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JP7747078B2 - Method for fabricating nanostructured devices - Google Patents

Method for fabricating nanostructured devices

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JP7747078B2
JP7747078B2 JP2023579954A JP2023579954A JP7747078B2 JP 7747078 B2 JP7747078 B2 JP 7747078B2 JP 2023579954 A JP2023579954 A JP 2023579954A JP 2023579954 A JP2023579954 A JP 2023579954A JP 7747078 B2 JP7747078 B2 JP 7747078B2
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Description

本発明は、フォトニック結晶光デバイスに用いるナノ構造デバイスの作製方法に関する。The present invention relates to a method for fabricating nanostructure devices for use in photonic crystal optical devices.

近年、光通信波長帯で動作するフォトニック結晶光デバイスの研究開発が進展している。とくに、フォトニック結晶の光導波路部にナノワイヤが配置されたナノワイヤ-フォトニック結晶レーザが開示されており(特許文献1)、SOI基板上に加工したSiフォトニック結晶とIII-V族化合物であるInAsP系ナノワイヤを用いて実現されている。In recent years, research and development of photonic crystal optical devices that operate in the optical communication wavelength band has progressed. In particular, a nanowire-photonic crystal laser, in which a nanowire is arranged in the optical waveguide portion of a photonic crystal, has been disclosed (Patent Document 1), which is realized using a Si photonic crystal processed on an SOI substrate and an InAsP-based nanowire, which is a III-V compound.

ナノワイヤ-フォトニック結晶レーザは、高度で成熟したSi加工技術により作製されるSiフォトニック結晶を用いることで、高いQ値を有する素子を精度よく作製できる。そこで、超低閾値レーザや高感度受光素子、高速変調素子等を集積化した光回路の実現が期待される。Nanowire photonic crystal lasers use Si photonic crystals, which are fabricated using advanced and mature Si processing technology, allowing for the precise fabrication of elements with high Q values. This holds promise for the realization of optical circuits that integrate ultra-low threshold lasers, highly sensitive photodetectors, high-speed modulation elements, etc.

レーザやフォトダイオードなどのデバイス構造を有するナノワイヤの作製方法には、ボトムアップ的な手法とトップダウン的な手法がある。There are two methods for fabricating nanowires that have device structures such as lasers and photodiodes: bottom-up and top-down methods.

前者は、主に基板に形成されたSiO2等の穴から選択的に結晶成長する方法や、金等の微粒子を用いて触媒反応的に結晶成長させるVLS(Vapor-liquid-solid)法によって結晶成長させる方法である。この手法では、結晶成長のみで比較的アスペクト比の大きいナノワイヤを作製することができるが、正確に膜厚やドーピング濃度を制御して成長することが難しい。The former method involves selective crystal growth from holes in SiO2 or other materials formed on a substrate, or by the vapor-liquid-solid (VLS) method, which uses fine particles of gold or other materials to grow crystals through a catalytic reaction. While this method makes it possible to fabricate nanowires with a relatively large aspect ratio through crystal growth alone, it is difficult to accurately control the film thickness and doping concentration during growth.

後者は、デバイスを構成する多層膜をあらかじめ成長したエピタキシャル基板をレジスト等でパターニングし、エッチングにより構造を作製する手法である。この手法では、膜厚やドーピング濃度が制御されて成長したエピタキシャル基板を用いるため、正確なデバイスの膜構成でそのまま作製することができる。しかしながら、ドライエッチングにより作製するデバイスはエッチング時に生じる欠陥や不純物などのダメージが導入されるため、表面での電流リーク、光損失等により、デバイス特性はボトムアップ的に作製されるものと比べて劣っている。The latter is a technique in which the multilayer film constituting the device is previously grown on an epitaxial substrate, which is patterned with resist or other materials, and then etched to create the structure. This technique uses an epitaxial substrate grown with controlled film thickness and doping concentration, allowing for the accurate fabrication of the device's film configuration. However, devices fabricated by dry etching are subject to damage from defects and impurities introduced during etching, resulting in current leakage and optical loss at the surface, resulting in inferior device performance compared to those fabricated using the bottom-up method.

また、フォトニック結晶上に種々の光素子を配置する場合、それぞれの発光素子や受光素子、光スイッチを駆動するために電気を供給する必要がある。ここで、ナノワイヤデバイスをフォトニック結晶上に配置後に電極を形成する場合、オーミックコンタクトを形成するために温度を300℃以上に加熱する必要がある。Furthermore, when various optical elements are arranged on a photonic crystal, electricity must be supplied to drive each light-emitting element, light-receiving element, and optical switch. Here, when forming electrodes after arranging nanowire devices on a photonic crystal, heating to a temperature of 300°C or higher is required to form ohmic contacts.

特許第6863909号公報Patent No. 6863909

しかしながら、オーミックコンタクト形成時の高温加熱は、回路上の他の素子へ歪等により損傷(ダメージ)を与える可能性がある。したがって、個々のナノワイヤデバイスはオーミック電極が既に形成された状態でフォトニック結晶上に配置されることが望ましい。However, the high temperature heating required for forming the ohmic contacts can cause damage to other elements in the circuit due to distortion, etc. Therefore, it is desirable to place individual nanowire devices on the photonic crystal with the ohmic contacts already formed.

また、ナノワイヤデバイスではpnドーピングやヘテロ構造で効率の良い素子構造を形成する必要があるため、トップダウン的な手法でダメージの少ない素子を作製する必要がある。Furthermore, nanowire devices require efficient element structures using pn doping and heterostructures, so it is necessary to fabricate elements with minimal damage using a top-down approach.

上述したような課題を解決するために、本発明に係るナノ構造デバイスの作製方法は、第1の基板の一方の面上に、順に、基底層と、微細形状部とを備え、前記微細形状部の一端に第1の電極を備える半導体ナノ構造基板に対して、前記半導体ナノ構造基板において前記微細形状部を備える面に、第2の絶縁膜を形成する工程と、前記半導体ナノ構造基板において前記第2の絶縁膜が形成された面を、金属膜を介して、第2の基板の表面に貼り合わせる工程と、前記第1の基板の他方の面から前記第1の基板の一部を除去した後に、前記第1の基板の他部と前記基底層の一部に第1のドライエッチングを施す工程と、前記基底層における前記第1のドライエッチングを施した側の面に、前記微細形状部の位置に略一致して配置されるように、順に、第2の電極と第3の絶縁膜とを形成する工程と、前記第3の絶縁膜をマスクに用いて、前記基底層に第2のドライエッチングを施す工程と、アニールにより、前記第1の電極と前記第2の電極とをオーミック電極化する工程と、前記第2の絶縁膜と、前記第3の絶縁膜とを除去する工程とを備える。In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing a nanostructure device according to the present invention includes the steps of: forming a second insulating film on the surface of the semiconductor nanostructure substrate that has the microstructure portion, the surface of the semiconductor nanostructure substrate that has the second insulating film formed thereon, and bonding the surface of the semiconductor nanostructure substrate on which the second insulating film has been formed to a surface of a second substrate via a metal film; and removing a portion of the first substrate from the other surface of the first substrate. the step of performing a first dry etching on the other part of the first substrate and a part of the base layer after the first dry etching; the step of forming a second electrode and a third insulating film, in that order, on the surface of the base layer on which the first dry etching has been performed so as to be positioned approximately in line with the position of the fine shape portion; the step of performing a second dry etching on the base layer using the third insulating film as a mask; the step of converting the first electrode and the second electrode into ohmic electrodes by annealing; and the step of removing the second insulating film and the third insulating film.

また、本発明に係るナノ構造デバイスの作製方法は、第1の基板の一方の面上に、順に、基底層と、微細形状部とを備え、前記微細形状部の一端に第1の電極を備える半導体ナノ構造基板に対して、前記微細形状部が柱状であって、前記半導体ナノ構造基板において前記微細形状部を備える面に、第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に、第1の開口部を有する第1のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記第1のフォトレジストパターンをマスクに用いて、前記第2の絶縁膜と前記基底層とに所定の深さで第3のドライエッチングを施す工程と、前記第1の開口部から前記第2の絶縁膜に第1のウェットエッチングを施し、引き続き、第2のウェットエッチングを施し、前記微細形状部を半導体ナノワイヤに加工する工程と、前記第1のフォトレジストパターンを除去した後に、前記第2の絶縁膜を除去し、前記半導体ナノワイヤを、前記第1の開口部が転写されて前記基底層に形成された溝に配置する工程と、前記半導体ナノワイヤと前記基底層の表面を覆うように、第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜上に、第2の開口部を有する第2のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記第2のフォトレジストパターンを用いて、前記半導体ナノワイヤの他端に第2の電極を形成する工程と、アニールにより、前記第1の電極と前記第2の電極とをオーミック電極化する工程と、前記第3の絶縁膜を除去する工程とを備え、前記第1の開口部が前記微細形状部の少なくとも一方の側を囲むように形成され、前記第2の開口部が前記半導体ナノワイヤの他端に合せて位置するように形成されることを特徴とする。A method for fabricating a nanostructure device according to the present invention includes the steps of: forming a second insulating film on a surface of a semiconductor nanostructure substrate having a base layer and a microstructure portion, the microstructure portion being columnar, the surface of the semiconductor nanostructure substrate having the microstructure portion; forming a first photoresist pattern having a first opening on the second insulating film; using the first photoresist pattern as a mask, performing third dry etching on the second insulating film and the base layer to a predetermined depth; performing first wet etching on the second insulating film through the first opening, followed by second wet etching, to process the microstructure portion into a semiconductor nanowire; and etching the first photoresist pattern. the second insulating film is removed after the photoresist pattern is removed, and the semiconductor nanowire is placed in a groove formed in the base layer by transferring the first opening; the third insulating film is formed to cover the semiconductor nanowire and the surface of the base layer; the second photoresist pattern is formed on the third insulating film, the second opening being formed on the third insulating film; the second electrode is formed at the other end of the semiconductor nanowire using the second photoresist pattern; the first electrode and the second electrode are made into ohmic electrodes by annealing; and the third insulating film is removed, wherein the first opening is formed to surround at least one side of the fine shape portion, and the second opening is formed to be aligned with the other end of the semiconductor nanowire.

本発明によれば、オーミック電極が形成されたナノ構造デバイスを容易にダメージを低減して作製できる。According to the present invention, a nanostructure device having an ohmic electrode formed thereon can be easily fabricated with reduced damage.

図1Aは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスを示す概略図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing a nanostructure device according to a first embodiment of the present invention. 図1Bは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの一例を示す概略図である。FIG. 1B is a schematic diagram showing an example of a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2A is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a first embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2B is a diagram for explaining the method for producing a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2C is a diagram for explaining the method for producing a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Dは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2D is a diagram for explaining the method for fabricating a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Eは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2E is a diagram for explaining the method for fabricating a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Fは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2F is a diagram for explaining the method for producing a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Gは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2G is a diagram for explaining the method for producing a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図2Hは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 2H is a diagram for explaining the method for fabricating a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図3Aは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 3A is a diagram for explaining a method for fabricating a nanostructure device according to a first embodiment of the present invention. 図3Bは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの一例の作製方法を説明するための図である。FIG. 3B is a diagram for explaining an example of a method for fabricating a nanostructure device according to the first embodiment of the present invention. 図4Aは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスのフォトニック結晶デバイスへの適用の一例の概略図である。FIG. 4A is a schematic diagram of an example of application of the nanostructure device according to the first embodiment of the present invention to a photonic crystal device. 図4Bは、本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスのフォトニック結晶デバイスへの適用の一例の概略図である。FIG. 4B is a schematic diagram of an example of application of the nanostructure device according to the first embodiment of the present invention to a photonic crystal device. 図5Aは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5A is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Bは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5B is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to the second embodiment of the present invention. 図5Cは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5C is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Dは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5D is a diagram for explaining a method for fabricating a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Eは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5E is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Fは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5F is a diagram for explaining a method for fabricating a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Gは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5G is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Hは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5H is a diagram for explaining a method for fabricating a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図5Iは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 5I is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図6Aは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法を説明するための図である。FIG. 6A is a diagram for explaining a method for producing a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention. 図6Bは、本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの一例の作製方法を説明するための図である。FIG. 6B is a diagram for explaining an example of a method for fabricating a nanostructure device according to the second embodiment of the present invention.

<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法について、図1A~図4Bを参照して説明する。
First Embodiment
A method for fabricating a nanostructure device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 4B.

<ナノ構造デバイスの構成>
本実施の形態に係るナノ構造デバイス1は、図1Aに示すように、円柱状のナノワイヤデバイスであり、活性層11の両端に電極12、18を備える。活性層11は、InP第1層111と、InGaAsP系のMQW112と、InP第2層113とを備える。
<Configuration of nanostructure device>
1A, the nanostructure device 1 according to this embodiment is a cylindrical nanowire device, and includes electrodes 12 and 18 on both ends of an active layer 11. The active layer 11 includes an InP first layer 111, an InGaAsP-based MQW 112, and an InP second layer 113.

また、本実施の形態に係るナノ構造デバイス2は、図1Bに示すように、ライン状構造のナノ構造デバイスであってもよい。Furthermore, the nanostructure device 2 according to this embodiment may be a nanostructure device having a line-shaped structure, as shown in FIG. 1B.

<ナノ構造デバイスの作製方法>
本実施の形態に係るナノ構造デバイス1の作製方法を、図2A-Hを参照して説明する。図2A-Hに、ナノ構造デバイス1の作製方法の各工程における試料の概略側面断面図を示す。本実施の形態では、ナノ構造デバイスの作製方法の一例として、InP基板上に結晶成長したエピタキシャル結晶をトップダウン的に加工して、ナノワイヤデバイスを作製する方法を示す。
<Method for fabricating nanostructure devices>
A method for fabricating nanostructure device 1 according to this embodiment will be described with reference to Figures 2A-H. Figures 2A-H show schematic cross-sectional side views of a sample at each step in the method for fabricating nanostructure device 1. In this embodiment, as an example of a method for fabricating a nanostructure device, a method for fabricating a nanowire device by top-down processing of an epitaxial crystal grown on an InP substrate is shown.

試料に、1550nm発光のレーザ構造を有するエピタキシャル結晶基板(半導体活性層基板)を用いる。エピタキシャル結晶基板は、InP(100)基板(第1の基板)10の一方の面上に順に結晶成長された活性層11を備える。活性層11は、InP第1層111と、InGaAsP系のMQW112と、InP第2層113を備え、それぞれの層厚は1μm、100nm、3μmである。The sample used was an epitaxial crystal substrate (semiconductor active layer substrate) with a laser structure emitting light at 1550 nm. The epitaxial crystal substrate included an active layer 11 grown by crystal growth in sequence on one surface of an InP (100) substrate (first substrate) 10. The active layer 11 included an InP first layer 111, an InGaAsP-based MQW 112, and an InP second layer 113, each with a thickness of 1 μm, 100 nm, and 3 μm, respectively.

初めに、活性層11の上面に、順に形成されたAuZnNi(第1の電極)12とSiO膜(第1の絶縁膜)13上に円形のフォトレジストパターン(ナノ加工用フォトレジストパターン)14を形成する(図2A)。ここで、AuZnNiとSiOとの膜厚はそれぞれ、50nm、2000nmである。 First, a circular photoresist pattern (nano-processing photoresist pattern) 14 is formed on an AuZnNi (first electrode) 12 and an SiO2 film (first insulating film) 13, which are formed in this order on the upper surface of the active layer 11 (FIG. 2A). Here, the thicknesses of the AuZnNi and SiO2 films are 50 nm and 2000 nm, respectively.

図3Aに、フォトレジストパターン14のSEM写真(左図)と模式図(右図)を示す。フォトレジストパターン14は、上方に凸型のレンズ形状で、直径は1μm程度である。このように、フォトレジストパターン(ナノ加工用フォトレジストパターン)14の側面は傾斜している。ここで、フォトレジストパターンの直径は、500nmより長く1.5μm以下が望ましい。3A shows an SEM photograph (left) and a schematic diagram (right) of the photoresist pattern 14. The photoresist pattern 14 has an upwardly convex lens shape with a diameter of approximately 1 μm. As shown, the side surfaces of the photoresist pattern (nano-fabrication photoresist pattern) 14 are inclined. Here, the diameter of the photoresist pattern is preferably greater than 500 nm and less than or equal to 1.5 μm.

次に、フォトレジストパターン14をマスクとしてCFを用いたRIE(反応性イオンエッチング、パターン形成用ドライエッチング)によりマスクされていないAuZnNi12/SiO膜13を除去(エッチング)する(図2B)。 Next, the unmasked AuZnNi12/SiO2 film 13 is removed (etched) by RIE (reactive ion etching, pattern forming dry etching) using CF3 with the photoresist pattern 14 as a mask (FIG. 2B).

このとき、RIEによりAuZnNi12/SiO膜13を除去する過程でフォトレジストパターン14の除去も進行するため、フォトレジストパターン14の端部の薄い部分が除去されフォトレジストパターンの中央付近の厚い部分が残る。そこで、フォトレジストパターン14の端部の薄い部分のAuZnNi12/SiO膜13も除去され、フォトレジストパターン14の中央付近の厚い部分のAuZnNi12/SiO膜13を残存させてナノサイズのパターンを作製できる。 At this time, the removal of the photoresist pattern 14 also progresses during the process of removing the AuZnNi12/ SiO2 film 13 by RIE, so that the thin portions at the edges of the photoresist pattern 14 are removed and the thick portion near the center of the photoresist pattern remains. Therefore, the AuZnNi12/SiO2 film 13 in the thin portions at the edges of the photoresist pattern 14 is also removed, and the thick portion of the AuZnNi12/SiO2 film 13 near the center of the photoresist pattern 14 remains, allowing a nano-sized pattern to be produced.

また、図3Bに示すライン状のナノ加工用フォトレジストパターンを用いれば、ライン形状のパターンを作製できる。このナノ加工用フォトレジストパターンでも側面が傾斜状になっているので、円形パターンと同様にナノサイズのパターンを作製できる。Furthermore, a line-shaped pattern can be produced by using the line-shaped nano-processing photoresist pattern shown in Figure 3B. This nano-processing photoresist pattern also has inclined sides, so a nano-sized pattern can be produced in the same way as a circular pattern.

次に、Clを用いたICP(誘導結合プラズマ)エッチング(半導体加工用ドライエッチング)により、活性層11を4μmの厚さでエッチングした後、70℃のTMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide、水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液で5分間ウェットエッチング(半導体加工用ウェットエッチング)を行う(図2C)。ここで、TMAH水溶液ウェットエッチングにより、ドライエッチングによる表面のダメージ層を除去し安定なファセットを形成できる。 Next, the active layer 11 is etched to a thickness of 4 μm by ICP (inductively coupled plasma) etching (semiconductor processing dry etching) using Cl2 , and then wet etching (semiconductor processing wet etching) is performed for 5 minutes using a 70°C TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) aqueous solution (FIG. 2C). Here, the TMAH aqueous solution wet etching removes the surface damage caused by the dry etching, allowing the formation of stable facets.

このとき、ICPエッチングによりフォトレジストパターン14は除去されるが、フォトレジストが残存する場合には酸素プラズマ処理などによりフォトレジストパターン14を除去する。At this time, the photoresist pattern 14 is removed by ICP etching, but if the photoresist remains, the photoresist pattern 14 is removed by oxygen plasma treatment or the like.

これにより、ドライエッチング後にテーパー状であった活性層11の側面形状が、ウェットエッチング後に基板に垂直な形状となる。換言すれば、活性層11が円柱形状になり、垂直方向で活性層11の径は均一になる。As a result, the side surface of the active layer 11, which was tapered after dry etching, becomes perpendicular to the substrate after wet etching. In other words, the active layer 11 becomes cylindrical, and the diameter of the active layer 11 becomes uniform in the vertical direction.

その結果、円柱状の活性層(微細形状部)11_2と平面状のInP第1層(以下、「基底層」)111_1がInP基板10上に形成される。詳細には、円柱状の活性層11_2は、円柱状のInP第1層111_2と、MQW112と、InP第2層113とを備え、活性層11_2(InP第2層113)の上面に、AuZnNi12/SiO膜13を備える。 As a result, a cylindrical active layer (microscopically shaped portion) 11_2 and a planar InP first layer (hereinafter referred to as "base layer") 111_1 are formed on the InP substrate 10. In detail, the cylindrical active layer 11_2 includes a cylindrical InP first layer 111_2, an MQW 112, and an InP second layer 113, and includes an AuZnNi12/SiO2 film 13 on the upper surface of the active layer 11_2 (InP second layer 113).

ここで、円柱状の活性層11_2の直径は、200nm程度である。また、円柱状の活性層11_2の直径は、20nm以上500nm以下であればよい。Here, the diameter of the cylindrical active layer 11_2 is about 200 nm, and the diameter of the cylindrical active layer 11_2 may be 20 nm or more and 500 nm or less.

このように、本実施の形態において、半導体ナノ構造基板は、InP基板(第1の基板)10の一方の面上に、順に、基底層111_1と、円柱状の活性層(微細形状部)11_2とを備え、円柱状の活性層(微細形状部)11_2の一端に、AuZnNi(第1の電極)12を備える。また、AuZnNi(第1の電極)12上に、SiO膜(第1の絶縁膜)13を備える。 As described above, in this embodiment, the semiconductor nanostructure substrate includes a base layer 111_1 and a cylindrical active layer (microscopically shaped portion) 11_2, which are formed in this order on one surface of an InP substrate (first substrate) 10. One end of the cylindrical active layer (microscopically shaped portion) 11_2 is provided with an AuZnNi (first electrode) 12. A SiO2 film (first insulating film) 13 is also formed on the AuZnNi (first electrode) 12.

次に、試料(半導体ナノ構造基板)の表面(円柱状の活性層11_2を備える面)全面に、SiO膜(第2の絶縁膜)15を、膜厚を10nmとして、例えば蒸着又はスパッタにより形成する。(図2D)。 Next, a SiO 2 film (second insulating film) 15 is formed to a thickness of 10 nm on the entire surface (the surface having the cylindrical active layer 11_2) of the sample (semiconductor nanostructure substrate) by, for example, vapor deposition or sputtering (FIG. 2D).

次に、金属膜17としてInを付着した、貼り合わせ用のガラス基板(第2の基板)16を作製し、ガラス基板16に金属膜(In)17を付着させた面と、試料(半導体ナノ構造基板)表面のSiO膜15の面とを対向させて、250℃で貼り合わせを行う。(図2E)。ここで融点が197℃のInを用いたが、Ga(融点30℃)やSn(融点232℃)等の比較的融点の低い金属を用いてもよい。また、第2の基板は、ガラス基板に限らず、他の誘電体、金属、半導体等を材料とする基板であってよい。 Next, a glass substrate (second substrate) 16 for bonding is prepared, with In attached as a metal film 17. The surface of the glass substrate 16 with the metal film (In) 17 attached faces the surface of the SiO2 film 15 on the surface of the sample (semiconductor nanostructure substrate), and the two substrates are bonded at 250°C (Figure 2E). While In, which has a melting point of 197°C, is used here, metals with relatively low melting points such as Ga (melting point 30°C) and Sn (melting point 232°C) may also be used. Furthermore, the second substrate is not limited to a glass substrate; it may be a substrate made of other dielectrics, metals, semiconductors, or other materials.

次に、InP基板10の他方の面から、その膜厚が10μmになるまで研磨により薄くした後に、ICPドライエッチング(第1のドライエッチング)によりInP基板10と基底層111_1の一部をエッチングする。ここで、エッチングは、薄層化した基底層111_1を通して円柱状の活性層11_2の形状が視認できるまで行う。Next, the other surface of the InP substrate 10 is polished to a thickness of 10 μm, and then the InP substrate 10 and a part of the base layer 111_1 are etched by ICP dry etching (first dry etching). Here, the etching is continued until the shape of the cylindrical active layer 11_2 can be seen through the thinned base layer 111_1.

引き続き、図2Bの形態と同様にフォトリソグラフィ又はEBリソグラフィにより、薄層化した基底層111_1のエッチングされた面(表面)に、順に、円形パターンのAuZnNi(第2の電極)18とSiO膜(第3の絶縁膜)19とを作製する(図2F)。円形形状の直径は200nm程度であり、AuZnNi18とSiO膜19との膜厚はそれぞれ、50nm、2000nmである。 2B, a circular pattern of AuZnNi (second electrode) 18 and a circular pattern of SiO 2 film (third insulating film) 19 are formed on the etched surface (front surface) of the thinned base layer 111_1 by photolithography or EB lithography (FIG. 2F). The diameter of the circular pattern is about 200 nm, and the thicknesses of the AuZnNi 18 and the SiO 2 film 19 are 50 nm and 2000 nm, respectively.

ここで、AuZnNi18/SiO膜19の位置は、薄層化した基底層111_1を介して、円柱状の活性層(微細形状部)11_2の位置に略一致するように配置される。ここで、「略一致」は完全一致を含み、直径の10%程度の誤差を含む。 Here, the position of the AuZnNi 18/SiO 2 film 19 is arranged so as to approximately coincide with the position of the cylindrical active layer (microscopic shape portion) 11_2 via the thinned base layer 111_1. Here, "approximately coincident" includes a perfect coincidence, and includes an error of about 10% of the diameter.

次に、ICPドライエッチング(第2のドライエッチング)により、SiO膜19をマスクとして基底層111_1をエッチングする。このICPドライエッチングの結果、円形パターンのSiO膜19とAuZnNi18との端部がエッチングされ、ドライエッチング後にテーパー状であった活性層11の側面形状が、TMAH水溶液によるウェットエッチング後に基板に垂直な形状となる。換言すれば、活性層11が円柱形状になり、垂直方向で活性層11の径は均一になる。それらの直径は200nm程度になり、円柱形状の活性層11_2と同程度になる。 Next, the base layer 111_1 is etched by ICP dry etching (second dry etching) using the SiO2 film 19 as a mask. As a result of this ICP dry etching, the circular patterned edges of the SiO2 film 19 and the AuZnNi 18 are etched, and the side shape of the active layer 11, which was tapered after dry etching, becomes perpendicular to the substrate after wet etching with a TMAH aqueous solution. In other words, the active layer 11 becomes cylindrical, and the diameter of the active layer 11 in the vertical direction becomes uniform. The diameter is approximately 200 nm, which is similar to that of the cylindrical active layer 11_2.

これにより、活性層11からなるナノワイヤの両端に電極12,18を備えるナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)1の構成が形成される。As a result, a nanowire device (nanostructure device) 1 having electrodes 12 and 18 on both ends of a nanowire made of the active layer 11 is formed.

次に、400℃でアニールすることにより、円柱形状の活性層11_2の両端の電極(AuZnNi)12、18をオーミック電極化する(図2G)。ここで、アニール温度は300℃~700℃程度でよい。Next, the electrodes (AuZnNi) 12, 18 on both ends of the cylindrical active layer 11_2 are made into ohmic electrodes by annealing at 400° C. (FIG. 2G). The annealing temperature may be about 300° C. to 700° C.

最後に、SiO膜15とSiO膜19とを除去する。これにより、ナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)1は分離され、束縛のないフリーな状態となる(図2H)。ここで、SiO膜15、19の除去には、RIE又はフッ酸系のウェットエッチングを用いる。 Finally, the SiO2 films 15 and 19 are removed, separating the nanowire device (nanostructure device) 1 and leaving it in a free, unconstrained state (FIG. 2H). The SiO2 films 15 and 19 are removed by RIE or hydrofluoric acid-based wet etching.

上述の作製プロセスにおいて、ライン状のフォトレジストパターン(図3B)を用いれば、図1Bに示すライン状構造のナノ構造デバイス2を作製できる。In the above-described manufacturing process, if a line-shaped photoresist pattern (FIG. 3B) is used, a nanostructure device 2 having a line-shaped structure as shown in FIG. 1B can be manufactured.

本実施の形態に係る作製方法によるナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)1を、AFMを用いて、図4Aに示すようなSiフォトニック結晶100のトレンチ101に配置できる(A. Yokoo, M. Takiguchi, M. D. Birowosuto, K. Tateno, G. Zhang, E. Kuramochi, A. Shinya, H. Taniyama, and M. Notomi, “Subwavelength Nanowire Lasers on a
Silicon Photonic Crystal Operating at Telecom Wavelengths,”ACS Photonics 4, pp.355-362, 2017.)。
The nanowire device (nanostructure device) 1 fabricated by the method according to the present embodiment can be placed in a trench 101 of a Si photonic crystal 100 as shown in FIG. 4A using an AFM (A. Yokoo, M. Takiguchi, M.D. Birowosuto, K. Tateno, G. Zhang, E. Kuramochi, A. Shinya, H. Taniyama, and M. Notomi, "Subwavelength Nanowire Lasers on a
Silicon Photonic Crystal Operating at Telecom Wavelengths,”ACS Photonics 4, pp.355-362, 2017.)

このように、Siフォトニック結晶100にあらかじめ配線電極を形成し、ナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)1の電極12、18を配線電極に合わせるように配置することで、ナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)1に電流注入することができる。In this way, by forming wiring electrodes in advance on the Si photonic crystal 100 and positioning the electrodes 12 and 18 of the nanowire device (nanostructure device) 1 so that they align with the wiring electrodes, current can be injected into the nanowire device (nanostructure device) 1.

また、同様に、ライン状構造のナノ構造デバイス2を、図4Bに示すようなSiフォトニック結晶200のトレンチ201に配置できる。Similarly, a nanostructure device 2 having a line-shaped structure can be disposed in a trench 201 of a Si photonic crystal 200 as shown in FIG. 4B.

<効果>
本実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法によれば、ダメージが少ない、オーミック電極を有するナノワイヤデバイスを作製できる。
<Effects>
According to the method for fabricating a nanostructure device according to the present embodiment, a nanowire device having an ohmic electrode with little damage can be fabricated.

したがって、あらかじめオーミック電極が形成されたナノワイヤデバイスを、配線電極の形成されたSiフォトニック結晶などの基板に配置するだけで、容易に低抵抗な電気接続をすることができる。これにより、Siフォトニック結晶などの基板への配置後に加熱を行う必要がないので、光IC上で既に組み込まれた他の機能素子への影響がない。Therefore, a low-resistance electrical connection can be easily achieved by simply placing a nanowire device with pre-formed ohmic electrodes on a substrate such as a Si photonic crystal on which wiring electrodes have been formed. This eliminates the need for heating after placement on the substrate, such as a Si photonic crystal, and does not affect other functional elements already incorporated on the optical IC.

また、ナノワイヤ自体が層厚やドーピングが制御された状態であり、ウェットエッチング処理によってドライエッチングによる表面のダメージも低減されているため、高効率なデバイス特性を実現できる。Furthermore, the nanowires themselves have controlled thickness and doping, and the wet etching process reduces surface damage caused by dry etching, enabling the realization of highly efficient device characteristics.

また、エピタキシャル結晶基板をトップダウン的に加工しナノワイヤを作製するので、ナノワイヤデバイスの作製を高効率化できる。Furthermore, since nanowires are fabricated by top-down processing of the epitaxial crystal substrate, nanowire devices can be fabricated with high efficiency.

本実施の形態では、円柱状の活性層およびナノワイヤを例としたが、断面が多角形である柱状の活性層およびナノワイヤでもよい。ここで、活性層およびナノワイヤの径は、断面が円形の場合には直径であり、断面が多角形の場合には頂点から中心までの長さの2倍程度である。In this embodiment, a cylindrical active layer and nanowires are used as an example, but a cylindrical active layer and nanowires with a polygonal cross section may also be used. Here, the diameter of the active layer and nanowire is the diameter when the cross section is circular, and is about twice the length from the apex to the center when the cross section is polygonal.

<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態に係るナノ構造デバイスの作製方法について、図5A~図6Bを参照して説明する。
Second Embodiment
A method for fabricating a nanostructure device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 6B.

<ナノ構造デバイスの構成>
本実施の形態に係るナノ構造デバイス3は、第1の実施の形態と同様に、柱状のナノワイヤデバイスであり、活性層の両端に電極を備える。活性層は、GaN第1層と、GaInN系のMQWと、GaN第2層を備え、それぞれの層厚は3μm、100nm、500nmである。ナノワイヤの断面は円形又は多角形である。
<Configuration of nanostructure device>
The nanostructure device 3 according to this embodiment is a columnar nanowire device, similar to the first embodiment, and includes electrodes on both ends of the active layer. The active layer includes a GaN first layer, a GaInN-based MQW, and a GaN second layer, each with a thickness of 3 μm, 100 nm, and 500 nm. The cross section of the nanowire is circular or polygonal.

<ナノワイヤデバイスの作製方法>
本実施の形態に係るナノ構造デバイス1の作製方法を、図5A-Iを参照して説明する。図5A-Iの左図と右図それぞれに、ナノ構造デバイス1の作製方法の各工程における試料の概略側面断面図と概略上面透視図とを示す。
<Method for fabricating nanowire devices>
A method for fabricating the nanostructure device 1 according to this embodiment will be described with reference to Figures 5A to 5I. The left and right diagrams in Figures 5A to 5I show a schematic cross-sectional side view and a schematic perspective top view of a sample at each step in the method for fabricating the nanostructure device 1, respectively.

試料に、400nm発光のレーザ構造を有する窒化物半導体エピタキシャル結晶基板(半導体活性層基板)を用いる。窒化物半導体エピタキシャル結晶基板は、サファイアc面基板(第1の基板)上に結晶成長された活性層を備える。活性層は、GaN第1層と、GaInN系のMQWと、GaN第2層を備え、それぞれの層厚は3μm、100nm、500nmである。The sample used was a nitride semiconductor epitaxial crystal substrate (semiconductor active layer substrate) with a laser structure emitting light at 400 nm. The nitride semiconductor epitaxial crystal substrate had an active layer crystal-grown on a sapphire c-plane substrate (first substrate). The active layer included a GaN first layer, a GaInN-based MQW, and a GaN second layer, with respective layer thicknesses of 3 μm, 100 nm, and 500 nm.

第1の実施の形態と同様に、円形パターン又は多角形パターンの電極32とSiO膜(図示せず)とを作成後、ドライエッチングとウェットエッチングにより柱状の活性層を作製する。その結果、柱状の活性層(微細形状部)31_2と平面状のGaN第1層(以下、「基底層」)311_1がサファイア基板30上に形成される。 As in the first embodiment, after forming a circular or polygonal pattern electrode 32 and a SiO2 film (not shown), a columnar active layer is fabricated by dry etching and wet etching. As a result, a columnar active layer (microstructure portion) 31_2 and a planar GaN first layer (hereinafter referred to as the "base layer") 311_1 are formed on the sapphire substrate 30.

柱状の活性層(微細形状部)31_2は、柱状のGaN第1層311_2と、GaInN系のMQW312と、GaN第2層313とを備える。また、柱状の活性層31_2の上面に、電極32が形成される(図5A)。以下、柱状の活性層31_2と電極32とからなる構造を、「柱状ナノ構造3_1」という。The columnar active layer (microscopically shaped portion) 31_2 includes a columnar GaN first layer 311_2, a GaInN-based MQW 312, and a GaN second layer 313. An electrode 32 is formed on the top surface of the columnar active layer 31_2 (FIG. 5A). Hereinafter, the structure consisting of the columnar active layer 31_2 and the electrode 32 will be referred to as a "columnar nanostructure 3_1."

詳細には、本実施の形態では、活性層の上面に円形パターン又は多角形パターンで、順に、電極(第1の電極)32としてPdとPtとAuと、マスクとしてSiO膜(第1の絶縁膜)を、それぞれの膜厚を30nm、30nm、50nm、100nmとして形成して、600℃、2分間でアニールを行う。 More specifically, in this embodiment, Pd, Pt, and Au are formed as the electrode (first electrode) 32 and a SiO 2 film (first insulating film) is formed as a mask in a circular pattern or a polygonal pattern on the upper surface of the active layer, with respective film thicknesses of 30 nm, 30 nm, 50 nm, and 100 nm, and annealing is performed at 600° C. for 2 minutes.

また、半導体加工用ドライエッチングにはBCl/Clを用いたICPエッチングを用い、エッチング深さは1.1μmである。図6Aに、ドライエッチング後の活性層31_1を斜めから撮影したSEM写真(左図)と模式図(右図)を示す。活性層31_1は、底面の径の大きいテーパー状の構造であり、上面の直径は610nm程度で、底面の直径は1020nm程度である。 The semiconductor processing dry etching was performed using ICP etching using BCl3 / Cl2 , with an etching depth of 1.1 μm. Figure 6A shows an SEM photograph (left) and a schematic diagram (right) of the active layer 31_1 taken from an oblique angle after dry etching. The active layer 31_1 has a tapered structure with a large diameter at the bottom, with a top diameter of approximately 610 nm and a bottom diameter of approximately 1020 nm.

また、半導体加工用ドライエッチング後の、半導体加工用ウェットエッチングは、TMAH水溶液を用いて、70℃、20分間で施す。図6Bに、ウェットエッチング後の活性層31_2のSEM写真(左図)と模式図(右図)を示す。ドライエッチング後のテーパー形状の活性層31_2が、ウェットエッチング後に均一な径の柱形状になり、その側面は基板に垂直である。また、柱形状の活性層31_2の径は300nm程度に低減する。ここで、柱状の活性層31_2の径は、20nm以上500nm以下であればよい。ここで、活性層の径は、断面が円形の場合には直径であり、断面が多角形の場合には頂点から中心までの長さの2倍程度である。Furthermore, after the semiconductor processing dry etching, semiconductor processing wet etching is performed using a TMAH aqueous solution at 70°C for 20 minutes. Figure 6B shows an SEM photograph (left) and a schematic diagram (right) of the active layer 31_2 after wet etching. The tapered active layer 31_2 after dry etching becomes a columnar shape with a uniform diameter after wet etching, with its side surfaces perpendicular to the substrate. The diameter of the columnar active layer 31_2 is reduced to approximately 300 nm. The diameter of the columnar active layer 31_2 may be between 20 nm and 500 nm. The diameter of the active layer is the diameter when the cross section is circular, and approximately twice the length from the vertex to the center when the cross section is polygonal.

このように、本実施の形態において、半導体ナノ構造基板は、サファイア基板(第1の基板)30の一方の面上に、順に、基底層311_1と、柱状の活性層(微細形状部)31_2とを備え、柱状の活性層(微細形状部)31_2の一端に、電極(第1の電極)32としてPdとPtとAuを備える。Thus, in this embodiment, the semiconductor nanostructure substrate comprises, on one surface of the sapphire substrate (first substrate) 30, a base layer 311_1 and a columnar active layer (fine-shaped portion) 31_2, in that order, and an electrode (first electrode) 32 made of Pd, Pt, and Au at one end of the columnar active layer (fine-shaped portion) 31_2.

次に、試料(半導体ナノ構造基板)の表面(柱状の活性層31_2を備える面)全面にSiO膜(第4の絶縁膜)33を50nmの厚さで、例えば蒸着により形成する。 Next, a SiO 2 film (fourth insulating film) 33 is formed by, for example, vapor deposition on the entire surface (surface having the columnar active layer 31_2) of the sample (semiconductor nanostructure substrate) to a thickness of 50 nm.

次に、図5Bに示すように、フォトリソグラフィにより柱ナノ構造3_1近傍にフォトレジストパターン34を作製する。フォトレジストパターン(第1のフォトレジストパターン)34は、フォトレジストが柱ナノ構造3_1を覆い、第1の開口部を有する。第1の開口部は、矩形の開口部(矩形部)の一端にコの字型の開口部を有し、コの字型の開口部が柱ナノ構造3_1すなわち柱状の活性層(微細形状部)31_2を囲むように作製される。このように、第1の開口部は、柱状の活性層(微細形状部)31_2の側面の少なくとも一方の側(第1の開口部の矩形部が配置される側)を囲むように形成される。Next, as shown in FIG. 5B , a photoresist pattern 34 is formed near the pillar nanostructure 3_1 by photolithography. The photoresist pattern (first photoresist pattern) 34 covers the pillar nanostructure 3_1 and has a first opening. The first opening has a U-shaped opening at one end of a rectangular opening (rectangular portion), and is formed so that the U-shaped opening surrounds the pillar nanostructure 3_1, i.e., the pillar-shaped active layer (microscopically shaped portion) 31_2. In this way, the first opening is formed so as to surround at least one side of the side surface of the pillar-shaped active layer (microscopically shaped portion) 31_2 (the side where the rectangular portion of the first opening is located).

次に、フォトレジストパターン34をマスクとして、開口部のSiO膜33と基底層311_1に対して、SiO膜33と基底層311_1を合わせて深さ3μmでドライエッチング(第3のドライエッチング)を行う(図5C)。ここで、第3のドライエッチングとして、例えば、SiO膜33を除去するRIEの後に、引き続きBCl/Clを用いたICPエッチングを用いる。 Next, using the photoresist pattern 34 as a mask, the SiO 2 film 33 and the base layer 311_1 in the openings are dry-etched (third dry etching) to a depth of 3 μm (FIG. 5C). Here, the third dry etching is performed by, for example, RIE to remove the SiO 2 film 33, followed by ICP etching using BCl 3 /Cl 2 .

これにより、基底層311_1において、柱状ナノ構造3_1近傍に、矩形の一端にコの字の形状を有する溝が作製される。ここで、コの字型の溝が柱状ナノ構造3_1の活性層31_2の側面の少なくとも一方の側(第1の開口部の矩形部が配置される側)を囲むように作製される。As a result, a U-shaped groove is formed at one end of a rectangle in the base layer 311_1 near the columnar nanostructure 3_1. The U-shaped groove is formed so as to surround at least one side of the side surface of the active layer 31_2 of the columnar nanostructure 3_1 (the side where the rectangular portion of the first opening is located).

次に、フッ酸水溶液(第1のウェットエッチング)を用いて、フォトレジストパターン34の開口部よりSiO膜33を水平方向にエッチング(除去)して、柱状ナノ構造3_1の活性層31_2の下部においてコの字型の溝に近接する側の側面を露出させる(図5D)。 Next, using a hydrofluoric acid solution (first wet etching), the SiO2 film 33 is etched (removed) horizontally through the openings in the photoresist pattern 34 to expose the side of the lower part of the active layer 31_2 of the columnar nanostructure 3_1 that is close to the U-shaped groove (Figure 5D).

次に、TMAH水溶液により70℃で柱状ナノ構造3_1の活性層31_2の下部と基底層311_1の一部を、コの字型の溝の側からウェットエッチング(第2のウェットエッチング)する。その結果、柱状ナノ構造3_1の活性層31_2の下部が除去され、残存する活性層31_2がナノワイヤ31_3となる。ここで、柱状ナノ構造3_2は、ナノワイヤ31_3と、その一端に電極32を備えることになる。このとき、基底層311_1に、第1のフォトレジストパターン34の第1の開口部が転写されて溝が形成される。また、第2のウェットエッチングの後に、フォトレジストパターン34を酸素プラズマ照射等により除去する(図5E)。Next, the lower part of the active layer 31_2 of the columnar nanostructure 3_1 and part of the base layer 311_1 are wet-etched (second wet etching) from the side of the U-shaped groove using a TMAH aqueous solution at 70°C. As a result, the lower part of the active layer 31_2 of the columnar nanostructure 3_1 is removed, and the remaining active layer 31_2 becomes the nanowire 31_3. Here, the columnar nanostructure 3_2 has the nanowire 31_3 and an electrode 32 at one end. At this time, the first opening of the first photoresist pattern 34 is transferred to the base layer 311_1 to form a groove. After the second wet etching, the photoresist pattern 34 is removed by oxygen plasma irradiation or the like (Figure 5E).

次に、ドライエッチング(第4のドライエッチング)によりSiO膜33をエッチングする。エッチングの進行に伴い、柱状ナノ構造3_2のナノワイヤ31_3側面と基底層311_1上面において支持しているSiO膜33すなわちナノワイヤ31_3の側面のSiO膜33と基底層311_1の上面のSiO膜33との接する箇所が薄くなる。その結果、柱状ナノ構造3_2が折れて、柱状ナノ構造3_2を基底層311_1に形成された溝の方向に倒すことができる(図5F)。 Next, the SiO 2 film 33 is etched by dry etching (fourth dry etching). As the etching progresses, the SiO 2 film 33 supporting the side surfaces of the nanowires 31_3 of the columnar nanostructure 3_2 and the top surface of the base layer 311_1, i.e., the contact points between the SiO 2 film 33 on the side surfaces of the nanowires 31_3 and the SiO 2 film 33 on the top surface of the base layer 311_1, become thinner. As a result, the columnar nanostructure 3_2 breaks, allowing the columnar nanostructure 3_2 to tilt toward the grooves formed in the base layer 311_1 (FIG. 5F).

このように、柱状ナノ構造3_2を、基底層311_1に第1の開口部が転写されて形成された溝の矩形部分の方向に倒し、柱状ナノ構造3_2をSiO膜33の支持から分離する。その結果、柱状ナノ構造3_2を溝(矩形部分)に配置でき、溝の段差によって柱状ナノ構造3_2におけるナノワイヤ31_3の他端(電極32を備える面と反対側の端)の面を上方に向けることができる。 In this way, the columnar nanostructure 3_2 is tilted toward the rectangular portion of the groove formed by transferring the first opening to the base layer 311_1, and the columnar nanostructure 3_2 is separated from the support of the SiO 2 film 33. As a result, the columnar nanostructure 3_2 can be placed in the groove (rectangular portion), and the step of the groove allows the other end of the nanowire 31_3 in the columnar nanostructure 3_2 (the end opposite to the surface having the electrode 32) to face upward.

次に、上述の柱状ナノ構造3_2と基底層311_1表面を覆うように、SiO膜(第5の絶縁膜)35を蒸着又はスパッタして、柱状ナノ構造3_2を基底層311_1表面に固定する(図5G)。 Next, a SiO 2 film (fifth insulating film) 35 is deposited or sputtered to cover the above-mentioned columnar nanostructure 3_2 and the surface of the base layer 311_1, thereby fixing the columnar nanostructure 3_2 to the surface of the base layer 311_1 (FIG. 5G).

次に、フォトリソグラフィ又は電子線リソグラフィによるフォトレジストパターン(第2のフォトレジストパターン)36の形成とRIEにより、ナノワイヤ31_3の他端の面の位置に合せて、SiO膜35に開口部(第2の開口部)36_2を形成する。(図5H)。 Next, a photoresist pattern (second photoresist pattern) 36 is formed by photolithography or electron beam lithography, and an opening (second opening) 36_2 is formed in the SiO 2 film 35 by RIE, in alignment with the surface of the other end of the nanowire 31_3 (FIG. 5H).

次に、蒸着、リフトオフにより、ナノワイヤ31_3の他端の面に順に、第2の電極38としてTiとPtとAuをそれぞれの厚さを10nm、30nm、250nmとして形成する。Next, a second electrode 38 is formed by vapor deposition and lift-off on the other end surface of the nanowire 31_3, successively using Ti, Pt, and Au to thicknesses of 10 nm, 30 nm, and 250 nm, respectively.

詳細には、TiとPtとAuを蒸着した後、試料を有機溶剤等に浸漬してフォトレジストを除去する。その結果、フォトレジストパターン(第2のフォトレジストパターン)36とSiO膜35の開口部(第2の開口部)36_2を通して、ナノワイヤ31_3の他端の面に蒸着された電極金属(TiとPtとAu)38が残存する。 Specifically, after Ti, Pt, and Au are vapor-deposited, the sample is immersed in an organic solvent or the like to remove the photoresist, leaving the electrode metals (Ti, Pt, and Au) 38 vapor-deposited on the surface of the other end of the nanowire 31_3 through the photoresist pattern ( second photoresist pattern) 36 and the opening (second opening) 36_2 in the SiO2 film 35.

このように、ナノワイヤ31_3の他端の面が上向きなので、上方からの蒸着により他端の面に電極金属(TiとPtとAu)38を形成できる。In this way, since the surface of the other end of the nanowire 31_3 faces upward, electrode metal (Ti, Pt, and Au) 38 can be formed on the surface of the other end by vapor deposition from above.

次に、400℃でアニールして、ナノワイヤ31_3の両端の電極32、38をオーミック電極化する。ここで、アニール温度は300℃~700℃程度でよい。Next, the electrodes 32 and 38 at both ends of the nanowire 31_3 are made into ohmic electrodes by annealing at 400° C. The annealing temperature may be about 300° C. to 700° C.

最後に、SiO膜35を除去して、ナノワイヤ31_3とその両端のオーミックコンタクト電極32、38とを備えるナノワイヤデバイス3を、基底層311_1および基板30から束縛のないフリーな状態にする(図5I)。ここで、SiO膜35の除去には、RIE又はフッ酸系のウェットエッチングを用いる。 Finally, the SiO 2 film 35 is removed, leaving the nanowire device 3, including the nanowire 31_3 and the ohmic contact electrodes 32, 38 at both ends, free from the base layer 311_1 and the substrate 30 (FIG. 5I). The SiO 2 film 35 is removed using RIE or hydrofluoric acid-based wet etching.

このように、ナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)3を、基底層311_1(基板)の所定の位置(例えば、溝)に作製して配置できる。In this way, the nanowire device (nanostructure device) 3 can be fabricated and placed at a predetermined location (for example, a groove) on the base layer 311_1 (substrate).

<効果>
本実施の形態係る作製方法によれば、第1の実施の形態と同様の効果を奏するとともに、ナノワイヤの作製に用いた基板上にそのままナノワイヤを配置することができる。
<Effects>
According to the manufacturing method of this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be achieved, and the nanowires can be disposed directly on the substrate used for manufacturing the nanowires.

さらに、ナノワイヤにおいて基板と分離した側の端面が、基板に形成される溝の段差により上方に向くため、上方からの金属(電極材料)の蒸着により端面での電極形成を可能にする。Furthermore, the end face of the nanowire separated from the substrate faces upward due to the step of the groove formed in the substrate, making it possible to form an electrode on the end face by vapor deposition of metal (electrode material) from above.

これにより、オーミック電極が形成されたナノワイヤすなわち、ナノワイヤデバイス(ナノ構造デバイス)を、配線電極が形成されたフォトニクス結晶などの基板上に容易に作製して配置して、電流を流すことが可能となる。This makes it possible to easily fabricate and place a nanowire with an ohmic electrode, i.e., a nanowire device (nanostructure device), on a substrate such as a photonic crystal with a wiring electrode, and pass a current through it.

本発明の実施の形態におけるナノ構造デバイスは、電流注入により、例えば、レーザやLEDなどの発光デバイスとして機能する。The nanostructure device according to the embodiment of the present invention functions as a light emitting device, such as a laser or an LED, when a current is injected into it.

本発明の実施の形態では、活性層に、InP系半導体およびGaN系半導体を用いる例を示したが、これに限らず、GaAs系半導体、ZnSe、SiGe等の他の半導体を用いてもよい。また、活性層がMQWを備える例を示したが、MQWの代わりにInGaAsP等の混晶半導体を備えてダブルヘテロ構造としてもよく、発光デバイスであれば発光層として機能すればよい。また、第1の基板は、活性層の結晶成長に適した基板を用いればよい。In the embodiments of the present invention, examples have been shown in which InP-based semiconductors and GaN-based semiconductors are used for the active layer, but this is not limiting and other semiconductors such as GaAs-based semiconductors, ZnSe, SiGe, etc. may also be used. Furthermore, while examples have been shown in which the active layer includes MQW, a double heterostructure may be formed by including an alloy semiconductor such as InGaAsP instead of MQW, as long as it functions as a light-emitting layer in a light-emitting device. Furthermore, the first substrate may be a substrate suitable for crystal growth of the active layer.

本発明の実施の形態では、ドライエッチングに、RIE、Clを用いたICP(誘導結合プラズマ)エッチング、BCl/Clを用いたICPエッチングを用いる例を示したが、これに限らず、エッチング対象となる材料に適したドライエッチングを用いればよい。 In the embodiment of the present invention, examples have been shown in which RIE, ICP (inductively coupled plasma) etching using Cl2 , and ICP etching using BCl3 / Cl2 are used for dry etching, but the present invention is not limited to these, and any dry etching suitable for the material to be etched may be used.

本発明の実施の形態では、ウェットエッチングに、フッ酸、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液を用いる例を示したが、これに限らず、エッチング対象となる材料に適したドライエッチングを用いればよい。In the embodiment of the present invention, an example has been shown in which hydrofluoric acid and an aqueous solution of TMAH (tetramethylammonium hydroxide) are used for wet etching, but the present invention is not limited to this, and any dry etching suitable for the material to be etched may be used.

本発明の実施の形態では、電極の金属にAuGeNi、Ti/Pt/Auを用いる例を示したが、これに限らず、オーミックコンタクトを形成できる金属を用いればよい。また、誘電体膜として、SiO膜を用いたが、SiN等の他の誘電体膜であってもよい。 In the embodiment of the present invention, examples have been shown in which AuGeNi and Ti/Pt/Au are used as the metal for the electrodes, but the present invention is not limited to these, and any metal that can form an ohmic contact may be used. Also, although a SiO2 film is used as the dielectric film, other dielectric films such as SiN may also be used.

本発明の実施の形態において、ナノ構造デバイスの両端それぞれにp型半導体層、n型半導体層を備えてもよい。In an embodiment of the present invention, the nanostructure device may have a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer at each end.

本発明の実施の形態では、半導体ナノワイヤダイオードの作製方法において、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。半導体ナノワイヤダイオードの作製方法の効果を奏するものであればよい。In the embodiments of the present invention, examples of the structure, dimensions, materials, etc. of each component in the method for fabricating a semiconductor nanowire diode are shown, but the present invention is not limited to these examples. Any material may be used as long as it provides the effects of the method for fabricating a semiconductor nanowire diode.

本発明は、光通信波長帯で動作するフォトニック結晶光デバイスに適用することができる。The present invention can be applied to photonic crystal optical devices operating in the optical communication wavelength band.

1 ナノ構造デバイス
10 第1の基板
11_2 微細形状部
12 第1の電極
13 第1の絶縁膜
15 第2の絶縁膜
16 第2の基板
17 金属膜
18 第2の電極
19 第3の絶縁膜
111_1 基底層
1 Nanostructure device 10 First substrate 11_2 Microstructure portion 12 First electrode 13 First insulating film 15 Second insulating film 16 Second substrate 17 Metal film 18 Second electrode 19 Third insulating film 111_1 Base layer

Claims (6)

第1の基板の一方の面上に、順に、基底層と、微細形状部とを備え、前記微細形状部の一端に第1の電極を備える半導体ナノ構造基板に対して、
前記半導体ナノ構造基板において前記微細形状部を備える面に、第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体ナノ構造基板において前記第2の絶縁膜が形成された面を、金属膜を介して、第2の基板の表面に貼り合わせる工程と、
前記第1の基板の他方の面から前記第1の基板の一部を除去した後に、前記第1の基板の他部と前記基底層の一部に第1のドライエッチングを施す工程と、
前記基底層における前記第1のドライエッチングを施した側の面に、前記微細形状部の位置に略一致して配置されるように、順に、第2の電極と第3の絶縁膜とを形成する工程と、
前記第3の絶縁膜をマスクに用いて、前記基底層に第2のドライエッチングを施す工程と、
アニールにより、前記第1の電極と前記第2の電極とをオーミック電極化する工程と、
前記第2の絶縁膜と、前記第3の絶縁膜とを除去する工程と
を備えるナノ構造デバイスの作製方法。
A semiconductor nanostructure substrate having a base layer and a microstructure portion on one surface of a first substrate, in that order, and a first electrode at one end of the microstructure portion,
forming a second insulating film on the surface of the semiconductor nanostructure substrate that includes the microstructure portion;
a step of bonding the surface of the semiconductor nanostructure substrate on which the second insulating film is formed to a surface of a second substrate via a metal film;
removing a portion of the first substrate from the other surface of the first substrate, and then performing a first dry etching on the other portion of the first substrate and the portion of the base layer;
forming a second electrode and a third insulating film in this order on the surface of the base layer on which the first dry etching has been performed, so that the second electrode and the third insulating film are disposed so as to substantially coincide with the position of the finely shaped portion;
performing a second dry etching on the base layer using the third insulating film as a mask;
a step of converting the first electrode and the second electrode into ohmic electrodes by annealing;
and removing the second insulating film and the third insulating film.
第1の基板の一方の面上に、順に、基底層と、微細形状部とを備え、前記微細形状部の一端に第1の電極を備える半導体ナノ構造基板に対して、
前記微細形状部が柱形状であって、
前記半導体ナノ構造基板において前記微細形状部を備える面に、第4の絶縁膜を形成する工程と、
前記第4の絶縁膜上に、第1の開口部を有する第1のフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記第1のフォトレジストパターンをマスクに用いて、前記第4の絶縁膜と前記基底層とに所定の深さで第3のドライエッチングを施す工程と、
前記第1の開口部から前記第4の絶縁膜に第1のウェットエッチングを施し、引き続き、第2のウェットエッチングを施し、前記微細形状部を半導体ナノワイヤに加工する工程と、
前記第1のフォトレジストパターンを除去した後に、前記第4の絶縁膜を除去し、前記半導体ナノワイヤを、前記第1の開口部が転写されて前記基底層に形成された溝に配置する工程と、
前記半導体ナノワイヤと前記基底層の表面を覆うように、第5の絶縁膜を形成する工程と、
前記第5の絶縁膜上に、第2の開口部を有する第2のフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記第2のフォトレジストパターンを用いて、前記半導体ナノワイヤの他端に第2の電極を形成する工程と、
アニールにより、前記第1の電極と前記第2の電極とをオーミック電極化する工程と、
前記第5の絶縁膜を除去する工程と
を備え、
前記第1の開口部が前記微細形状部の少なくとも一方の側を囲むように形成され、前記第2の開口部が前記半導体ナノワイヤの他端に合せて位置するように形成される
ことを特徴とするナノ構造デバイスの作製方法。
A semiconductor nanostructure substrate having a base layer and a microstructure portion on one surface of a first substrate, in that order, and a first electrode at one end of the microstructure portion,
The fine shape portion is a pillar shape,
forming a fourth insulating film on the surface of the semiconductor nanostructure substrate that includes the fine shape portion;
forming a first photoresist pattern having a first opening on the fourth insulating film;
using the first photoresist pattern as a mask, performing a third dry etching on the fourth insulating film and the base layer to a predetermined depth;
a step of performing a first wet etching on the fourth insulating film through the first opening, and subsequently performing a second wet etching to process the fine shape portion into a semiconductor nanowire;
removing the first photoresist pattern, and then removing the fourth insulating film, and disposing the semiconductor nanowires in grooves formed in the base layer by transferring the first openings;
forming a fifth insulating film to cover the semiconductor nanowires and the surface of the base layer;
forming a second photoresist pattern having a second opening on the fifth insulating film;
forming a second electrode on the other end of the semiconductor nanowire using the second photoresist pattern;
a step of converting the first electrode and the second electrode into ohmic electrodes by annealing;
and removing the fifth insulating film,
A method for manufacturing a nanostructure device, characterized in that the first opening is formed to surround at least one side of the finely shaped portion, and the second opening is formed to be positioned in alignment with the other end of the semiconductor nanowire.
前記第1の基板の一方の面上に、順に、半導体活性層と前記第1の電極と第1の絶縁膜とを備える半導体活性層基板に対して、
前記第1の絶縁膜の上面に、ナノ加工用フォトレジストパターンを形成する工程と、
前記ナノ加工用フォトレジストパターンをマスクに用いて、前記第1の電極と前記第1の絶縁膜にパターン形成用ドライエッチングを施す工程と、
引き続き、前記半導体活性層に所定の厚さで半導体加工用ドライエッチングを施し、引き続き、半導体加工用ウェットエッチングを施し、前記半導体ナノ構造基板を作製する工程と
を備える請求項1又は請求項2に記載のナノ構造デバイスの作製方法。
A semiconductor active layer substrate including a semiconductor active layer, the first electrode, and a first insulating film on one surface of the first substrate, in this order,
forming a nano-processing photoresist pattern on the upper surface of the first insulating film;
a step of performing pattern formation dry etching on the first electrode and the first insulating film using the nano-processing photoresist pattern as a mask;
3. A method for producing a nanostructure device as described in claim 1 or claim 2, further comprising the steps of: subsequently subjecting the semiconductor active layer to semiconductor processing dry etching to a predetermined thickness; and subsequently subjecting the semiconductor active layer to semiconductor processing wet etching to produce the semiconductor nanostructure substrate.
前記ナノ加工用フォトレジストパターンの側面が傾斜している
ことを特徴とする請求項3に記載のナノ構造デバイスの作製方法。
4. The method for producing a nanostructure device according to claim 3, wherein the side surfaces of the photoresist pattern for nano-processing are inclined.
前記半導体加工用ウェットエッチングに、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液を用いる
ことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のナノ構造デバイスの作製方法。
5. The method for producing a nanostructure device according to claim 3, wherein an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide is used for the wet etching for semiconductor processing.
前記ナノ加工用フォトレジストパターンの径が、500nmより長く1.5μm以下であり、
前記微細形状部の断面の径が20nm以上500nm以下である
ことを特徴とする請求項3から請求項5のいずれか一項に記載のナノ構造デバイスの作製方法。
The diameter of the nano-processing photoresist pattern is longer than 500 nm and 1.5 μm or less,
6. The method for producing a nanostructure device according to claim 3, wherein the cross-sectional diameter of the finely shaped portion is 20 nm or more and 500 nm or less.
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