JP2002261370A

JP2002261370A - 窒化物系半導体素子の作製方法

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Publication number: JP2002261370A
Application number: JP2001061764A
Authority: JP
Inventors: Ko Naganuma; 香長沼
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-13
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: JP4644955B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物系半導体基板又はサファイア基板上
に、良好な特性を有する窒化物系半導体素子を歩留り良
く作製する方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板の裏面に負電極を形成した
後、ウエハをスクライバーにセットして、ＧａＮ基板の
裏面を実線で示す分断線に沿ってＡ面に平行な方向にス
クライブして、バー３９を形成する。次いで、バー３９
をＡ面に直交するＭ面に平行な方向（点線で示す方向）
にスクライブして、またはブレーキング刃にて圧して割
って、ＧａＮ系半導体レーザ素子・チップ４０を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系半導体素
子の作製方法に関し、更に詳細には、良好な光共振面を
備えた窒化物系半導体素子を作製する作製方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】青色から紫外域に至る短波長域の光をレ
ーザ発振し得る半導体材料の一つとして、Ｉｎ_XＡｌ_Y
Ｇａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）として組
成が示される窒化ガリウム系化合物半導体が、知られて
いる。特に、最近、窒化ガリウム系化合物半導体よりな
るダブルヘテロ構造の発光ダイオードが実用化されたこ
とにより、短波長域の光を発光する発光素子として、窒
化ガリウム系化合物半導体を使った半導体レーザダイオ
ードが注目されるようになっている。

【０００３】従来から研究の進展に伴い、窒化ガリウム
系化合物半導体を用いた種々の構造の半導体レーザダイ
オードが提案されている。例えば特開平６−２８３８２
５号公報では、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ／Ｓｉドープ
ｎ型ＧａＮ／Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮダブルヘテロ構
造のレーザダイオードが開示されており、また、ＵＳＰ
５，１４６，４６５には、ＡｌＧａＮを活性層として、
ＡｌＧａＮの多層膜で光共振面を形成したレーザダイオ
ードが開示されている。

【０００４】半導体レーザ素子は、基本的には、例えば
ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧ
ａＮ／ＡｌＧａＮ等の窒化物系化合物半導体層の活性層
／クラッド層の組み合わせで形成されたダブルヘテロ接
合構造を備えている。少なくともインジウム（Ｉｎ）と
ガリウム（Ｇａ）とを含む窒化ガリウム系化合物半導
体、例えばＩｎＧａＮを活性層とすることにより、Ｉｎ
ＧａＮのバンド間発光のみで発光波長を例えば３７０ｎ
ｍ〜４６０ｎｍの範囲で変化させることができる。以
下、少なくともＧａ、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体層
の積層構造を有する半導体レーザ素子をＧａＮ系半導体
レーザ素子と言う。

【０００５】半導体レーザ素子として好適なダブルヘテ
ロ接合構造は、ノンドープＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ
（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる活性層を、導
電型が互いに異なり活性層よりもバンドギャップエネル
ギーの大きい窒化ガリウム系化合物半導体で挟んだダブ
ルヘテロ接合構造である。例えばｎ型ドーパント及びｐ
型ドーパントをそれぞれドープしたｎ型及びｐ型Ｉｎ_X
Ａｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で
活性層を挟んだダブルヘテロ接合構造である。

【０００６】ここで、図３を参照して、ＧａＮ系半導体
レーザ素子の基本的構造及び作製方法を説明する。図３
はＧａＮ系半導体レーザ素子の基本的構成を示す模式的
断面図である。ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、メサ
ストライプ型の半導体レーザ素子が多く、図３に示すよ
うに、例えばＧａＮ基板１２のＣ面上に、ｎ型ＧａＮ系
化合物半導体の第一のクラッド層１４と、ＧａＮ系化合
物半導体の活性層１６と、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体の
第二のクラッド層１８との積層構造からなるダブルへテ
ロ構造を備えている。

【０００７】第二のクラッド層１８上には、ストライプ
状の正電極２０が、ＧａＮ基板１２の裏面には、負電極
２２が形成されている。尚、負電極２２は、ＧａＮ基板
１２の裏面を研磨して所定の厚さに調整した後、形成さ
れている。本半導体レーザ素子１０では、正電極２０を
１μｍ〜２０μｍ程度の幅で形成してストライプ状光導
波路を構成することにより、ストライプ状光導波路に沿
ってレーザ発振を起こすことができる。

【０００８】ＧａＮ系化合物半導体層は、通常、下地の
ＧａＮ系化合物半導体又は窒化ガリウム基板の（０００
１）面（以下、この面をＣ面という。図４参照）上にエ
ピタキシャル成長法により成膜される。尚、図４は、Ｇ
ａＮ系半導体の面方位を表すユニットセル図である。上
述の半導体レーザ素子１０の作製では、ＧａＮ基板１２
のＣ面上にＧａＮ系化合物半導体をＣ軸方向の配向で例
えばＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＯＣＶＤ
（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）
等の気相成長法により成長させて、積層構造を形成して
いる。尚、ＧａＮ基板のＣ面が（０００１）面に完全に
一致していることが最も望ましいが、（０００１）面に
対しておよそ±２°以内の範囲でオフ角を有するＣ面で
あってもよい。また、ＧａＮ基板に代えて、サファイア
基板のＣ面上にＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャ
ル成長させることも多い。

【０００９】以上の工程までは、ウエハプロセス工程で
あって、ストライプ状の正電極２０は、ウエハ上に所定
間隔で並列に、図５（ａ）に示すように、劈開性を考慮
してＧａＮ基板１２のＡ面（１１−２０）に平行（破線
で示す方向）に配列されている。Ｍ面（１−１００）面
に平行な面でＧａＮ基板１２及びその上の積層構造を所
定の幅で帯状に分割する際、その分割面のＧａＮ系化合
物半導体層が光共振面になるので、ＧａＮ系化合物半導
体層の積層構造の分割面に対してストライプが垂直とな
るようにストライプ状の正電極２０を形成する。

【００１０】次いで、ＧａＮ基板のＭ面（１−１００）
面でＧａＮ基板１２及びその上の積層構造を所定幅の帯
状に分割して、図５（ｂ）に示すように、ストライプ状
の正電極２０を幅方向に並列させたバー２４を形成す
る。バー状に分割する際には、図６に示すように、ウエ
ハ面にけがき線２５を入れ、けがき線２５に沿って劈開
性を利用して分割する。帯状に分割する際の幅Ｗは、半
導体レーザ素子１０の共振器長Ｌとする。次に、図５
（ｃ）に示すように、ＧａＮ基板１２のＡ面（１１０
０）面に平行な面でバー２４を分割して、それぞれ、所
定の幅の半導体レーザチップ２６に形成する。なお、以
上の説明では、ＧａＮ基板を例にしてＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の作製を説明したが、サファイア基板を基板と
しても良い。尚、サファイア基板を基板とする場合に
は、負電極２２は基板の裏面ではなく、基板に関し正電
極２０と同じ側に形成される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体レー
ザ素子の重要な構成要素である光共振面は、ストライプ
状の正電極に直交した面で、かつ平滑面であることが必
要があって、光共振面がストライプ状正電極に対して直
交せず、また平滑な面でないと、半導体レーザ素子のレ
ーザ特性が低下する。しかし、従来の方法では、ウエハ
プロセス工程を終了して、ウエハをバー化して光共振面
を形成し、次いでバーをチップ化する際に、正電極に直
交し、平滑な光共振面を形成することが難しく、歩留り
が著しく低下するという問題があった。

【００１２】以上の説明では、ＧａＮ基板上に形成され
たＧａＮ系化合物半導体層の積層構造を有するＧａＮ系
半導体レーザ素子を例に挙げているが、この問題は、こ
れに限らずサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導
体レーザ素子、更には窒化物系半導体素子全般に該当す
る問題である。更には、利得導波路型のメサストライプ
構造、或いは埋め込みヘテロ型のストライプ構造を有す
る半導体レーザ素子にも該当する問題である。そこで、
本発明は、このような事情を鑑みて成されたものであっ
て、その目的は、窒化物系半導体基板又はサファイア基
板上に、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を
歩留り良く作製する方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述の問題
の解決に当たり、ＧａＮ基板及びその上に形成されるＧ
ａＮ系化合物半導体層の積層構造の劈開性に注目した。
例えば、赤外／赤色半導体レーザ素子に使用されるＧａ
Ａｓ系の半導体材料は、立方晶系であって、劈開性に優
れているので、半導体結晶の劈開面からなる半導体レー
ザの共振面はストライプ状構造に直交する平滑な面にな
る。一方、サファイア基板には劈開性が無く、ＧａＮ基
板等の窒化物系半導体基板もＧａＡｓ基板程の優れた劈
開性を有していない。また、窒化物系化合物半導体層の
積層構造もＧａＡｓ系の積層構造に比べて劈開性が劣
る。以上の劈開性の問題から、本発明者は、光共振面で
劈開してバーを形成する従来の方法では、光共振面とな
る良好な劈開面を歩留まり良く得ることが難しく、ま
た、劈開面の違いから光共振面がストライプ状構造に対
して斜め方向に逸れ易く、直交面になり難いことに気が
付いた。

【００１４】更に説明すると、サファイア基板は劈開性
が無く、ＧａＮ基板等の窒化物系半導体基板はＧａＡｓ
基板ほどの強い劈開性ではないため、基板の薄膜化を行
っても光共振面の劈開は容易ではない。また、割れ易く
するための案内溝を溝入れする際も、あまり深い溝を形
成すると、その影響を受けて光共振面の平坦度が悪くな
ると言う問題が生じる。更には、チップ化する前に、光
共振面が露出しているので、光共振面が汚染されたり、
損傷したりすることも多かった。

【００１５】そこで、本発明者は、極力、光共振面に損
傷を与えないようにしてバー化するために従来の方法と
は逆に、先ず、Ａ面（１１−２０）面でウエハを分割し
てバー化し、次いでバーを折る要領でＭ面（１−１０
０）面で劈開を行ってチップ化することを着想した。

【００１６】上記目的を達成するために、本発明に係る
窒化物系半導体素子の作製方法は、窒化物系半導体基板
上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を有する窒化物
系半導体素子の作製方法において、基板の（０００１）
面上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成する工
程と、窒化物系化合物半導体層の積層構造の上部を加工
して、又は積層構造上に、ストライプ状電流注入領域等
のストライプ状構造を基板のＡ面に平行に形成する工程
と、基板のＡ面で基板及び積層構造をストライプ状構造
毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手
方向に有するバーを形成する工程と、基板のＭ面でバー
を分割して、それぞれ、ストライプ状構造を有する所定
の長さのチップを形成する工程とを備えていることを特
徴としている。

【００１７】また、本発明に係る窒化物系半導体素子の
作製方法は、基板の（０００１）面上に窒化物系化合物
半導体層の積層構造を形成しつつ積層構造内に、ストラ
イプ状電流注入領域等のストライプ状構造を基板のＡ面
に平行に埋め込み形成する場合にも適用できる。バーを
形成する工程の前に、基板の裏面を研磨して所定の厚
さ、例えば２００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ
以下の厚さに基板を調整することが望ましい。

【００１８】本発明方法で、Ａ面とは図４（ユニットセ
ル図）の（１１２０）面を意味し、Ｍ面とは図４に示す
（０１−１０）面等を言う。本発明方法は、ストライプ
状構造を有する限り窒化物系半導体素子の構成に制約無
く適用でき、例えば半導体レーザ素子、光増幅器、光変
調器、発光ダイオード等に適用できる。また、窒化物系
化合物半導体層の組成に制約なく適用できる。

【００１９】Ａ面でウエハを分割してバー化する際に
は、分割面が光共振面ではないので、スクライバーやダ
イサーを用いて分割しても良く、更には、スクライバー
やダイサーの刃を基板裏面下まで入れて完全に切断する
こともできる。

【００２０】Ｍ面で劈開してチップ化する際には、浅い
案内溝を形成し、次いでブレーキング装置やローラーを
使って押し割る方法を適用しても良く、溝無しで折り割
る方法を適用することも可能である。また、バーからの
劈開に際し、積層構造側に案内溝を入れるときには、ス
トライプ状構造の間に点線状に離隔した案内溝を設けて
も良い。バーからの劈開であれば、点線状に離隔した案
内溝であっても、直線的に高い歩留まりで割ることがで
きる。

【００２１】本発明方法では、劈開性の弱い窒化物系化
合物半導体層の積層構造及び窒化物系半導体基板を出来
るだけ割り易いバー形状にすることにより、Ｍ面で安定
してバーを割ってチップ化することができる。更には、
図４の斜線部で示すように、窒化ガリウムのＭ面は、必
ず対向するもう一方のＭ面を有するので、それらの双方
のＭ面でバーを割ることによって、相互に対向する光共
振面を容易に形成できる。

【００２２】また、窒化物系半導体基板及び窒化物系化
合物半導体層の積層構造のＭ面は、他の面方位、例えば
Ｃ面やＡ面等に比べて、割れやすい性質があることを利
用して、その割れた面（劈開面）が鏡面のような状態の
光共振面となる。そのため、割れ難いＡ面切断によるバ
ー化と、Ｍ面劈開によるチップ化とを組み合わせること
により、機械的な切断負荷をＡ面に集約して、光共振面
となるＭ面へのダメージを軽減することできる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的にかつ詳細
に説明する。実施形態例本実施形態例は、本発明に係る窒化物系半導体素子の作
製方法の実施形態の一例で、図１は本実施形態例の方法
で作製した窒化物系半導体素子の構成を示す断面図、及
び図２は基板（ウエハ）上のストライプ状正電極の長手
方向配列を示す平面図である。基板として、Ｃ面を主面
とし、Ｍ面とＡ面とがオリエンテーションフラットされ
た例えば基板厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＮ基板３０を使
用する。

【００２４】先ず、ＧａＮ基板３０の主面（Ｃ面）上
に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、順次、膜厚３００ÅのＧａ
Ｎバッファ層３１、膜厚４μｍのＳｉドープしたｎ型Ｇ
ａＮ下地層３２、膜厚１．３μｍのＳｉドープしたｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層３３、膜厚５００Åのｎ型ＩｎＧ
ａＮ層よりなる活性層３４、膜厚０．６μｍのＭｇドー
プしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３５、及び膜厚０．１
μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層よりなるｐ型コンタクト
層３６をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成す
る。

【００２５】次いで、最上層のｐ型コンタクト層３６上
に正電極形成用の多層金属膜（図示せず）をスパッタ法
等によって堆積させ、続いて、図２（ａ）に示すよう
に、ウエハのオリエンテーションフラット面、つまりＡ
面に平行な方向（実線で示す方向）に延在する所定のス
トライプ形状のマスクを多層金属膜上に形成し、多層金
属膜をエッチングしてｐ型コンタクト層３６上に２μｍ
の幅でストライプ状の正電極３７を形成する。次に、Ｇ
ａＮ系化合物半導体層を形成していない側のＧａＮ基板
３０の基板面（裏面）を研磨して基板厚さを８０μｍに
調整し、研磨後、裏面に負電極３８を形成する。負電極
３８は、基板３０の裏面全面に形成しても良く、又はウ
エハ分割のための案内溝を形成する領域を避けて形成し
ても良い。

【００２６】負電極３８を形成した後、ウエハをスクラ
イバーにセットして、ＧａＮ基板３０の裏面を図２の実
線で示す分断線に沿ってＡ面に平行な方向にスクライブ
して、図２（ｂ）に示すように、バー３９を形成する。
次いで、バー３９をＡ面に直交するＭ面に平行な方向
（点線で示す方向）にスクライブしてまたはブレーキン
グ刃にて圧して割って、それぞれ、図１に示す積層構造
を有するＧａＮ系半導体レーザ素子・チップ４０を形成
する。

【００２７】共振器長が２００μｍ以上１０００μｍ以
下の場合、バー３９の幅は例えば３００μｍである。次
いで、バー３９を共振器長７００μｍのチップ４０に分
割する。このチップ４０は、図１に示すようなＧａＮ系
半導体レーザ素子の構造を有しており、Ａ面に直交する
Ｍ面（１−１００）面がＧａＮ系半導体レーザ素子の光
共振面となっている。

【００２８】上述した本実施形態例の作製方法に従っ
て、図１に示す積層構造を有するＧａＮ系半導体レーザ
素子試料を作製し、チップ４０をヒートシンクに設け、
正電極３７及び負電極３８を接続端子にワイヤーボンド
した後、室温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電
流密度１５ｋＡ／ｃｍ²で発振波長４００ｎｍのレーザ
発振が確認され、良好なレーザ特性を有することが判っ
た。

【００２９】本実施形態例では、ＧａＮ基板を使ったＧ
ａＮ系半導体レーザ素子の作製を例にして説明したが、
ＧａＮ基板に代えてサファイア基板を使った場合にも本
発明方法を適用することができる。その場合には、基板
に関し正電極３７と同じ側で同じ方向にストライプ状に
負電極を形成することにより、本発明方法を適用するこ
とができる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明方法によれ
ば、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を
基板のＡ面に平行に形成し、次いで基板のＡ面でストラ
イプ状構造毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状
構造を長手方向に有するバーを形成し、更に基板のＭ面
でバーを分割して、それぞれ、ストライプ状構造を有す
る所定の長さのチップに形成することにより、従来の方
法に比べて、歩留まりが高く、平坦性の良い光共振面を
備え、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を作
製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例の方法で作製したＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の構成を示す模式的断面図である。

【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態
例の方法でＧａＮ系半導体レーザ素子を作製する際のバ
ー化、及びチップ化の工程を説明する図である。

【図３】ＧａＮ系半導体レーザ素子の典型的構成を示す
斜視図である。

【図４】ＧａＮの面方位を表すユニットセル図である。

【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の方
法でＧａＮ系半導体レーザ素子を作製する際のバー化、
及びチップ化の工程を説明する図である。

【図６】けがき線を設けた状態を示す模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１０……ＧａＮ系半導体レーザ素子、１２……ＧａＮ基
板、１４……第一のクラッド層、１６……活性層、１８
……第二のクラッド層、２０……正電極、２２……負電
極、２４……バー、２６……チップ、３０……ＧａＮ基
板、３１……ｎ型ＧａＮバッファ層、３２……ｎ型Ｇａ
Ｎ下地層、３３……ｎ型クラッド層、３４……活性層、
３５……ｐ型クラッド層、３６……ｐ型コンタクト層、
３７……正電極、３８……負電極、３９……バー、４０
……チップ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化物系半導体基板上に窒化物系化合物
半導体層の積層構造を有する窒化物系半導体素子の作製
方法において、基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積
層構造を形成する工程と、窒化物系化合物半導体層の積層構造の上部を加工して、
又は積層構造上に、ストライプ状電流注入領域等のスト
ライプ状構造を基板のＡ面に平行に形成する工程と、基板のＡ面で基板及び積層構造をストライプ状構造毎に
所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向
に有するバーを形成する工程と、基板のＭ面でバーを分割して、それぞれ、ストライプ状
構造を有する所定の長さのチップを形成する工程とを備
えていることを特徴とする窒化物系半導体素子の作製方
法。
【請求項２】窒化物系半導体基板上に窒化物系化合物
半導体層の積層構造を有する窒化物系半導体素子の作製
方法において、基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積
層構造を形成しつつ積層構造内に、ストライプ状電流注
入領域等のストライプ状構造を基板のＡ面に平行に埋め
込み形成する工程と、基板のＡ面で基板及び積層構造をストライプ状構造毎に
所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向
に有するバーを形成する工程と、基板のＭ面でバーを分割して、それぞれストライプ状構
造を有する所定の長さのチップを形成する工程とを備え
ていることを特徴とする窒化物系半導体素子の作製方
法。
【請求項３】バーを形成する工程の前に、基板の裏面
を研磨して所定の厚さの基板に調整することを特徴とす
る請求項１又は２に記載の窒化物系半導体素子の作製方
法。
【請求項４】基板として窒化ガリウム基板を使用し、
窒化物系化合物半導体層の積層構造としてＧａＮ系化合
物半導体層の積層構造を形成することを特徴とする請求
項１から３のうちのいずれか１項に記載の窒化物系半導
体素子の作製方法。
【請求項５】窒化ガリウム基板に代えてサファイア基
板を使用することを特徴とする請求項４に記載した窒化
物系半導体素子の作製方法。
【請求項６】バーを形成する工程では、ウエハを切削
し、ダイシングし、又はスクライビングしてバー化する
ことを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項
に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。
【請求項７】チップを形成する工程では、ブレーキン
グ装置によってバーを分割することを特徴とする請求項
１から６のうちのいずれか１項に記載の窒化物系半導体
素子の作製方法。