in the GaAs and InGaAs layers, but strained crystals can be obtained stably because both sides are made of Si. When a device structure is realized by using, the strain introduced into the active layer can be compressed or pulled. That is, when InGaAs is grown on Si, tensile strain is always generated, but when an InGaAs active layer is grown on Si using GaAs as a buffer layer, the strain introduced into the InGaAs layer is GaAs and InG.
Since it depends on the mutual lattice constant of the aAs crystal, either compressive strain or tensile strain can be introduced.
【0078】なお、本実施例に於て、第8の実施例に示
した凹凸を応用して基板前面に結晶を成長した後、活性
領域のみエッチングやイオンインプランテーション等に
より形成してもよい。In the present embodiment, after the crystal is grown on the front surface of the substrate by applying the unevenness shown in the eighth embodiment, only the active region may be formed by etching or ion implantation.
【0079】(実施例12)以下に、本発明の量子ドッ
トを利用した半導体多結晶膜及び半導体レーザについて
説明する。(Embodiment 12) A semiconductor polycrystalline film and a semiconductor laser using the quantum dots of the present invention will be described below.
【0080】図14は本発明第12の実施例における半
導体多結晶膜の構造図を示すものである。FIG. 14 is a structural diagram of a semiconductor polycrystalline film in the twelfth embodiment of the present invention.
【0081】図14において、141は<001>方向
の表面を有するSi基板、142は厚み3μmのSi結
晶薄膜、143は厚み高さ2nmのGaAsドット、1
44は100nmのSi結晶薄膜である。In FIG. 14, 141 is a Si substrate having a surface in the <001> direction, 142 is a Si crystal thin film with a thickness of 3 μm, 143 is a GaAs dot with a thickness of 2 nm, and 1
Reference numeral 44 is a 100 nm Si crystal thin film.
【0082】本実施例では、Si基板141表面にはス
テップの無い(001)面を持つ。ステップが無いため
に結晶は結晶平面にランダムに結晶成長し、均一なGa
As結晶の核生成が実現される。また、SiとGaAs
との極性が異なるためにGaAsは3次元成長を生じて
ドット状の成長が実現される。In this embodiment, the surface of the Si substrate 141 has a step-free (001) plane. Since there are no steps, the crystal grows randomly on the crystal plane and a uniform Ga
Nucleation of As crystals is realized. Also, Si and GaAs
Since GaAs and GaAs have different polarities, three-dimensional growth of GaAs occurs and dot-like growth is realized.
【0083】結晶成長はMBEで750度にて行ってお
り、成長温度が比較的高いために基板表面での原子の移
動速度が大きくなり、均一なドット143の形成が実現
される。また、上記した均一な量子ドット143の形成
により、量子井戸を形成した場合に対して50倍のPL
発光強度が得られる。一方、結晶成長温度が高いほどド
ットの数は減少するが一つのドットの大きさは大きくな
り、ドットとドットは融合してはならず、かつドットの
間は5nm以上離れている必要があるために成長温度は
750度と比較的高くする必要があった。Crystal growth is carried out by MBE at 750 ° C. Since the growth temperature is relatively high, the moving speed of atoms on the substrate surface is high, and uniform dots 143 are formed. Further, by forming the uniform quantum dots 143 described above, the PL is 50 times as large as that in the case where the quantum wells are formed.
The emission intensity can be obtained. On the other hand, the higher the crystal growth temperature, the smaller the number of dots, but the size of one dot becomes larger. Dots should not be fused and the dots must be separated by 5 nm or more. Moreover, the growth temperature had to be relatively high at 750 degrees.
【0084】また、Si結晶薄膜142は基板に存在す
るステップを抑制するために3μm程度積層される。基
板内に転位が存在している場合その影響を受けてGaA
sが均一に成長できないという問題がある。本実施例で
は基板前面に結晶が成長するが、結晶間のスペースが大
きいために特に基板のそり等の問題は発生しない。Further, the Si crystal thin film 142 is laminated by about 3 μm in order to suppress the step existing on the substrate. When dislocations exist in the substrate, they are affected by the dislocation and GaA
There is a problem that s cannot grow uniformly. In this embodiment, crystals grow on the front surface of the substrate, but since the space between the crystals is large, problems such as warpage of the substrate do not occur.
【0085】(実施例13)図15は本発明第13の実
施例における半導体レーザの構造図を示すものである。(Embodiment 13) FIG. 15 shows the structure of a semiconductor laser according to a thirteenth embodiment of the present invention.
【0086】図15において、151は表面にステップ
の無い(001)n−Siエピ基板、152は厚み10
nmのSiバッファ層、153は厚み2nmのエピタキ
シャル成長したGaAsドット結晶、154は厚み10
nmのSi単結晶薄膜、155はGaAs結晶薄膜15
3とSi単結晶薄膜154より成るペア数10の多重量
子ドット層、156はp−Si層、157は絶縁膜、1
58はp側電極、159はn側電極である。In FIG. 15, 151 is a (001) n-Si epitaxial substrate having no step on the surface, and 152 is a thickness of 10.
nm Si buffer layer, 153 is a 2 nm thick epitaxially grown GaAs dot crystal, and 154 is a thickness of 10
nm Si single crystal thin film, 155 is GaAs crystal thin film 15
3 and a Si single crystal thin film 154, a multi-quantum dot layer having a number of pairs of 10; 156, a p-Si layer; 157, an insulating film;
Reference numeral 58 is a p-side electrode, and 159 is an n-side electrode.
【0087】本実施例は、第12の実施例に示した量子
ドットを半導体レーザに適応したものであり、MBE法
を用いてGaAsドットとSi薄膜を成長した。半導体
レーザとしての利得を得るためには1層のGaAsドッ
トでは不十分であり、従ってGaAsドット153を1
0層積層することで半導体レーザを実現する。In this example, the quantum dots shown in the twelfth example were applied to a semiconductor laser, and GaAs dots and Si thin films were grown using the MBE method. One layer of GaAs dots is not enough to obtain a gain as a semiconductor laser, and therefore, the GaAs dot 153 is set to 1
A semiconductor laser is realized by stacking 0 layers.
【0088】(実施例14)図16は本発明第14の実
施例における半導体レーザの製造方法造図を示すもので
ある。(Embodiment 14) FIG. 16 is a diagram showing a method of manufacturing a semiconductor laser according to a fourteenth embodiment of the present invention.
【0089】図16において、表面にステップの無い
(001)n−Siエピ基板161、厚み10nmのS
iバッファ層162を成長するSi結晶成長工程(a)
と、厚み2nmのエピタキシャル成長したGaAsドッ
ト結晶163と、厚み10nmのSi単結晶薄膜164
を交互に成長してえられるペア数10の多重量子ドット
層165とp−Siクラッド層166を成長する活性層
成長工程(b)と、絶縁膜167をマスクとしてエッチ
イングにより幅2μm、長さ300μmのストライプ状に
薄膜結晶をエッチングして活性領域を形成するストライ
プ工程(c)と、膜厚1μmのn−Si単結晶薄膜16
8を選択成長した後に基板両面に電極169を蒸着する
選択成長工程(d)より半導体レーザ構造を得る。In FIG. 16, a (001) n-Si epitaxial substrate 161 having no step on the surface, and an S layer having a thickness of 10 nm.
Si crystal growth step (a) for growing i buffer layer 162
A 2 nm thick epitaxially grown GaAs dot crystal 163 and a 10 nm thick Si single crystal thin film 164.
And the active layer growth step (b) of growing the multi-quantum dot layer 165 and the p-Si clad layer 166 having the number of pairs of 10 obtained by alternately growing the film and the insulating film 167 as a mask, the width is 2 μm, and the length is 2 μm. A stripe process (c) in which a thin film crystal is etched into a stripe shape of 300 μm to form an active region, and an n-Si single crystal thin film 16 having a thickness of 1 μm
A semiconductor laser structure is obtained by a selective growth step (d) in which electrodes 169 are vapor-deposited on both surfaces of the substrate after selectively growing 8.
【0090】本実施例は、第13の実施例に示した量子
ドット半導体レーザを実現する製造方法であり、MBE
法を用いてGaAsドット163とSi薄膜を成長して
いる。GaAsドット163を成長した後、Si結晶1
64を10nm成長することで平坦面が得られるが、こ
れはGaAsドット163の高さが2nm程度と低いこ
とと、Si結晶がGaAsドット163上に成長しにく
いためにGaAsドットが平坦に埋め込まれたためであ
る。This embodiment is a manufacturing method for realizing the quantum dot semiconductor laser shown in the thirteenth embodiment.
The GaAs dot 163 and the Si thin film are grown by using the method. After growing GaAs dots 163, Si crystal 1
A flat surface is obtained by growing 64 of 10 nm. This is because the height of the GaAs dot 163 is as low as about 2 nm, and the Si crystal is hard to grow on the GaAs dot 163, so that the GaAs dot is buried flat. It is due to the fact.
【0091】なお、以上の実施例において、結晶成長方
法はMBE法としたが、MOVPE法、ガスソースMB
E、MOMBE法のみならず、ハイドライドVPE法な
ど他の成長方法を用いてもよい。また、実施例では半導
体レーザを代表的に示しているが、同様な方法で受光素
子、光導波路、電子素子を作製することができる。Although the crystal growth method is the MBE method in the above embodiments, the MOVPE method and the gas source MB method are used.
Not only the E and MOMBE methods, but also other growth methods such as the hydride VPE method may be used. Further, although a semiconductor laser is representatively shown in the examples, a light receiving element, an optical waveguide, and an electronic element can be manufactured by the same method.
【0092】さらに、結晶基板の伝導性としてn型基板
を使用したが、p型基板でもよい。Furthermore, although the n-type substrate is used as the conductivity of the crystal substrate, a p-type substrate may be used.
【0093】[0093]
【発明の効果】以上のように本発明は、(1)半導体基
板上に微小な凹凸を形成することで、(2)半導体基板
の傾斜方向に長細い結晶成長領域を形成することで、格
子定数または極性の異なる結晶に対して結晶性良い成長
を実現する。As described above, according to the present invention, by (1) forming minute irregularities on a semiconductor substrate, (2) forming a long and narrow crystal growth region in the tilt direction of the semiconductor substrate, Realizes good crystallinity growth for crystals with different constants or polarities.
【0094】また、(3)平坦な半導体基板を用いるこ
とで均一な量子ドットの形成を実現する。さらに、これ
らの結晶を半導体発光素子、受光素子、光導波路素子、
電子素子に応用することで素子特性の飛躍的向上を実現
できる。とくに、化合物半導体よりなるこれらの素子を
Si基板状に形成することで、歩留まりの向上、強度の
向上、低下価格化、高集積化、高速化が実現できる。Also, (3) uniform quantum dots are formed by using a flat semiconductor substrate. Furthermore, these crystals are used as a semiconductor light emitting device, a light receiving device, an optical waveguide device,
By applying it to electronic devices, device characteristics can be dramatically improved. In particular, by forming these elements made of a compound semiconductor in the form of a Si substrate, it is possible to improve the yield, improve the strength, reduce the price, increase the integration, and increase the speed.
【図1】従来のSi基板上GaAs結晶成長基板の構造
図FIG. 1 is a structural diagram of a conventional GaAs crystal growth substrate on a Si substrate.
【図2】非極性結晶上の極性結晶成長時の結晶表面の概
略断面図FIG. 2 is a schematic sectional view of a crystal surface during growth of a polar crystal on a nonpolar crystal.
【図3】本発明の第1の実施例における半導体多層膜の
構造断面図FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a semiconductor multilayer film according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第2の実施例における半導体多層膜の
構造断面図および斜視図FIG. 4 is a structural sectional view and a perspective view of a semiconductor multilayer film according to a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第3の実施例における半導体レーザの
構造断面図FIG. 5 is a structural sectional view of a semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第4の実施例における半導体レーザの
構造断面図FIG. 6 is a structural sectional view of a semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第5の実施例における受光素子の構造
断面図および斜視図FIG. 7 is a structural cross-sectional view and perspective view of a light receiving element according to a fifth embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第6の実施例における光導波路の構造
断面図および平面図FIG. 8 is a structural sectional view and a plan view of an optical waveguide according to a sixth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第7の実施例における電子素子の構造
断面図FIG. 9 is a structural cross-sectional view of an electronic device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図10】本発明の第8の実施例における半導体多層膜
の製造工程図FIG. 10 is a manufacturing process diagram of a semiconductor multilayer film according to an eighth embodiment of the present invention.
【図11】本発明の第9の実施例における半導体多層膜
の製造工程図FIG. 11 is a manufacturing process diagram of a semiconductor multilayer film according to a ninth embodiment of the present invention.
【図12】本発明の第10の実施例における半導体レー
ザの製造工程断面図FIG. 12 is a sectional view of a manufacturing process of a semiconductor laser according to a tenth embodiment of the present invention.
【図13】本発明の第11の実施例における電子素子の
製造工程図FIG. 13 is a manufacturing process drawing of an electronic device according to an eleventh embodiment of the present invention.
【図14】本発明の第12の実施例における半導体多層
膜の構造斜視図FIG. 14 is a structural perspective view of a semiconductor multilayer film according to a twelfth embodiment of the present invention.
【図15】本発明の第13の実施例における半導体レー
ザの構造断面図FIG. 15 is a structural sectional view of a semiconductor laser according to a thirteenth embodiment of the present invention.
【図16】本発明の第14の実施例における半導体レー
ザの製造工程断面図FIG. 16 is a sectional view showing the steps of manufacturing a semiconductor laser according to the fourteenth embodiment of the present invention.
1 Si基板 2 第1のGaAs結晶 3 第2のGaAs結晶 4 第3のGaAs結晶 21 基板 22 成長した結晶 23 APD 31 Si基板 32 凹凸基板表面 33 GaAs結晶薄膜 34 Si結晶薄膜 35 ステップ 41 Si基板 42 傾斜基板表面 43 絶縁膜 44 窓領域 45 GaAs結晶薄膜 46 Si結晶薄膜 47 ステップ 51 Si基板 52 凹凸基板表面 53 絶縁膜 54 窓領域 55 GaAs結晶薄膜 56 p−Si結晶薄膜 57 p側電極 58 n側電極 61 Si基板 62 凹凸基板表面 63 InGaAs結晶薄膜 64 p−Si結晶薄膜 65 n−Si結晶薄膜 66 電極 71 Si基板 72 絶縁膜 73 窓領域 74 InGaAs結晶薄膜 75 p−Si結晶薄膜 76 p側電極 77 n側電極 81 Si基板 82 絶縁膜 83 窓領域 84 InGaAs結晶薄膜 85 p−Si結晶薄膜 86 導波路層 87 絶縁膜 88 p側電極 89 n側電極 91 Si基板 92 絶縁膜 93 窓領域 94 GaAs結晶薄膜 95 InGaAs結晶薄膜 96 p−Si結晶薄膜 97 ソース電極 98 ゲート電極 99 ドレイン電極 101 Si基板 102 Si結晶薄膜 103 回折格子 104 GaAs結晶薄膜 105 Si結晶薄膜 111 Si基板 112 Si結晶薄膜 113 SiO2絶縁膜 114 露光領域 115 Siバッファ結晶 116 GaAs結晶薄膜 117 Si結晶薄膜 121 Si基板 122 Si結晶薄膜 123 レジスト 124 凹凸基板表面 125 InGaAs結晶薄膜 126 p−Si結晶薄膜 127 絶縁膜 128 ストライプメサ 129 n−Si結晶薄膜 130 電極 131 Si基板 132 絶縁膜 133 レジスト 134 窓領域 135 Si結晶薄膜 136 GaAs結晶薄膜 137 InGaAs結晶薄膜 138 Si結晶薄膜 139 絶縁膜 140 電極 141 Si基板 142 Si結晶薄膜 143 GaAsドット 144 Si結晶薄膜 151 Si基板 152 Si結晶薄膜 153 GaAsドット 154 Si結晶薄膜 155 多重量子ドット層 156 p−Si 157 絶縁膜 158 p側電極 159 n側電極 161 Si基板 162 Siバッファ層 163 GaAsドット 164 Si結晶薄膜 165 多重量子ドット層 166 p−Si 167 絶縁膜 168 n−Si 169 電極1 Si Substrate 2 First GaAs Crystal 3 Second GaAs Crystal 4 Third GaAs Crystal 21 Substrate 22 Grown Crystal 23 APD 31 Si Substrate 32 Uneven Substrate Surface 33 GaAs Crystal Thin Film 34 Si Crystal Thin Film 35 Step 41 Si Substrate 42 Inclined substrate surface 43 Insulating film 44 Window region 45 GaAs crystal thin film 46 Si crystal thin film 47 Step 51 Si substrate 52 Concavo-convex substrate surface 53 Insulating film 54 Window region 55 GaAs crystal thin film 56 p-Si crystal thin film 57 p-side electrode 58 n-side electrode 61 Si substrate 62 Concavo-convex substrate surface 63 InGaAs crystal thin film 64 p-Si crystal thin film 65 n-Si crystal thin film 66 electrode 71 Si substrate 72 insulating film 73 window region 74 InGaAs crystal thin film 75 p-Si crystal thin film 76 p-side electrode 77 n Side electrode 81 Si substrate 82 Insulating film 83 Window region 84 InGaAs Crystal thin film 85 p-Si crystal thin film 86 waveguide layer 87 insulating film 88 p-side electrode 89 n-side electrode 91 Si substrate 92 insulating film 93 window region 94 GaAs crystal thin film 95 InGaAs crystal thin film 96 p-Si crystal thin film 97 source electrode 98 Gate electrode 99 Drain electrode 101 Si substrate 102 Si crystal thin film 103 Diffraction grating 104 GaAs crystal thin film 105 Si crystal thin film 111 Si substrate 112 Si crystal thin film 113 SiO 2 insulating film 114 Exposure region 115 Si buffer crystal 116 GaAs crystal thin film 117 Si crystal thin film 121 Si substrate 122 Si crystal thin film 123 Resist 124 Concavo-convex substrate surface 125 InGaAs crystal thin film 126 p-Si crystal thin film 127 insulating film 128 stripe mesa 129 n-Si crystal thin film 130 electrode 131 Si substrate 132 insulating film 133 resist 134 window region 135 Si crystal thin film 136 GaAs crystal thin film 137 InGaAs crystal thin film 138 Si crystal thin film 139 insulating film 140 electrode 141 Si substrate 142 Si crystal thin film 143 GaAs dot 144 Si crystal thin film 151 Si substrate 152 Si crystal thin film 153 GaAs dot 154 Si crystal thin film 155 multiple quantum dot layer 156 p-Si 157 insulating film 158 p-side electrode 159 n-side electrode 161 Si substrate 162 Si buffer layer 163 GaAs dot 164 Si crystal thin film 165 multiple quantum dot layer 166 p-Si 167 insulating film 168 n-Si 169 electrode
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成14年7月30日(2002.7.3
0)[Submission date] July 30, 2002 (2002.7.3)
0)
【手続補正1】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Name of item to be amended] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【特許請求の範囲】[Claims]
【手続補正2】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0018[Correction target item name] 0018
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の半導体多層膜基板は、平坦面を有する半導
体基板と、前記半導体基板に形成され前記半導体基板と
極性が異なる量子ドット状の半導体結晶を有している。
また、本発明の半導体レーザは、平坦面を有する半導体
基板と、前記半導体基板上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成され前記半導体基板と極性が異
なる量子ドット状の半導体結晶からなる活性層と、前記
半導体結晶上に形成されたクラッド層を有している。In order to achieve the above object, a semiconductor multilayer film substrate of the present invention comprises a semiconductor substrate having a flat surface, and a quantum dot shape formed on the semiconductor substrate and having a polarity different from that of the semiconductor substrate. It has a semiconductor crystal.
Further, the semiconductor laser of the present invention, a semiconductor substrate having a flat surface, a buffer layer formed on the semiconductor substrate,
The semiconductor device has an active layer formed on the buffer layer and made of a quantum dot semiconductor crystal having a polarity different from that of the semiconductor substrate, and a clad layer formed on the semiconductor crystal.
【手続補正3】[Procedure 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0019[Correction target item name] 0019
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【0019】さらに、本発明の半導体レーザの製造方法
は、平坦面を有する半導体基板上にバッファ層を形成す
るバッファ層形成工程と、前記バッファ層上に前記半導
体基板と極性が異なる量子ドット状の半導体結晶からな
る活性層を形成する活性層形成工程と、前記活性層上に
クラッド層を形成するクラッド層形成工程とを有してい
る。Further, in the method for manufacturing a semiconductor laser of the present invention, a buffer layer forming step of forming a buffer layer on a semiconductor substrate having a flat surface, and a quantum dot-like shape having a polarity different from that of the semiconductor substrate on the buffer layer. The method includes an active layer forming step of forming an active layer made of a semiconductor crystal and a clad layer forming step of forming a clad layer on the active layer.
【手続補正4】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0020[Correction target item name] 0020
【補正方法】削除[Correction method] Delete
【手続補正5】[Procedure Amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0021[Correction target item name] 0021
【補正方法】削除[Correction method] Delete
【手続補正6】[Procedure correction 6]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0022[Name of item to be corrected] 0022
【補正方法】削除[Correction method] Delete
【手続補正7】[Procedure Amendment 7]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0023[Name of item to be corrected] 0023
【補正方法】削除[Correction method] Delete
【手続補正8】[Procedure Amendment 8]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0024[Name of item to be corrected] 0024
【補正方法】削除[Correction method] Delete
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 31/10 ZNM H01L 31/10 ZNMA 5F102 33/00 29/80 B H01S 5/02 (72)発明者 石野 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松井 康 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA40 CA04 CA05 CA08 CA33 CA35 CA66 5F045 AA04 AB10 AB17 AF03 BB12 CA09 CA12 CA13 5F049 MA04 MB03 MB07 NA10 NA13 QA02 RA02 SS03 SS08 SS09 WA01 5F052 DA01 DA05 DB06 JA07 JA10 KA01 5F073 AA22 AA64 AA75 AA89 CA02 CA07 CA24 CB04 DA06 EA29 5F102 GB01 GC01 GD01 GJ03 GK05 GL04 GM08 GR01 GR09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 31/10 ZNM H01L 31/10 ZNMA 5F102 33/00 29/80 B H01S 5/02 (72) Inventor Masato Ishino 1006 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor, Yasushi Matsui 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Pref. 5F041 AA40 CA04 CA05 CA08 CA33 CA35 CA66 5F045 AA04 AB10 AB17 AF03 BB12 CA09 CA12 CA13 5F049 MA04 MB03 MB07 NA10 NA13 QA02 RA02 SS03 SS08 SS09 WA01 5F052 DA01 DA05 DB06 JA07 JA10 KA01 5F073 AA22 AA64 AA75 AA75 AA CA2 CA07 CA24 CB04 GR01 G01 GR01 G01 G01 G01 EA02
Claims (20)
導体基板上に形成され前記半導体基板と格子定数または
極性の異なる半導体結晶とを有する半導体多層基板。1. A semiconductor multilayer substrate having a semiconductor substrate having a mountain-shaped convex portion and a semiconductor crystal formed on the semiconductor substrate and having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate.
基板と、前記半導体基板上にストライプ状に形成された
絶縁膜と、前記半導体基板上の前記ストライプ状の絶縁
膜間の窓領域に形成され、前記半導体基板と格子定数ま
たは極性の異なる半導体結晶とを有する半導体多層基
板。2. A semiconductor substrate having a surface different from the (001) plane, an insulating film formed in stripes on the semiconductor substrate, and a window region between the insulating films in stripes on the semiconductor substrate. And a semiconductor multilayer substrate having the semiconductor substrate and a semiconductor crystal having a different lattice constant or polarity.
た平面で構成されていることを特徴とする請求項2記載
の半導体多層基板。3. The semiconductor multi-layer substrate according to claim 2, wherein the surface of the semiconductor substrate is constituted by a plane inclined from the (001) plane.
形成されていることを特徴とする請求項2または3記載
の半導体多層基板。4. The semiconductor multilayer substrate according to claim 2, wherein the window region is formed in a direction inclined from the (001) plane.
半導体結晶が50nm以下の膜厚を有することを特徴と
する請求項1〜4のいずれかに記載の半導体多層基板。5. The semiconductor multi-layer substrate according to claim 1, wherein the semiconductor crystal having a lattice constant or polarity different from that of the semiconductor substrate has a film thickness of 50 nm or less.
部形成工程と、前記半導体基板表面に前記半導体基板と
格子定数または極性の異なる半導体結晶を成長する半導
体結晶成長工程を有する半導体多層膜の製造方法。6. A semiconductor comprising: a convex forming step of forming a mountain-shaped convex portion on a semiconductor substrate surface; and a semiconductor crystal growing step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate on the semiconductor substrate surface. Method for producing multilayer film.
110>方向と異なる方向にストライプ状にレジストを
形成し前記半導体基板表面にエッチングにより凸部を形
成することを特徴とする請求項6記載の半導体多層膜の
製造方法。7. A method of forming a protrusion on a semiconductor substrate in the step of forming a protrusion.
7. The method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to claim 6, wherein a resist is formed in a stripe shape in a direction different from the 110> direction and a convex portion is formed on the surface of the semiconductor substrate by etching.
110>方向と<−110>方向にストライプ状にレジ
ストを形成し前記半導体基板表面にエッチングにより凸
部を形成することを特徴とする請求項6記載の半導多層
膜の製造方法。8. A method of forming a protrusion on a semiconductor substrate in the step of forming a protrusion.
7. The method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to claim 6, wherein resists are formed in stripes in the <110> direction and the <−110> direction, and convex portions are formed on the surface of the semiconductor substrate by etching.
ファ層として前記半導体と格子定数及び極性が等しいか
または近い半導体膜を結晶成長するバッファ層形成工程
を付加したことを特徴とする請求項6〜8のいずれかに
記載の半導体多層膜の製造方法。9. A step of forming a buffer layer on a semiconductor substrate, wherein a buffer layer forming step of crystal-growing a semiconductor film having a lattice constant and a polarity equal to or close to that of the semiconductor is added after forming the convex portion. The method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to claim 6.
基板上に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工程と、前記絶縁
膜をストライプ窓状にエッチング除去するストライプ窓
形成工程と、前記ストライプ窓内に前記半導体基板と格
子定数または極性の異なる半導体結晶を成長させる半導
体結晶成長工程とを有する半導体多層膜の製造方法。10. An insulating film deposition step of depositing an insulating film on a semiconductor substrate having a surface different from a (001) plane, a stripe window forming step of etching and removing the insulating film into a stripe window shape, and inside the stripe window. And a semiconductor crystal growing step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or polarity different from that of the semiconductor substrate.
山状の凸部を形成する凸部形成工程と、前記半導体基板
表面に絶縁膜を堆積する絶縁膜堆積工程と、前記絶縁膜
をストライプ窓状にエッチング除去するストライプ窓形
成工程と、前記ストライプ窓内に前記半導体基板と格子
定数または極性の異なる半導体結晶を成長させる半導体
結晶成長工程とを有する半導体多層膜の製造方法。11. A step of forming a convex portion on a surface of a semiconductor substrate having a (001) plane, a step of depositing an insulating film on the surface of the semiconductor substrate, and a stripe of the insulating film. A method of manufacturing a semiconductor multilayer film, comprising: a stripe window forming step of removing by etching in a window shape; and a semiconductor crystal growing step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate in the stripe window.
上のストライプ窓内にバッファ層として半導体基板と格
子定数または極性が等しいか近い半導体結晶を成長させ
るバッファ層形成工程を付加したことを特徴とする請求
項10または11記載の半導体多層膜の製造方法。12. A buffer layer forming step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or a polarity equal to or close to that of the semiconductor substrate as a buffer layer in the stripe window on the semiconductor substrate after forming the stripe window. The method for manufacturing a semiconductor multilayer film according to claim 10 or 11.
面を有する半導体基板と、前記半導体基板上に形成され
前記半導体基板と格子定数または極性の異なる半導体結
晶の活性層とを有する電子素子。13. An electron having a semiconductor substrate having a mountain-shaped convex portion or a surface different from a (001) plane, and an active layer of a semiconductor crystal formed on the semiconductor substrate and having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate. element.
凸部形成工程と、前記半導体基板表面に前記半導体基板
と格子定数または極性の異なる半導体結晶を成長する半
導体結晶成長工程と、前記半導体結晶全面および前記半
導体基板裏面に電極をを形成する電極形成工程とを有す
る半導体発光素子の製造方法。14. A protrusion forming step of forming a mountain-shaped protrusion on a semiconductor substrate surface; a semiconductor crystal growing step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate on the semiconductor substrate surface; An electrode forming step of forming electrodes on the entire surface of a semiconductor crystal and the back surface of the semiconductor substrate.
基板上に第1の絶縁膜を堆積する第1絶縁膜堆積工程
と、前記絶縁膜をストライプ窓状にエッチング除去する
ストライプ窓形成工程と、前記ストライプ窓内に前記半
導体基板と格子定数または極性の異なる半導体結晶を成
長させる半導体結晶成長工程と、前記第1の絶縁膜およ
び前記半導体結晶全面に第2の絶縁膜を堆積する第2絶
縁膜堆積工程と、前記第2の絶縁膜に電極窓を形成する
電極窓形成工程と、前記電極窓に電極用金属を堆積する
電極形成工程を有する電子素子の製造方法。15. A first insulating film deposition step of depositing a first insulating film on a semiconductor substrate having a surface different from the (001) plane, and a stripe window forming step of etching and removing the insulating film into a stripe window shape. A semiconductor crystal growing step of growing a semiconductor crystal having a lattice constant or a polarity different from that of the semiconductor substrate in the stripe window, and a second insulating step of depositing a second insulating film on the entire surface of the first insulating film and the semiconductor crystal. A method of manufacturing an electronic device, comprising: a film deposition step; an electrode window formation step of forming an electrode window in the second insulating film; and an electrode formation step of depositing an electrode metal in the electrode window.
体基板に形成され前記半導体基板と極性が異なる量子ド
ット状の半導体結晶を有する半導体多層基板。16. A semiconductor multilayer substrate having a semiconductor substrate having a flat surface and a quantum dot semiconductor crystal formed on the semiconductor substrate and having a polarity different from that of the semiconductor substrate.
半導体基板上に形成され前記半導体基板と極性の異なる
半導体結晶からなる活性層と、前記半導体結晶全面に形
成された前記半導体基板と極性の等しい結晶を有する半
導体レーザ。17. A semiconductor substrate having a mountain-shaped convex portion, an active layer formed on the semiconductor substrate and made of a semiconductor crystal having a polarity different from that of the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate formed on the entire surface of the semiconductor crystal. A semiconductor laser having crystals of the same polarity.
凸部形成工程と、前記半導体基板上に前記半導体基板と
極性の異なる半導体結晶からなる活性層を形成する活性
層形成工程と、前記半導体結晶全面に前記半導体基板と
極性の等しい結晶を形成する工程とを有する半導体レー
ザの製造方法。18. A step of forming a convex portion on a surface of a semiconductor substrate, and a step of forming an active layer made of a semiconductor crystal having a polarity different from that of the semiconductor substrate on the semiconductor substrate. Forming a crystal having the same polarity as that of the semiconductor substrate on the entire surface of the semiconductor crystal.
体基板上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上
に形成され前記半導体基板と極性が異なる量子ドット状
の半導体結晶からなる活性層と、前記半導体結晶上に形
成されたクラッド層を有する半導体レーザ。19. A semiconductor substrate having a flat surface, a buffer layer formed on the semiconductor substrate, and an active layer formed on the buffer layer and made of a quantum dot semiconductor crystal having a polarity different from that of the semiconductor substrate. A semiconductor laser having a cladding layer formed on the semiconductor crystal.
層を形成するバッファ層形成工程と、前記バッファ層上
に前記半導体基板と極性が異なる量子ドット状の半導体
結晶からなる活性層を形成する活性層形成工程と、前記
活性層上にクラッド層を形成するクラッド層形成工程と
を有する半導体レーザの製造方法。20. A buffer layer forming step of forming a buffer layer on a semiconductor substrate having a flat surface, and an activity of forming an active layer made of quantum dot semiconductor crystals having a polarity different from that of the semiconductor substrate on the buffer layer. A method of manufacturing a semiconductor laser, comprising: a layer forming step; and a clad layer forming step of forming a clad layer on the active layer.
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