半导体发光元件阵列和其制造方法

专利名称：半导体发光元件阵列和其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体发光元件阵列和其制造方法。
背景技术：
在现有技术中，利用来自半导体棒(rod)的发光的发光元件(参照专利文献1)得以开发。例如在专利文献1中，提出了在半导体基片上形成包括Pn结的半导体棒，在基片侧和棒上分别设置电极，且使半导体棒间的间隔为等间隔的发光元件。在该发光元件中，向与基片表面垂直或平行的方向发光。
进而，已知有包括利用来自半导体棒的发光的发光元件、以多色发光的半导体发光元件阵列(参照专利文献2和3)。
例如在专利文献2中，提出了具有使阱层和阻挡层的组合反复层叠(例如3次反复)的多重量子阱结构，通过改变各阱层的厚度而以多色发光的发光元件。进而，提出了通过使产生的多色光通过所期望的单色波长透射(透过)膜(波长选择滤光镜)，来进行波长选择。
此外在专利文献3中，记载有形成2层以上的活性层，设置与各活性层分别对应的电极对的发光元件。在该发光元件中，通过对各电极对施加规定的电压，从各活性层引起发光，以多色进行发光。
另一方面，作为形成纳米柱状的半导体棒的重要技术，已知有MOVPE选择生长法 (Selective-area metal organic vapor phase epitaxy, DM.t/Ht匿夕卜) (参照非专利文献1和幻。MOVPE选择生长法，指的是仅使半导体结晶基片的特定区域露出，用MOVPE在露出部分选择性地使半导体结晶生长的方法。在非专利文献1和2中，报告了通过调整半导体结晶基片的露出部分，能够控制生长的半导体结晶的粗细、高低的情况。 例如，生长的棒(纳米柱)的高度，表现为在减小露出部分的径长时上升，在缩小露出部分之间的间隔宽度(间距)时上升。当然，生长的棒的粗细，在增大露出部分的面积时上升。
另一方面，报告了制造多波长的面发光元件的技术(参照非专利文献2和幻。这些都涉及使面发光元件用的GalnAs/GaAs量子阱结构的薄膜生长的技术。在该技术中，首先在GaAs(OOl)面基片上，相互平行地形成多个直线状的凸型阶差(台面)。之后，通过 MOCVD在基片上堆叠多层薄膜。在该工序中，在台面的上表面较厚地堆叠薄膜，另一方面，在相邻的台面之间的谷面上，堆叠比台面上表面的薄膜更薄的薄膜。
通过台面的宽度、阶差(高度)、相邻台面彼此之间的间隔等(也称为控制参数)， 能够控制台面彼此之间的谷面上堆叠的薄膜的厚度。即，这些控制参数，决定MOCVD(金属有机物化学气相淀积)薄膜生长的膜厚分布，控制来自所制造的发光元件的发光波长。因此，为了适当控制薄膜的厚度(发光元件的发光波长)，必须精密地设计、制造台面。
专利文献1 日本特开平4-21M89号公报 专利文献2 日本特开2003-347585号公报 专利文献3 日本特开平7-183576号公报 非专利文献 1 :Noborisaka, J. et al. ,"Catalyst-free growth of GaAsnanowires by selective-area metalorganicvapor-phase epitaxy", Applied Physics Letters, vol. 86，pp.213102-1-213102-3，(2005). 非专利文献 2 :Yang, L. et al. ,"Size-dependent photo luminescence of hexagonal nanopillars with single InGaAs/GaAsquantum wells fabricated by selective-area metal organic vapor phase epitaxy", Applied Physics Letters, vol. 89，pp.203110-1-203110-3，(2006). # # ^lJ i K 2 :M. Arai, et al. ,"Multiple-wavelength GaInAs-GaAsvertical cavity surface emitting laser array with extended wavelength span",IEEE journal of selected topics in quantum electronics, vol. 9, No. 5, (2003)pp. 1367-1373. 非专利文献 3 :A. Onomura, et al. , "Densely integrated multiple-wavelength vertical cavity surface-emitting laser array", Japanese journal of applied physics, vol. 42, (2003)pp. L529-L531.

发明内容
发明要解决的课题 如果在同一基片上形成发出不同波长的光的多个发光元件，就能够应用于称为波长复用方式的有利于远距离通信的通信方式。从而，要求简便地制造在同一基片上包括发出各自不同的波长的光的多个发光元件的、更加简易的结构的半导体面发光元件。
然而，在现有技术中，在同一基片上制造具有多个波长的半导体面发光元件，需要在半导体结晶生长后，另外附加多个工序，设置其他部件。即，在专利文献2所示的半导体发光元件中，从各个半导体结晶部分别发出多个波长的光，所以用波长选择滤光镜取出必要的波长。因此，需要形成波长选择滤光镜的工序。此外，专利文献3所示的半导体发光元件，也是由相当于多个发光波长的结晶膜部位层叠的，所以为了分离并独立取出各波长的光，需要在半导体膜上形成蚀刻深度不同的多段电极结构的工序。
此外，在非专利文献2和非专利文献3中记载的技术中，在基片上形成的台面在长度方向上为固定宽度而没有成为锥状的情况、在台面彼此之间交叉(cross)、或排列方式为曲线状、或为同心圆状的情况下，难以进行薄膜生长时的膜厚控制。因此，多波长的面发光元件的设计自由度较低。
进而，波长1 μ m带的稀疏WDM通信(coarse WDM communication，稀疏波分复用通信)用发光元件的波长间隔为lOnm。根据非专利文献2和非专利文献3中记载的技术，为了使来自各发光元件的发光的波长间隔为lOnm，必须使元件彼此之间的分离距离为500μπι 以上。从而，将多模式光纤(纤芯直径50 μ m、或者65 μ m)与发光元件阵列光结合的情况下，必须对每个发光波长不同的发光元件分别结合各个光纤。
本发明的发明人，研究了用MOVPE选择生长法等，在同一基片上制造包括分别发出不同波长的光的多个发光元件的半导体面发光元件(多波长的面发光元件)。其结果是得出了制造设计自由度高的多波长的面发光元件的方法，完成了本发明。
用于解决课题的手段 即，本发明的第一方面，涉及以下所示的半导体发光元件阵列。
[1] 一种半导体发光元件阵列，其包括 半导体结晶基片； 配置在上述半导体结晶基片的表面的绝缘膜，其中 上述绝缘膜被划分为2个以上的区域，并且 在上述2个以上的区域的每个区域中分别形成有使上述基片的表面露出的2个以上的开口部； 从上述基片的表面通过上述开口部向上方延伸的半导体棒，其在上述延伸方向上层叠η型半导体层和ρ型半导体层，具有ρ-η结；和 与上述半导体结晶基片连接的第一电极，以及与上述半导体棒的上部连接的第二电极， 上述半导体棒自上述基片表面的高度，按上述2个以上的区域的每个区域而不同。
此处在半导体棒内形成的η型半导体层和ρ型半导体层的层叠顺序，可以是从基片侧起η型到ρ型的顺序，也可以是ρ型到η型的顺序。
[2]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述半导体棒具有ρ-η异质结。
[3]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述半导体棒具有量子阱结构。
[4]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述开口部的面积的平均值按上述2个以上的区域的每个区域而不同。
[5]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述开口部的中心间距离的平均值按上述2个以上的区域的每个区域而不同。
[6]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述半导体结晶基片，是从GaASUnP、Si、 InAs, GaN, SiC和Al2O3形成的组中选择的半导体材料的结晶基片，并且 配置有上述绝缘膜的基片的表面，是结晶轴(111)面。
[7]如[1]所述的半导体发光元件阵列，上述半导体棒，通过有机金属气相生长法或者分子线外延法形成。
[8]如[1]所述的半导体发光元件阵列， 上述第一电极是η电极，并且 上述第二电极是ρ电极且为透明电极。
[9]如[1]所述的半导体发光元件阵列， 上述第一电极是ρ电极，并且 上述第二电极是η电极且为透明电极。
本发明的第二方面，涉及以下所示的半导体发光元件阵列的制造方法。
[10] 一种半导体发光元件阵列的制造方法，其是[1]所述的半导体发光元件阵列的制造方法，其包括 Α)准备结晶轴(111)面被绝缘膜覆盖的半导体结晶基片的步骤，其中 上述绝缘膜被划分为2个以上的区域， 在上述2个以上的区域的每个区域中，分别形成使上述结晶轴(111)面露出的开口部；和 B)用有机金属气相生长法或分子线外延法，从被上述绝缘膜覆盖的半导体结晶基片通过上述开口部形成半导体棒的步骤，其包括形成η型半导体构成的层的工序和形成P 型半导体构成的层的工序。
在B)步骤中，形成η型半导体构成的层的工序和形成ρ型半导体构成的层的工序的顺序并没有限定，可以在形成η型半导体构成的层之后，再形成ρ型半导体层；也可以在形成P型半导体构成的层之后，再形成η型半导体层。
本发明的第三方面，涉及以下所示的光发送设备。
[11] 一种光发送设备，其包括 上述[1]所述的半导体发光元件阵列；和配置在上述2个以上的区域的每个区域中，从各区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
[12] 一种光发送设备，其包括 上述[1]所述的半导体发光元件阵列；和从上述2个以上的区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
[13] 一种光发送设备，其包括 上述[1]所述的半导体发光元件阵列；对从上述2个以上的区域的半导体棒发出的光进行合波的光合波器；和由上述合波器合波后的光所入射的光波导路。
本发明的第四方面，涉及以下所示的照明设备。
[14] 一种照明设备，其包括 上述[1]所述的半导体发光元件阵列；和从上述2个以上的区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
[15] 一种照明设备，其包括 上述[1]所述的半导体发光元件阵列；对从上述2个以上的区域的半导体棒发出的光进行合波的光合波器；和由上述合波器合波后的光所入射的光波导路。
发明的效果 根据本发明，提供一种在同一基片上具有分别发出不同波长的光的多个发光元件，多色发光的半导体发光元件阵列。本发明的半导体发光元件阵列，具有简便的结构，并且能够更简便地制造。
S卩，半导体棒的形状、尺寸(截面积)、半导体棒彼此之间的间隔和半导体棒的配置状态等，由绝缘膜图案(开口部)的形状、配置控制，所以能够容易地形成任意的半导体棒或半导体棒组。从而，也能够容易地控制来自半导体棒的发光波长。
例如，能够在10 μ mX 10 μ m的区域内配置5个半导体棒，能够5个一组地成为输出为ImW的发光元件。此外，即使考虑配线空间、制造工序的余量，也能够将发光元件阵列的基片上的发光元件彼此之间的间隔缩小至约20 μ m。从而，使多模式光纤(例如，纤芯直径为50μπι)和发光元件阵列结合的情况下，能够使来自发光波长不同的多个发光元件的发光，直接入射到一个光纤。从而，可以不使用光合波器而在稀疏WDM(CWDM)通信中用1根光纤实现4波复用通信。


图1是表示在1个基片上，形成高度不同的半导体棒的流程的例子的附图(实施方式1)。图IA表示被绝缘膜覆盖的基片；图IB表示在绝缘膜上形成有开口部的状态；图IC表示形成有半导体棒的状态。
图2是示意性地表示形成的半导体棒的各层的图。
图3是表示形成的半导体棒的量子阱层的厚度，与半导体棒彼此之间的距离的关系的坐标图。
图4是表示被AlGaAs覆盖的半导体棒的附图。
图5是表示用绝缘材料填充半导体棒之间的间隙，并且配置了 η型电极和P型电极的状态的附图。
图6是实施方式1的半导体发光元件阵列的立体图。
图7是表示实施方式1的半导体发光元件阵列中的各发光元件的半导体棒的量子阱层的厚度，与发光峰值波长的关系的坐标图。
图8是表示在1个基片上，形成高度不同的半导体棒的流程的例子的附图(实施方式幻。图8Α表示被绝缘膜覆盖的基片；图8Β表示在绝缘膜上形成有开口部的状态；图 8C表示半导体棒形成后的状态。
图9是表示形成的半导体棒的量子阱层的厚度，与半导体棒的粗细的关系的坐标图。
图10是实施方式2的半导体发光元件阵列的立体图。
图11是将GaAs/AWaAs层作为量子阱层的半导体棒的一个例子。
图12是将InGaAs层作为量子阱层的半导体棒的一个例子。
图13是表示图12所示的半导体棒的直径，与量子阱层中的^原子/( 原子的关系的坐标图(图13A)，和半导体棒的直径与发光峰值波长的关系的坐标图(图13B)。
图14是将InGaAs层作为量子阱层的半导体棒的一个例子。
图15是将InGaAsP层作为量子阱层的半导体棒的一个例子。
图16是将InGaN层作为量子阱层的半导体棒的一个例子。
图17是表示图16所示的半导体棒的量子阱层中的^原子/( 原子比率，与发光峰值波长的关系的坐标图。
图18是表示包括半导体发光元件阵列和光波导路的光发送设备的附图。
图19是表示光信号发送接收装置的附图。
图20是表示网络形态的概念图。
图21是可以用作光发送(具体而言为4波复用通信)设备的半导体发光元件阵列的立体图。
图22是表示包括半导体发光元件阵列的光发送(具体而言为4波复用通信)设备的附图。
图23是能够用作照明设备的半导体发光元件阵列的立体图。
图M是表示包括半导体发光元件阵列的照明器基的附图。
图25是表示InGaN半导体棒的h原子/( 原子比率，与发光峰值波长的关系的坐标图。
具体实施例方式1.关于半导体发光元件阵列 本发明的半导体发光元件阵列，包括1)半导体结晶基片；2)配置在半导体结晶基片的表面，且形成有使基片露出的开口部的绝缘膜；幻具有从上述基片的表面通过上述开口部向上方延伸的p-n结的半导体棒；4)与上述半导体结晶基片连接的第一电极，和与上述半导体棒的上部连接的第二电极。
此处，特征在于上述绝缘膜划分为几个区域，上述半导体棒自基片表面的高度， 按每个该区域而不同。
本发明的半导体发光元件阵列中包括的基片只要是半导体结晶即可，半导体结晶的例子中包括 GaAs、InP, Si、InAs, GaN, SiC、Al2O3 等。
在基片的表面配置的绝缘膜的材质并不特别限定，只要是Si02、SiN等的无机绝缘材料即可。绝缘膜例如用溅射法形成即可，膜厚为数十nm即可。
配置有绝缘膜的基片的表面，是构成基片的半导体结晶的结晶轴(111)面。通过使半导体棒从结晶轴(111)面生长，能够使半导体棒的延伸方向成为半导体结晶的结晶轴 (111)方向，通过结晶的对称性提高作为包括激光起振的发光元件的效率。
在基片的表面配置的绝缘膜被划分为2个以上的区域。所谓“划分”，可以使绝缘膜物理上分离而被分割，也可以只是将连续的绝缘膜假想地划分为多个区域。在物理上分离的情况下，只要相互分离数微米(ym)以上，优选50到100 μ m左右即可。
上述绝缘膜的2个以上的区域各自为本发明的半导体发光元件阵列的发光元件区域，并且从各发光元件发出不同波长的光。
绝缘膜的各区域的尺寸，只要根据在其上形成的半导体棒的个数等适当设定即可，并不特别限定。此外，如后所述，与光波导路组合作为光发送设备的情况(参照图18) 下，使各区域内的配置半导体棒的面积为与光波导路的纤芯尺寸相同程度或者其以下。从而，在光波导路的纤芯直径为50微米的情况下，只要使绝缘膜的各区域的尺寸基本上为 100微米左右的矩形即可。
进而，绝缘膜的各区域彼此之间的距离，也不特别限定。在与光波导路组合作为光发送设备的情况下，配合配置光波导路的间距设定区域彼此之间的距离即可。绝缘膜的各区域之间的距离，通常为数μπι到数个ΙΟΟμπι程度。
在绝缘膜的各区域中，分别形成2个以上的开口部，开口部贯通至基片表面。从该开口部使半导体棒生长。在各区域形成的开口部的数量只要是2个以上即可，但通常优选为10个以上。开口部的形状是任意的，可以是矩形、三角形、六角形或者圆形等中的任一个。
各区域中的开口部的开口面积优选为恒定的。对于开口面积，例如使其为圆形时的直径为IOnm 2μπι即可。此外，优选在各区域中均勻地配置开口部。均勻地配置，指的是开口部之间的间隔为恒定的等。开口部之间的间隔，为约3μπι以下即可。
开口部用光刻或电子束光刻除去半导体结晶基片的表面上形成的绝缘膜的一部分而形成即可。
进而，本发明的半导体发光元件阵列，特征在于1)在绝缘膜的每个区域，上述开口部的面积的平均值不同；或者2、在绝缘膜的每个区域，单位面积的上述开口部的密集度 (例如开口部彼此之间的距离或间隔的平均值)不同。开口部彼此之间的距离或者间隔，对于绝缘膜的平面内的纵方向(χ方向)和横方向(y方向)，⑴可以在χ方向和y方向上彼此相同，(2)也可以在χ方向和y方向上相互不同。即，开口部彼此之间的距离或间隔的平均，只要在绝缘膜的每个区域不同即可。
由此，能够形成在每个区域高度不同的半导体棒。
在本发明的半导体发光元件阵列中，从通过开口部露出的基片的表面延伸出半导体棒，该半导体棒，可以通过利用了有机金属的热分解的气相生长法等形成(之后详细说明)。此时，对于半导体棒的生长速度，1)开口部面积越大则越慢，面积越小则越快。即，开口部的面积越小，在恒定的生长时间内能够得到越长的半导体棒。此外，对于半导体棒的生长速度，2)开口部的密度(密集度)越高则越快，密度越低则越慢。即，开口部的密度越高， 在恒定时间内能够得到越长的半导体棒。
如上所述，本发明的半导体发光元件阵列，从在绝缘膜上形成的开口部露出的基片延伸出半导体棒。即，在各区域中，对应于开口部数量具有2个以上的半导体棒。优选各区域中的半导体棒的长度和粗细大致相同。
构成半导体棒的半导体成分，可以是2种元素构成的半导体、3种元素构成的半导体、4种元素构成的半导体、更多种元素构成的半导体中的任一个。
在2种元素构成的半导体的例子中，包括GaAs、InP、InAs, GaN、ZnS, SiC、ZnTe 等。在3种元素构成的半导体的例子中，包括yUGaAsJnGaAs、feJnPJnGaN、AWaN、ZnSk、 GaNAs等。在4种元素构成的半导体的例子中，包括InGaAsP、InGaAlN, AlInGaP, GaInAsN寸。
在上述区域中分别配置的半导体棒，优选具有p-n结。p-n结，指的是半导体结晶中存在的P型区域与η型区域相接。半导体棒中，ρ型区域和η型区域，优选在半导体棒的延伸方向上层叠。即P-n接合面，优选为对于半导体棒的延伸方向垂直的面，优选相对于基片面平行。在延伸方向上可以按“P型区域、η型区域的顺序”层叠，也可以按“η型区域、ρ 型区域的顺序”层叠。
本发明的半导体发光元件阵列，通过对两个电极(ρ电极和η电极，在后文中叙述) 施加电压，而从半导体棒的P-n接合面发出光。此时，半导体棒的上下两端面是相对于半导体棒的延伸方向垂直的面，如果棒内部对于光的传播是低损失的，则光在与半导体棒的延伸方向相同的方向上发出。
本发明的半导体棒具有p-n结，并且可以具有异质(hetero)结。所谓异质结，指的是使组成不同的半导体通过呈现急剧的组成变化的界面而接合。通过选择构成P-n结的半导体材料，能够控制发光波长。进而，为了对具有P-n结、且具有异质结的半导体棒赋予效率良好的发光功能，考虑采用量子阱结构。此外，如果用本征半导体构成量子阱结构，或者用本征半导体构成不为量子阱结构的半导体部，将其插入P-n结的接合界面，则能够形成Pin结构，与不使用本征半导体部的情况相比能够提高发光效率。
所谓量子阱结构，指的是用带隙较大的半导体层(阻挡层)夹着带隙较小的半导体层(量子阱层)的结构。电子被封闭在带隙较小的半导体膜(量子阱层)中。与半导体膜垂直的方向的电子运动被量子化，变为具有离散的能量。
本发明的半导体棒，优选具有量子阱结构。在半导体棒具有量子阱结构的情况下， 优选绝缘膜的各相同区域中存在的半导体棒的量子阱的厚度恒定，并且优选在绝缘膜的每个区域半导体棒的量子阱层的厚度不同。因为发出的光的波长因量子阱层的厚度而不同，所以只要针对上述每个区域控制量子阱层的厚度，能够得到多色发光的半导体发光元件阵列。
进而，本发明的半导体棒中包括的ρ型区域和η型区域以及量子阱层，可以具有多层结构(参照图11、图15、图16)。所谓多层结构，指的是2个以上的相互不同的半导体成分的层反复层叠的结构。例如图11的阻挡层(34和36)中，GaAs层和AKiaAs层交替反复层置。
在使半导体棒的ρ型区域或η型区域或者量子阱层为多层结构的情况下，通过使层的周期与发光波长相同，能够提高发光强度。
半导体棒能够用MOCVD法形成，但此外也能够用利用真空装置内的元素的蒸镀的分子线外延法形成。关于半导体棒的形成，在后面详细说明。
本发明的半导体发光元件阵列，特征在于半导体棒的长度因区域而不同。如上所述，半导体棒用MOCVD法等形成，此时的半导体结晶的生长速度，因绝缘膜上形成的开口部的面积、开口部的密集度而变化。从而，通过调整开口部的面积、排列方式，控制半导体棒的尚度。
半导体棒具有ρ-η结，流过电流时发光，但其发光的波长，根据构成半导体棒的半导体材料而不同。在本发明中特别以半导体棒具有量子阱结构的情况为主体进行叙述。在量子阱结构中，发出的光的波长依赖于该量子阱层的厚度。由此，从半导体棒发出的光的波长，因绝缘膜的每个区域而不同。
本发明的半导体发光元件阵列，具有与基片连接的第一电极，和与半导体棒的前端部(与基片相反一侧的端部)连接的第二电极。第一电极和第二电极，是P型电极(Cr/ Au或hSn氧化物等)和η型电极(AuGeNi等)的组合。
第一电极，在包括2个以上的区域的半导体结晶基片上设置一个以上即可。第二电极，在每个区域(每个发光元件)设置一个以上即可。将第一电极和第二电极的任一个作为P型电极或者η型电极，只要与半导体棒的ρ型区域和η型区域的配置相配合进行设定即可。
通过在ρη结的正向(顺向)上通电，而从P型电极侧发光，所以能够从P型电极侧取出发光。此时，P型电极，优选是易于取出相对于基片表面垂直方向的发光的透明电极或图案结构。此外，也能够从η型电极侧取出光。在该情况下，使η型电极为透明电极。无论如何，优选使取出光的一侧的电极为透明电极。
本发明的半导体发光元件阵列中包括的半导体棒的侧面可以被保护层覆盖。保护层在棒的延伸方向为纵方向的情况下，可以是在横方向上生长的结晶层(参照图4)，也可以是另外附加的高电阻物质(参照图14)。进而，半导体棒彼此之间的间隙，可以用绝缘性物质填充(参照图5)。
关于发光特性 来自本发明的半导体发光元件阵列的发光的波长，受到半导体棒的半导体成分、 半导体棒的高度(特别是在具有量子阱结构的情况下为量子阱层的厚度)等的影响。
例如，在用GaAs形成量子阱层的情况下，能够与量子阱层的厚度相应地产生约 700 900nm的波长的发光(参照图7)。此外，用InGaAs或InGaAsP等形成量子阱层的情况下，能够与量子阱层的h原子和( 原子的比率相应地进行约1. 3 μ m 1. 5 μ m的波长的发光；用InGaN等形成的情况下，能够与h原子和( 原子的比率相应地进行约400 700nm的波长的发光(参照图17)。
进而，发光的强度受到ρ型区域、η型区域或者量子阱层的层叠结构等的影响。
2.关于半导体发光元件阵列的制造方法 在本发明的半导体发光元件阵列中，在不损害本发明的效果的情况下能够用任意的方法制造，例如能够用包括以下步骤的方法制造。
准备半导体结晶基片，用绝缘膜覆盖其结晶轴(111)面。绝缘膜例如用溅射法形成在基片表面即可。在形成于半导体结晶基片表面的绝缘膜上，形成开口部。开口部用光刻法或电子束光刻法在绝缘膜上形成即可。
将绝缘膜分为2个以上的区域，优选使各形成在相同的区域内的开口部的开口面积、开口部的密集度均勻。另一方面，优选使开口部的开口面积、开口部的密集度，按每个区域变化。如上所述，开口部的开口面积的大小、开口部的密集度，会影响形成的半导体棒的长度。因此，只要与所要求的半导体棒相应地，适当设定各区域的开口部的大小、配置，就能够使来自各区域中形成的半导体棒的发光波长相互不同。其结果是，能够得到多色发光的本发明的半导体发光元件阵列。
从被具有开口部的绝缘膜覆盖的半导体结晶基片，通过开口部使结晶生长而形成半导体棒。例如，已知各种用有机金属气相生长法(MOCVD)使半导体结晶生长的方法，只要适当采用即可。只要将配置在反应炉中的半导体结晶基片加热至约400°C 900°C，将有机金属原料等的气体供给至反应炉，就能够形成半导体棒。
例如使GaAs生长的情况下，用三甲基镓作为( 的原料气体，用砷化氢(三氢化砷，胂，arsine)作为As的原料气体即可。此外使AlGaAs生长的情况下，用三甲基镓作为 Ga的原料气体，用砷化氢作为As的原料气体，用三甲基铝作为铝的原料气体即可。
用结晶生长形成半导体棒，包括形成ρ型半导体层的工序，和形成η型半导体层的工序。即，半导体棒中包括P型半导体层和η型半导体层，具有ρ-η结。可以先形成P型半导体层，再形成η型半导体层；也可以先形成η型半导体层，再形成ρ型半导体层。
使半导体层成为ρ型或者η型的方法适当选择采用即可。例如，使η型GaAs生长的情况下，除供给有机金属原料气体之外，还供给Si2H6气体即可。此外，使ρ型GaAs生长的情况下，除供给有机金属原料气体之外，还供给二甲基锌即可。
进而，通过结晶生长进行的半导体棒的形成，也可以具有形成量子阱层的工序。此外，优选使量子阱层为非掺杂型，即不是P型也不是η型。量子阱层的势需要小于夹着它的阻挡层的势，所以与阻挡层的材质不同。因此在形成量子阱层的工序中，变更供给至反应炉的有机金属原料气体。
供给的有机金属原料气体，在从开口部露出的基片表面(结晶轴(111)面)发生气相化学分解反应，所期望的结晶堆叠生长。在该结晶生长过程中，在生长时间较短的初始阶段，结晶以粒状或者丘状堆叠，所以相比于横方向，在棒高度方向上难以生长，棒的高度较低。另一方面，在生长时间变长时，结晶逐渐地在高度方向上生长，得到棒状的半导体结曰曰曰° 与半导体棒的生长方向相对的垂直截面与开口部的形状相应地变化。因此，如果使开口部为三角形就能够得到三角柱的半导体棒，为六角形就能够得到六角柱的半导体棒，为圆形就能够得到近似于圆柱的多角柱形状的半导体棒。半导体棒的粗细也能够大致用开口部的直径控制。
进而，高度方向的结晶生长的速度，因开口部的面积、排列而不同。即，如果增大开口部的面积则高度方向的结晶生长速度变慢，所以半导体棒的高度变小，此外在形成量子阱层的情况下，该量子阱层的厚度也变薄。同样地，如果降低开口部的密集度则高度方向的结晶生长速度变慢，所以半导体棒的高度变小，此外在形成量子阱层的情况下，该量子阱层的厚度也变薄。
这样，在本发明的制造方法中，将1个基片的表面上形成的绝缘膜分为几个区域， 形成开口面积、密集度按每个区域变化的开口部。因此，在该1个基片上，即使同时使半导体结晶生长形成半导体棒，也会形成发光特性按每个区域不同的半导体棒，所以能够简便地制造多色发光的发光元件阵列。
3.关于光发送设备 本发明的光发送设备包括本发明的半导体发光元件阵列和光波导路。如上所述， 本发明的半导体发光元件阵列，包括发出不同波长的光的多个发光元件，所以能够应用于并行传送方式、波长复用方式的发送方式。
在第一光发送设备中，如图18所示，在半导体发光元件阵列的发光元件区域分别设置光波导路。各区域中形成半导体棒的区域的尺寸，优选与对应的光波导路的纤芯尺寸相同，或者略小。图18所示的光发送设备，能够应用于并行传送方式。
在第二光发送设备中，如图19B所示，将来自半导体发光元件阵列的发光元件的光用光合波器合波。将合波后的光以波长复用方式在光波导路中发送。图19所示的光发送设备，能够应用于波长复用方式的发送方式。
此外，如图22所示，也能够设置与半导体发光元件阵列的所有发光元件区域对应的一个光波导路(例如光纤)。由此，能够不使用光合波器，而用1根光纤实现4波复用通信。此外，也能够将从各发光区域发出的光的波长间隔调整为约lOnm。
4.关于照明设备 本发明的照明设备，具有本发明的半导体发光元件阵列和光波导路。例如，如图M 所示，在包括发出蓝色光的发光元件、发出绿色光的发光元件和发出红色光的发光元件这三个发光元件的半导体元件阵列上，组合1根光波导路，就能够传导白色光。本发明的照明设备，例如可以作为照明用光纤、医疗设备等使用。
以下，参照附图进一步说明本发明的半导体发光元件阵列。
[实施方式1开口部的密集度的调整] 图IA是表示在半导体结晶基片1 (例如GaAs、InP, Si等)上，覆盖了绝缘膜2的状态的附图。被绝缘膜2覆盖的基片1的表面，是结晶轴(111)面。绝缘膜2的厚度例如为20nm。绝缘膜2被划分为绝缘膜部2A 2D四个区域。
绝缘膜部2A 2D各自的大小(aXb)可以相互不同，也可以相同。纵a的长度和横b的长度并不特别限定，以下都设为100 μ m进行说明。此外将各区域的中心间距离(即， 绝缘膜部2A和绝缘膜部2B的中心间距离cl，绝缘膜部2B和绝缘膜部2C的中心间距离c2， 绝缘膜部2C和绝缘膜部2D的中心间距离c:3)设为250 μ m进行说明。
图IB是表示在绝缘膜部2A 2D上分别形成2个以上(图中为9个)开口部3A 3D的状态的附图。使开口部3A 3D从基片1的表面露出。开口部3A 3D使用半导体制造工序中使用的光刻法、电子束光刻法等微细图案形成技术形成。开口部3A 3D的形状并不特别限定，可以是矩形、三角形、六角形、圆形等。
开口部3A 3D的开口面积，在开口部为圆形的情况下，使直径为IOnm 500nm 即可。在图IB中，开口部3A 3D的开口面积都相同。以下，设开口部3A 3D的直径为 80nm进行说明。
在绝缘膜部2A上配置的开口部3A彼此之间的距离(设纵方向的距离为plA，横方向的距离为P2A)，大致恒定。同样地，在绝缘膜部2B上配置的开口部:3B彼此之间的距离(plB和p2B)、在绝缘膜部2C上配置的开口部3C彼此之间的距离(pIC和p2C)、在绝缘膜部D上配置的开口部3D彼此之间的距离(plD和p2D)，分别大致恒定。各个开口部彼此之间的距离，调整为数IOnm 数μπι即可。图IB中，纵方向的距离pi和横方向的距离ρ2 大致相同，但Pl和Ρ2也可以是相互不同的距离。
在图IB中，在每个绝缘膜部2Α 2D，开口部彼此之间的距离不同。即，绝缘膜部 2Β上的开口部:3Β彼此之间的距离大于绝缘膜部2Α上的开口部3Α彼此之间的距离；绝缘膜部2C上的开口部3C彼此之间的距离大于绝缘膜部2Β上的开口部:3Β彼此之间的距离； 绝缘膜部2D上的开口部3D彼此之间的距离大于绝缘膜部2C上的开口部3C彼此之间的距尚。
具体而言，设 plA = p2A = 0. 3 μ m ；plB = p2B = 1· 5 μ m ；plC = p2C = 2. 0 μ m ； plD = p2D = 3· Ομπι。
图IC是表示在图IB所示的结构体上形成有半导体棒4Α 4D的状态的附图。半导体棒4Α 4D用有机金属气相生长法等形成。
具体而言，用三甲基镓(TMG)和砷化氢(AsH3)作为fei和As的原料气体使GaAs结晶生长；进而用三甲基铝(TMA)作为Al原料使AlGaAs生长。将这些原料气体，持续一定时间供给到加热保持为750°C的基片1的表面。
在图2中，表示形成的各半导体棒4的示意图。图2所示的半导体棒4，在一次结晶生长循环中形成，该循环中包括 1)以 TMG 供给压强 2. 7 X l(T7atm ；AsH3 供给压强 5. 0 X l(T4atm ；Si2H6 供给量 lsccm(cc每秒)进行供给，在基片1上形成η型GaAs层23的工序； 2)以 TMG 供给压强 2. 7 X l(T7atm ；TMA 供给压强 3. 5 X l(T8atm ；AsH3 供给压强 5. OX l(T4atm ；Si2H6供给量lsccm(cc每秒)进行供给，在η型GaAs层23上使η型AlGaAs 层M堆叠生长的工序； 3)以TMG供给压强2. 7Χ 10_7atm ；AsH3供给压强5. OX 10_4atm进行供给，在η型 AlGaAs层M上使GaAs层25堆叠生长的工序； 4)以 TMG 供给压强 2. 7 X l(T7atm ；TMA 供给压强 3. 5 X l(T8atm ；AsH3 供给压强 5. OX 10_4atm ；二甲基锌供给量0. 5sccm进行供给，在GaAs层25上使ρ型AWaAs层26堆叠生长的工序；以及， 5)以TMG供给压强2. 7Χ 10_7atm ；AsH3供给压强5. OX 10_4atm ；二甲基锌供给量 0. 5sccm(cc每秒)进行供给，在ρ型AWaAs层沈上使ρ型GaAs层27堆叠生长的工序。
这样，在一个半导体棒上，形成η型GaAs层23/η型AlGaAs层M/GaAs层25/p型AlGaAs层26/p型GaAs层27，得到阻挡层即ρ型AlGaAs层26禾口 η型AlGaAs层24夹着量子阱层GaAs层25的两面的结构(量子阱结构)。其中，图2所示的半导体棒的ρη结结构， 在使η型半导体层生长后，再使ρ型半导体层生长而得到，但是也可以与其相反，在使ρ型半导体层生长后，再使η型半导体层生长，形成具有ρη结结构的半导体棒。
图IB中形成的开口部的开口面积大致恒定，但另一方面，开口部之间的距离(pi 或Ρ2)因绝缘膜部2Α 2D而不同，所以开口部的密集度按绝缘部2Α 2D而不同。因此， 各半导体棒的粗细大致相同，但另一方面，高度h因绝缘膜部2A 2D而不同。具体而言， 绝缘膜部2A上的开口部3A彼此之间的距离(plA和p2A)较短，开口部的密集度较高，所以形成的半导体棒4A的高度hA较大；开口部之间的距离按照绝缘膜部B、绝缘膜部C、绝缘膜部D的顺序变长，所以半导体棒按该顺序变短(hB>hC>hD)。即，开口部之间的距离和半导体棒的高度为所谓的反比例的关系。
具体而言，使在绝缘膜部2A形成的半导体棒4A的高度hA = 1 μ m ；在绝缘膜部2B 形成的半导体棒4B的高度hB = 0. 5 μ m ；在绝缘膜部2C形成的半导体棒4C的高度hC = 0. 3 μ m ；在绝缘膜部2D形成的半导体棒4D的高度hD = 0. 2 μ m。
关于在图IC的半导体棒4A 4D中分别形成的量子阱结构(ρ型AKiaAs层26/ GaAs层25/n型AlGaAs层24)，绝缘膜部2A的半导体棒4A的量子阱层25 (GaAs)的厚度最大，量子阱层25的厚度按绝缘膜部2B、2C、2D的半导体棒4B、4C、4D的顺序变小。
具体而言，使绝缘膜部2A的半导体棒4A的量子阱层25的厚度为IOnm ；绝缘膜部 2B的半导体棒4B的量子阱层25的厚度为5nm ；绝缘膜部2C的半导体棒4C的量子阱层25 的厚度为4nm ；绝缘膜部2D的半导体棒4D的量子阱层25的厚度为2. 5nm。
图3是表示绝缘膜上形成的开口部3A 3D的中心间的距离(ρ)，与各半导体棒 4Α 4D的量子阱层25的厚度(t)的关系的坐标图。图3的坐标图中，表示了变更砷化氢供给压强(5X 10_4atm，2. 5X 10_4atm，以及IX 10_3atm)的3个曲线。如图3所示，可知无论砷化氢的供给量如何，开口部中心间的距离越短，量子阱层的厚度越大。
如图4所示，半导体棒4也可以是其侧面被覆盖的。图4中，表示半导体棒4被使 AlGaAs在横方向上生长的膜28以大致同心圆状地覆盖的状态。AWaAs横方向生长膜28， 将生长温度在650°C 750°C的范围内保持为恒定，同时将砷化氢的供给压强保持为较高的值(约5X 10_4atm IX 10_3atm)形成即可。
进而如图5所示，基片1上形成的半导体棒4彼此之间的间隙，也可以用绝缘材料12填充。在绝缘材料12的例子中，包括氧化硅。如图5所示在半导体棒4的前端(ρ型 GaAs层27上)，形成ρ型电极13。ρ型电极13，是易于取出来自半导体棒4的光的图案结构，是透明电极。例如P型电极13由Cr/Au层叠电极和hSn氧化物等形成。另一方面，在基片1的背面，形成η型电极11。η型电极11用AuGeNi等形成即可。这样，得到本发明的半导体发光元件阵列。
图6是本发明的半导体发光元件阵列的立体图。绝缘膜部2Α 2D上分别形成的半导体棒4Α 4D高度不同，其内部形成的量子阱层的厚度也不同。此外，在基片1上形成 η型电极11，在各半导体棒4Α 4D上形成ρ型电极13Α 13D。
在η型电极11与ρ型电极13Α 13D之间设置电位差，在ρη结的正向上通电时， 从各半导体棒4Α 4D的ρ型电极13Α 13D —侧产生发光。在77Κ或300Κ下从各半导体棒发光。
图7中，表示300K下发光时的发光波长的峰值。可知半导体棒的量子阱结构的量子阱层的厚度t越大，发光波长越长。
表1中总结了实施方式1得到的半导体发光元件阵列(参照图6)的绝缘膜开口部和半导体棒的各参数与发光波长。如表1所示，绝缘膜上形成的开口部之间的距离越小 (即开口部的密集度越高)，半导体棒的高度和半导体棒中包含的量子阱层的厚度越大。进而，可知开口部之间的距离越大，各温度下的发光峰值波长越向长波长一侧偏移。
[表1]
权利要求
1.一种半导体发光元件阵列，其特征在于，包括 半导体结晶基片；配置在所述半导体结晶基片的表面的绝缘膜，其中所述绝缘膜被划分为2个以上的区域，并且在所述2个以上的区域的每个区域中分别形成有使所述基片的表面露出的2个以上的开口部；从所述基片的表面通过所述开口部向上方延伸的半导体棒，其在所述延伸方向上层叠 η型半导体层和ρ型半导体层，具有ρ-η结；和与所述半导体结晶基片连接的第一电极，以及与所述半导体棒的上部连接的第二电极，所述半导体棒自所述基片表面的高度，按所述2个以上的区域的每个区域而不同。
2.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于 所述半导体棒，具有Ρ-η异质结。
3.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于 所述半导体棒具有量子阱结构。
4.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于所述开口部的面积的平均值按所述2个以上的区域的每个区域而不同。
5.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于所述开口部的中心间距离的平均值按所述2个以上的区域的每个区域而不同。
6.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于所述半导体结晶基片，是从GaAsJnPJiUnALGalSiC和Al2O3形成的组中选择的半导体材料的结晶基片，并且配置有所述绝缘膜的基片的表面，是结晶轴(111)面。
7.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于 所述半导体棒，通过有机金属气相生长法或者分子线外延法形成。
8.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于 所述第一电极是η电极，并且所述第二电极是P电极且为透明电极。
9.如权利要求1所述的半导体发光元件阵列，其特征在于 所述第一电极是P电极，并且所述第二电极是η电极且为透明电极。
10.一种半导体发光元件阵列的制造方法，其是权利要求1所述的半导体发光元件阵列的制造方法，其特征在于，包括Α)准备结晶轴(111)面被绝缘膜覆盖的半导体结晶基片的步骤，其中所述绝缘膜被划分为2个以上的区域，在所述2个以上的区域的每个区域中，分别形成使所述结晶轴(111)面露出的2个以上开口部；和B)用有机金属气相生长法或分子线外延法，从被所述绝缘膜覆盖的半导体结晶基片通过所述开口部形成半导体棒的步骤，其包括形成η型半导体构成的层的工序和形成ρ型半导体构成的层的工序。
11.一种光发送设备，其特征在于，包括 权利要求1所述的半导体发光元件阵列；和配置在所述2个以上的区域的每个区域中，从各区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
12.一种光发送设备，其特征在于，包括 权利要求1所述的半导体发光元件阵列；和从所述2个以上的区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
13.一种光发送设备，其特征在于，包括 权利要求1所述的半导体发光元件阵列；对从所述2个以上的区域的半导体棒发出的光进行合波的光合波器；和由所述合波器合波后的光所入射的光波导路。
14.一种照明设备，其特征在于，包括权利要求1所述的半导体发光元件阵列；和从所述2个以上的区域的半导体棒发出的光所入射的光波导路。
15.一种照明设备，其特征在于，包括 权利要求1所述的半导体发光元件阵列；对从所述2个以上的区域的半导体棒发出的光进行合波的光合波器；和由所述合波器合波后的光所入射的光波导路。
全文摘要
本发明的目的在于使用MOVPE选择生长法在同一个基片上制造具有多个波长的半导体面发光元件。具体而言，提供一种半导体发光元件阵列，其包括半导体结晶基片；配置在所述半导体结晶基片的表面的绝缘膜，其中所述绝缘膜被划分为2个以上的区域，并且在所述2个以上的区域的每个区域中分别形成有使所述基片的表面露出的2个以上的开口部；从所述基片的表面通过所述开口部向上方延伸的半导体棒，其在所述延伸方向上层叠n型半导体层和p型半导体层，具有p-n结；和与所述半导体结晶基片连接的第一电极，以及与所述半导体棒的上部连接的第二电极，所述半导体棒自所述基片表面的高度，按所述2个以上的区域的每个区域而不同。
文档编号H01L33/00GK102187477SQ20088013159
公开日2011年9月14日 申请日期2008年10月17日 优先权日2008年10月17日
发明者比留间健之, 原真二郎, 本久顺一, 福井孝志 申请人:国立大学法人北海道大学