JP2003234542A - 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 - Google Patents
窒化物系共振器半導体構造の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化物系共振器半導体構造の両側に分布型ブ
ラッグ反射器（ＤＢＲ）を設ける製造方法の提供。 【解決手段】 第１の分布型ブラッグ反射器１２２を有
する窒化物系共振器半導体構造１４０がサファイア基板
上に設けられ、第１の分布型ブラッグ反射器１２２に第
２の基板１２８が結合され、レーザアシスト・エピタキ
シャル・リフトオフによってサファイア基板が除去さ
れ、ＶＣＳＥＬ構造の、第１の分布型ブラッグ反射器１
２２とは反対側に、第２のブラッグ反射器１４２が設け
られる。
ラッグ反射器（ＤＢＲ）を設ける製造方法の提供。 【解決手段】 第１の分布型ブラッグ反射器１２２を有
する窒化物系共振器半導体構造１４０がサファイア基板
上に設けられ、第１の分布型ブラッグ反射器１２２に第
２の基板１２８が結合され、レーザアシスト・エピタキ
シャル・リフトオフによってサファイア基板が除去さ
れ、ＶＣＳＥＬ構造の、第１の分布型ブラッグ反射器１
２２とは反対側に、第２のブラッグ反射器１４２が設け
られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、窒化
物系半導体構造に関し、詳細には、半導体構造を第１の
基板から第２の基板へと移し、窒化物系共振器半導体構
造の両側に分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を設けるこ
とを可能にするための、レーザアシスト・エピタキシャ
ル・リフトオフによる、窒化物系共振器半導体構造の製
造方法に関する。
物系半導体構造に関し、詳細には、半導体構造を第１の
基板から第２の基板へと移し、窒化物系共振器半導体構
造の両側に分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を設けるこ
とを可能にするための、レーザアシスト・エピタキシャ
ル・リフトオフによる、窒化物系共振器半導体構造の製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】平面多層半導体構造は、分布型ブラッグ
反射器を構成する半導体層が両側に結合された、１つ以
上の活性半導体層を有することが可能である。活性半導
体層の両側の分布型ブラッグ反射器は、ミラーとして機
能する、交互する高屈折率と低屈折率の１／４波長の厚
さの半導体又は誘電層から構成される。両側の分布型ブ
ラッグ反射器の間に活性半導体層を含む多層半導体層
は、半導体構造内で光を放出及び吸収する共振器を構成
する。共振器内の活性半導体層は、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）若しくは垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥ
Ｌ）として光を放出、または光検出器（ＰＤ）として光
を吸収する。
反射器を構成する半導体層が両側に結合された、１つ以
上の活性半導体層を有することが可能である。活性半導
体層の両側の分布型ブラッグ反射器は、ミラーとして機
能する、交互する高屈折率と低屈折率の１／４波長の厚
さの半導体又は誘電層から構成される。両側の分布型ブ
ラッグ反射器の間に活性半導体層を含む多層半導体層
は、半導体構造内で光を放出及び吸収する共振器を構成
する。共振器内の活性半導体層は、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）若しくは垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥ
Ｌ）として光を放出、または光検出器（ＰＤ）として光
を吸収する。
【０００３】この構造において、活性層の一方の側の半
導体層には、移動電子が過剰となるように不純物がドー
ピングされている。過剰な電子を有するこれらの層は、
ｎ型（即ちネガティブ）と呼ばれる。この構造におい
て、活性層の他方の側の半導体層には、移動電子が欠乏
するように不純物がドーピングされており、正孔と呼ば
れる、正に荷電された過剰なキャリアが生じる。過剰な
正孔を有するこれらの層は、ｐ型（即ちポジティブ）と
呼ばれる。
導体層には、移動電子が過剰となるように不純物がドー
ピングされている。過剰な電子を有するこれらの層は、
ｎ型（即ちネガティブ）と呼ばれる。この構造におい
て、活性層の他方の側の半導体層には、移動電子が欠乏
するように不純物がドーピングされており、正孔と呼ば
れる、正に荷電された過剰なキャリアが生じる。過剰な
正孔を有するこれらの層は、ｐ型（即ちポジティブ）と
呼ばれる。
【０００４】層構造のｐ側とｎ側との間に、順方向にバ
イアスされた電位が電極を介して与えられることによ
り、正孔または電子、または両方を、平面層に対して垂
直な方向に駆動してｐ−ｎジャンクションを横断させる
ことで、それらを活性層に“注入”し、そこで電子が正
孔と再結合して発光する。発光ダイオードは、共振器か
ら、ＤＢＲの１つを通り半導体構造の上面又は下面を通
して光を放出する。レーザでは、両側のＤＢＲによって
与えられる光学フィードバックにより、放出された光の
一部を共振器内で共振させ、ＤＢＲの１つを通り半導体
レーザ構造の上面又は下面を通して、コヒーレントな
“レージング”の増幅された誘導放出を可能にする。
イアスされた電位が電極を介して与えられることによ
り、正孔または電子、または両方を、平面層に対して垂
直な方向に駆動してｐ−ｎジャンクションを横断させる
ことで、それらを活性層に“注入”し、そこで電子が正
孔と再結合して発光する。発光ダイオードは、共振器か
ら、ＤＢＲの１つを通り半導体構造の上面又は下面を通
して光を放出する。レーザでは、両側のＤＢＲによって
与えられる光学フィードバックにより、放出された光の
一部を共振器内で共振させ、ＤＢＲの１つを通り半導体
レーザ構造の上面又は下面を通して、コヒーレントな
“レージング”の増幅された誘導放出を可能にする。
【０００５】光検出器では、層構造のｐ側とｎ側との間
に、逆方向にバイアスされた電位が電極を介して与えら
れる。光検出器は、共振器の活性層に光を吸収すること
により、活性層からの電子/正孔の対が集められて光電
流を構成する。
に、逆方向にバイアスされた電位が電極を介して与えら
れる。光検出器は、共振器の活性層に光を吸収すること
により、活性層からの電子/正孔の対が集められて光電
流を構成する。
【０００６】III族窒化物半導体、又はIII-V族半導体と
しても知られる窒化物系半導体は、周期表のIII族から
選択されるＡｌ、Ｇａ及びＩｎ等の元素と、V族の元素
Ｎとを有する。窒化物系半導体は、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）等の二元性化合物であってもよく、窒化ガリウムア
ルミニウム（ＡｌＧａＮ）または窒化アルミニウムイン
ジウム（ＩｎＧａＮ）の三元合金、及び窒化アルミニウ
ムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）等の四元合金
であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、
光電子デバイス用途の発光器として使用可能な積層半導
体構造を製造する。窒化物系半導体は、緑−青−紫−紫
外スペクトルの短波長の可視光の発光に必要な広いバン
ドギャップを有する。
しても知られる窒化物系半導体は、周期表のIII族から
選択されるＡｌ、Ｇａ及びＩｎ等の元素と、V族の元素
Ｎとを有する。窒化物系半導体は、窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）等の二元性化合物であってもよく、窒化ガリウムア
ルミニウム（ＡｌＧａＮ）または窒化アルミニウムイン
ジウム（ＩｎＧａＮ）の三元合金、及び窒化アルミニウ
ムガリウムインジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）等の四元合金
であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、
光電子デバイス用途の発光器として使用可能な積層半導
体構造を製造する。窒化物系半導体は、緑−青−紫−紫
外スペクトルの短波長の可視光の発光に必要な広いバン
ドギャップを有する。
【０００７】多くの用途では、半導体構造に用いられる
従来の基板材料は、シリコン又はガリウム砒素であろ
う。しかし、ＧａＮ結晶構造は、ＧａＮの成長温度が高
いと、高品質の窒化物半導体材料をＳｉやＧａＡｓ等の
半導体基板上に直接付着させるのが非常に困難になる。
従来の基板材料は、シリコン又はガリウム砒素であろ
う。しかし、ＧａＮ結晶構造は、ＧａＮの成長温度が高
いと、高品質の窒化物半導体材料をＳｉやＧａＡｓ等の
半導体基板上に直接付着させるのが非常に困難になる。
【０００８】現在のところ、窒化物系半導体構造は、サ
ファイアや炭化ケイ素等の異種基板上に薄膜ＧａＮ層を
ヘテロエピタキシャル成長させることを要する。
ファイアや炭化ケイ素等の異種基板上に薄膜ＧａＮ層を
ヘテロエピタキシャル成長させることを要する。
【０００９】最もよく用いられる成長基板であるサファ
イアは、ＧａＮとサファイアとの間の格子及び熱膨張係
数の不整合により、ＧａＮ層の品質に依然として制約を
課す。これらの２つの材料の特性が全く異なることによ
り、薄膜ＧａＮ層/サファイア基板の境界面に、転位や
積層欠陥等の欠陥が高密度で広がる。
イアは、ＧａＮとサファイアとの間の格子及び熱膨張係
数の不整合により、ＧａＮ層の品質に依然として制約を
課す。これらの２つの材料の特性が全く異なることによ
り、薄膜ＧａＮ層/サファイア基板の境界面に、転位や
積層欠陥等の欠陥が高密度で広がる。
【００１０】湿式ケミカルエッチング、化学的−機械的
研磨、又はレーザアシスト・リフトオフを含む、多くの
基板分離技術を使用できる。湿式ケミカルエッチング及
び化学的−機械的研磨は、元来時間がかかるプロセスで
あり、元の成長基板を除去するためには、材料の選択性
が高い必要がある。ＧａＮ薄膜/サファイア基板系で
は、レーザアシスト・リフトオフ処理は、薬品を用いる
方法と比べて幾つかの長所がある。レーザ処理は光学的
な選択が可能であり、空間的な制御を有すると共に、比
較的迅速なリフトオフ技術である。
研磨、又はレーザアシスト・リフトオフを含む、多くの
基板分離技術を使用できる。湿式ケミカルエッチング及
び化学的−機械的研磨は、元来時間がかかるプロセスで
あり、元の成長基板を除去するためには、材料の選択性
が高い必要がある。ＧａＮ薄膜/サファイア基板系で
は、レーザアシスト・リフトオフ処理は、薬品を用いる
方法と比べて幾つかの長所がある。レーザ処理は光学的
な選択が可能であり、空間的な制御を有すると共に、比
較的迅速なリフトオフ技術である。
【００１１】基体分離技術を良好に実施するためには、
技術そのものが、処理されるＧａＮ層の品質を劣化させ
てはならない。レーザ処理は、パルス照射中の急激な加
熱及び冷却により、ＧａＮ層に熱弾性応力を与え、それ
によってＧａＮ層を破壊することがある。薄膜の破壊
は、二方向の応力がかかったＧａＮ内の微視亀裂から生
じる場合もあれば、ＧａＮ層全体への微視亀裂の伝搬を
開始させる熱衝撃から生じる場合もある。
技術そのものが、処理されるＧａＮ層の品質を劣化させ
てはならない。レーザ処理は、パルス照射中の急激な加
熱及び冷却により、ＧａＮ層に熱弾性応力を与え、それ
によってＧａＮ層を破壊することがある。薄膜の破壊
は、二方向の応力がかかったＧａＮ内の微視亀裂から生
じる場合もあれば、ＧａＮ層全体への微視亀裂の伝搬を
開始させる熱衝撃から生じる場合もある。
【００１２】ヘテロエピタキシによってサファイア又は
ＧａＡｓ上に厚膜ＧａＮ層を付着させる場合に特有の問
題は、基板分離技術に関わらず、ＧａＮ膜と基板との間
の熱係数の不整合によって、サファイアでは圧縮応力、
ＧａＡｓでは引張応力が内在することである。
ＧａＡｓ上に厚膜ＧａＮ層を付着させる場合に特有の問
題は、基板分離技術に関わらず、ＧａＮ膜と基板との間
の熱係数の不整合によって、サファイアでは圧縮応力、
ＧａＡｓでは引張応力が内在することである。
【００１３】ＧａＮ基板を作るための成長基板の除去の
成功は、部分的には、成長したＧａＮ層の品質に左右さ
れる。ヘテロエピタキシに関係する難点のため、基板に
必要な類の厚膜ＧａＮ層は、一般的に、レーザ・リフト
オフ処理中に伝搬して増える可能性がある微視亀裂を有
する。固有の残留応力とレーザ処理の熱弾性応力が組合
わさると、ＧａＮウェハ領域全体にわたる亀裂の伝搬を
生じさせる。亀裂が伝搬すると、ＧａＮに無制御の壊滅
的な機械的不具合を生じるか、又は、少なくとも、輪郭
のはっきりしない低品質のＧａＮ基板を生じる。
成功は、部分的には、成長したＧａＮ層の品質に左右さ
れる。ヘテロエピタキシに関係する難点のため、基板に
必要な類の厚膜ＧａＮ層は、一般的に、レーザ・リフト
オフ処理中に伝搬して増える可能性がある微視亀裂を有
する。固有の残留応力とレーザ処理の熱弾性応力が組合
わさると、ＧａＮウェハ領域全体にわたる亀裂の伝搬を
生じさせる。亀裂が伝搬すると、ＧａＮに無制御の壊滅
的な機械的不具合を生じるか、又は、少なくとも、輪郭
のはっきりしない低品質のＧａＮ基板を生じる。
【００１４】ＧａＮのＶＣＳＥＬの製造に特有の別の問
題は、ＶＣＳＥＬのコヒーレント光の誘導放出に必要
な、反射率の高いＡｌＧａＮ系分布型ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）を成長させるのが困難なことであり、ＶＣＳ
ＥＬでは、ＤＢＲにおけるＡｌＧａＮ層のアルミニウム
の最小含有量が光の自己吸収によって制限され、アルミ
ニウムの最大含有量が格子の整合の制約によって制限さ
れる。
題は、ＶＣＳＥＬのコヒーレント光の誘導放出に必要
な、反射率の高いＡｌＧａＮ系分布型ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）を成長させるのが困難なことであり、ＶＣＳ
ＥＬでは、ＤＢＲにおけるＡｌＧａＮ層のアルミニウム
の最小含有量が光の自己吸収によって制限され、アルミ
ニウムの最大含有量が格子の整合の制約によって制限さ
れる。
【００１５】同様の問題が、長波長リン化インジウムＶ
ＣＳＥＬにも害を及ぼすが、リン化物系レーザ構造の問
題は、エッチングによって基板を貫通する孔を設け、誘
電材料を気化してＤＢＲを構成することで解決できる。
残念ながら、窒化物系構造に通常用いられる基板、即ち
サファイアは、ドライエッチングやウェットエッチング
が困難であるので、窒化物系レーザ構造の製造にこのバ
ックエッチングの手順を用いることはできない。
ＣＳＥＬにも害を及ぼすが、リン化物系レーザ構造の問
題は、エッチングによって基板を貫通する孔を設け、誘
電材料を気化してＤＢＲを構成することで解決できる。
残念ながら、窒化物系構造に通常用いられる基板、即ち
サファイアは、ドライエッチングやウェットエッチング
が困難であるので、窒化物系レーザ構造の製造にこのバ
ックエッチングの手順を用いることはできない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、窒化
物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）を設けることである。
物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器
（ＤＢＲ）を設けることである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１の
分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共振器半導体構
造がサファイア基板上に設けられ、第１の分布型ブラッ
グ反射器に第２の基板が結合され、レーザアシスト・エ
ピタキシャル・リフトオフによってサファイア基板が除
去され、ＶＣＳＥＬ構造の、第１の分布型ブラッグ反射
器とは反対側に、第２のブラッグ反射器が設けられる。
窒化物系共振器半導体構造は、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ、若
しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組み合わせた
ものの、いずれであってもよい。
分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共振器半導体構
造がサファイア基板上に設けられ、第１の分布型ブラッ
グ反射器に第２の基板が結合され、レーザアシスト・エ
ピタキシャル・リフトオフによってサファイア基板が除
去され、ＶＣＳＥＬ構造の、第１の分布型ブラッグ反射
器とは反対側に、第２のブラッグ反射器が設けられる。
窒化物系共振器半導体構造は、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ、若
しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組み合わせた
ものの、いずれであってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照する。図面に
は、本発明による、活性層の両側に分布型ブラッグ反射
器（ＤＢＲ）を有する窒化物系共振器半導体構造が示さ
れている。この窒化物系共振器半導体構造は、垂直共振
器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）、若しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組
み合わせたものの、いずれであってもよい。当該技術分
野で周知の、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）や
水酸化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）等の技術により、
サファイア基板上に窒化ガリウム半導体層を成長させ
る。
は、本発明による、活性層の両側に分布型ブラッグ反射
器（ＤＢＲ）を有する窒化物系共振器半導体構造が示さ
れている。この窒化物系共振器半導体構造は、垂直共振
器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）、若しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組
み合わせたものの、いずれであってもよい。当該技術分
野で周知の、有機金属気相エピタキシ（ＯＭＶＰＥ）や
水酸化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）等の技術により、
サファイア基板上に窒化ガリウム半導体層を成長させ
る。
【００１９】図１では、ＯＭＶＰＥ成長は、一般的にサ
ファイア基板１００上で行われる。基板１００は、Ｃ−
面（０００１）又はＡ−面（１１２０）配向のサファイ
ア（Ａｌ2Ｏ3）基板であってもよい。サファイア基板１
００は、片面又は両面のエピタキシャル研磨が施され、
一般的に厚さが２００μｍ〜１０００μｍ程度の、標準
的な仕様のものである。
ファイア基板１００上で行われる。基板１００は、Ｃ−
面（０００１）又はＡ−面（１１２０）配向のサファイ
ア（Ａｌ2Ｏ3）基板であってもよい。サファイア基板１
００は、片面又は両面のエピタキシャル研磨が施され、
一般的に厚さが２００μｍ〜１０００μｍ程度の、標準
的な仕様のものである。
【００２０】まず、サファイア基板１００上に、窒化ガ
リウム核生成層１０２を成長させる。次に、核生成層１
０２上に、窒化ガリウム層１０４を成長させる。
リウム核生成層１０２を成長させる。次に、核生成層１
０２上に、窒化ガリウム層１０４を成長させる。
【００２１】成長中の基板の温度は、一般的に、約２０
０Åの薄膜ＧａＮ核生成層１０２については５５０℃で
あり、ＧａＮ層１０４については１０００℃〜１２００
℃である。付着速度は、一般的に１μｍ/時間〜２０μ
ｍ/時間程度である。厚膜ＧａＮ層１０４の深さは、一
般的に６０μｍ〜３００μｍの間である。更に、反応炉
の圧力は、５０Ｔｏｒｒ〜１５００Ｔｏｒｒ（６６７〜
１９９９８４Ｐａ）の間に制御されてもよい。有機金属
の前駆物質としては、III族の元素にはＴＭＧａ（トリ
メチルガリウム）又はＴＥＧａ（トリエチルガリウム）
を用いてもよく、窒素源としてはＮＨ3（アンモニア）
を用いてもよい。有機金属源のキャリアガスとしては、
水素及び/又は窒素が用いられる。
０Åの薄膜ＧａＮ核生成層１０２については５５０℃で
あり、ＧａＮ層１０４については１０００℃〜１２００
℃である。付着速度は、一般的に１μｍ/時間〜２０μ
ｍ/時間程度である。厚膜ＧａＮ層１０４の深さは、一
般的に６０μｍ〜３００μｍの間である。更に、反応炉
の圧力は、５０Ｔｏｒｒ〜１５００Ｔｏｒｒ（６６７〜
１９９９８４Ｐａ）の間に制御されてもよい。有機金属
の前駆物質としては、III族の元素にはＴＭＧａ（トリ
メチルガリウム）又はＴＥＧａ（トリエチルガリウム）
を用いてもよく、窒素源としてはＮＨ3（アンモニア）
を用いてもよい。有機金属源のキャリアガスとしては、
水素及び/又は窒素が用いられる。
【００２２】当該技術分野で周知の、厚膜ＧａＮ層を成
長させるための別の付着技術は、ＨＶＰＥである。ＨＶ
ＰＥ成長も、一般的にサファイア基板上で行われる。基
板１００は、Ｃ−面（０００１）又はＡ−面（１１２
０）配向のサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板であってもよ
い。しかし、他の配向の基板を用いてもよい。成長中の
基板の温度は、一般的に、薄膜ＧａＮ核生成層１０２に
ついては５００℃〜６００℃であり、厚膜ＧａＮ層１０
４については１０００℃〜１２００℃である。付着速度
は、一般的に１０μｍ/時間〜数百μｍ/時間程度であ
る。III族の元素源としてはＧａＣｌが用いられ、これ
は液体ガリウム上にＨＣｌガスを流すことによって生成
される。窒素源としてはＮＨ3（アンモニア）が用いら
れる。キャリアガスとしては、水素及び/又は窒素が用
いられる。
長させるための別の付着技術は、ＨＶＰＥである。ＨＶ
ＰＥ成長も、一般的にサファイア基板上で行われる。基
板１００は、Ｃ−面（０００１）又はＡ−面（１１２
０）配向のサファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板であってもよ
い。しかし、他の配向の基板を用いてもよい。成長中の
基板の温度は、一般的に、薄膜ＧａＮ核生成層１０２に
ついては５００℃〜６００℃であり、厚膜ＧａＮ層１０
４については１０００℃〜１２００℃である。付着速度
は、一般的に１０μｍ/時間〜数百μｍ/時間程度であ
る。III族の元素源としてはＧａＣｌが用いられ、これ
は液体ガリウム上にＨＣｌガスを流すことによって生成
される。窒素源としてはＮＨ3（アンモニア）が用いら
れる。キャリアガスとしては、水素及び/又は窒素が用
いられる。
【００２３】原理的には、分子ビームエピタキシ（ＭＢ
Ｅ）のような他の付着方法を用いることもできるが、Ｍ
ＢＥの付着速度が比較的低いため、厚膜ＧａＮ層を成長
させるのは困難となろう。上述した付着技術を組み合わ
せて用いてもよい。例えば、約１〜２μｍの深さを有す
る高品質のＧａＮ核生成層１０２を成長させるのに、Ｏ
ＭＶＰＥを用い、次に、核生成層１０２上に非常に厚い
ＧａＮ層１０４を成長させるのに、ＨＶＰＥを用いても
よい。
Ｅ）のような他の付着方法を用いることもできるが、Ｍ
ＢＥの付着速度が比較的低いため、厚膜ＧａＮ層を成長
させるのは困難となろう。上述した付着技術を組み合わ
せて用いてもよい。例えば、約１〜２μｍの深さを有す
る高品質のＧａＮ核生成層１０２を成長させるのに、Ｏ
ＭＶＰＥを用い、次に、核生成層１０２上に非常に厚い
ＧａＮ層１０４を成長させるのに、ＨＶＰＥを用いても
よい。
【００２４】次に、ＧａＮバッファ層１０４上に、Ｉｎ
ＧａＮレーザ吸収層１０６を成長させる。犠牲層１０６
の厚さは、一般的に１５００Å〜４０００Åの間であ
る。
ＧａＮレーザ吸収層１０６を成長させる。犠牲層１０６
の厚さは、一般的に１５００Å〜４０００Åの間であ
る。
【００２５】レーザ吸収層１０６上に、III-V窒化物コ
ンタクト層１０８が形成される。III-V窒化物層１０８
は、横方向ｎ型コンタクト兼電流拡散層として作用する
ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層である。コンタクト兼電流拡散層１
０８の厚さは、一般的に約１μｍ〜約２０μｍである。
ンタクト層１０８が形成される。III-V窒化物層１０８
は、横方向ｎ型コンタクト兼電流拡散層として作用する
ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層である。コンタクト兼電流拡散層１
０８の厚さは、一般的に約１μｍ〜約２０μｍである。
【００２６】コンタクト層１０８上には、III-V窒化物
クラッド層１１０が形成される。III-V窒化物層１１０
は、ｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉクラッド層である。クラッド
層１１０の厚さは、一般的に約０．２μｍ〜約２μｍで
ある。
クラッド層１１０が形成される。III-V窒化物層１１０
は、ｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉクラッド層である。クラッド
層１１０の厚さは、一般的に約０．２μｍ〜約２μｍで
ある。
【００２７】III-V窒化物クラッド層１１０上には、III
-V窒化物導波層１１２が形成され、次に、III-V窒化物
量子井戸活性領域１１４が形成される。ｎ型ＧａＮ：Ｓ
ｉ導波層１１２の厚さは、一般的に約５０ｎｍ〜約２０
０ｎｍである。量子井戸活性領域１１４は、少なくとも
１つのＩｎＧａＮ量子井戸を有する。多量子井戸活性領
域の場合には、個々の量子井戸の厚さは一般的に約１０
Å〜約１００Åであり、一般的に約１０Å〜約２００Å
の厚さを有するＩｎＧａＮまたはＧａＮ障壁層によって
隔てられている。
-V窒化物導波層１１２が形成され、次に、III-V窒化物
量子井戸活性領域１１４が形成される。ｎ型ＧａＮ：Ｓ
ｉ導波層１１２の厚さは、一般的に約５０ｎｍ〜約２０
０ｎｍである。量子井戸活性領域１１４は、少なくとも
１つのＩｎＧａＮ量子井戸を有する。多量子井戸活性領
域の場合には、個々の量子井戸の厚さは一般的に約１０
Å〜約１００Åであり、一般的に約１０Å〜約２００Å
の厚さを有するＩｎＧａＮまたはＧａＮ障壁層によって
隔てられている。
【００２８】量子井戸活性領域１１４上には、III-V窒
化物導波層１１６が形成される。ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１
１６は、導波層として作用し、約５０ｎｍ〜約２００ｎ
ｍの厚さを有する。
化物導波層１１６が形成される。ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１
１６は、導波層として作用し、約５０ｎｍ〜約２００ｎ
ｍの厚さを有する。
【００２９】導波層１１６上には、III-V窒化物クラッ
ド層１１８が形成される。ｐ型ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１１
８は、クラッド及び電流閉込め層として作用する。III-
V窒化物クラッド層１１８の厚さは、一般的に約０．２
μｍ〜約１μｍである。
ド層１１８が形成される。ｐ型ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１１
８は、クラッド及び電流閉込め層として作用する。III-
V窒化物クラッド層１１８の厚さは、一般的に約０．２
μｍ〜約１μｍである。
【００３０】クラッド層１１８上には、III-V窒化物コ
ンタクト層１２０が形成される。ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１
２０は、レーザヘテロ構造１００のｐ側と接触する最小
抵抗金属電極用のｐ型コンタクト層を構成する。III-V
窒化物コンタクト層１２０の厚さは、一般的に約１０ｎ
ｍ〜２００ｎｍである。
ンタクト層１２０が形成される。ｐ型ＧａＮ：Ｍｇ層１
２０は、レーザヘテロ構造１００のｐ側と接触する最小
抵抗金属電極用のｐ型コンタクト層を構成する。III-V
窒化物コンタクト層１２０の厚さは、一般的に約１０ｎ
ｍ〜２００ｎｍである。
【００３１】ｐ型コンタクト層１２０上には、第１の分
布型ブラッグ反射器１２２が形成される。第１の分布型
ブラッグ反射器１２２は、６対の厚さが１/４波長の交
互する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）及び五酸化タンタル
（Ｔａ2Ｏ5）の誘電層を有する。或いは、ＤＢＲは、Ｓ
ｉＯ2/ＴｉＯ2若しくはＧａＮ/ＡｌＧａＮの交互層、又
はアルミニウム含有量が異なるＡｌＧａＮの交互層を有
してもよい。より高い反射率が望まれる場合は、ＤＢＲ
は６対を超える又は６対未満の交互層を有してもよい。
しかし、光検出器の場合には、光の抽出を高めるため
に、対の数が少ない方が望ましいことがある。
布型ブラッグ反射器１２２が形成される。第１の分布型
ブラッグ反射器１２２は、６対の厚さが１/４波長の交
互する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）及び五酸化タンタル
（Ｔａ2Ｏ5）の誘電層を有する。或いは、ＤＢＲは、Ｓ
ｉＯ2/ＴｉＯ2若しくはＧａＮ/ＡｌＧａＮの交互層、又
はアルミニウム含有量が異なるＡｌＧａＮの交互層を有
してもよい。より高い反射率が望まれる場合は、ＤＢＲ
は６対を超える又は６対未満の交互層を有してもよい。
しかし、光検出器の場合には、光の抽出を高めるため
に、対の数が少ない方が望ましいことがある。
【００３２】第１の分布型ブラッグ反射器１２２上に
は、金Ａｕ層１２４が形成される。金の上層１２４の厚
さは、一般的に２０ｎｍ〜２００ｎｍである。
は、金Ａｕ層１２４が形成される。金の上層１２４の厚
さは、一般的に２０ｎｍ〜２００ｎｍである。
【００３３】金の上層１２４の上面１２６は、接着ボン
ド１３０を用いてシリコン（Ｓｉ）基板１２８に接着さ
れる。接着剤１３０は、シアノアクリレート系接着剤で
あってもよい。或いは、支持基板は、ガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）、銅、又は任意の硬質材料であってもよい。接
着剤は、薄膜接着剤、スピン・オン・ガラス（spin-on
glass）、又は任意の適切なはんだであってもよい。金
層１２４に接着される支持基板１２８として銅又は他の
金属を用いると、良好な熱伝導性が得られる。
ド１３０を用いてシリコン（Ｓｉ）基板１２８に接着さ
れる。接着剤１３０は、シアノアクリレート系接着剤で
あってもよい。或いは、支持基板は、ガリウム砒素（Ｇ
ａＡｓ）、銅、又は任意の硬質材料であってもよい。接
着剤は、薄膜接着剤、スピン・オン・ガラス（spin-on
glass）、又は任意の適切なはんだであってもよい。金
層１２４に接着される支持基板１２８として銅又は他の
金属を用いると、良好な熱伝導性が得られる。
【００３４】光の散乱を最小限にするために、サファイ
ア基板１００の下面１３２は、非常に滑らかな表面仕上
げになるまで研磨される。研磨は、一続きのダイヤモン
ドパッド（図示せず）を用いて機械的に行われる。研磨
手順の間、ダイヤモンドのグリットのサイズは、約３０
μｍから０．１μｍまで徐々に小さくされる。研磨後の
一般的な二乗平均（ｒｍｓ）粗さは、約２０〜５０Åで
ある。研磨は、支持基板への接着前に行われてもよい。
ア基板１００の下面１３２は、非常に滑らかな表面仕上
げになるまで研磨される。研磨は、一続きのダイヤモン
ドパッド（図示せず）を用いて機械的に行われる。研磨
手順の間、ダイヤモンドのグリットのサイズは、約３０
μｍから０．１μｍまで徐々に小さくされる。研磨後の
一般的な二乗平均（ｒｍｓ）粗さは、約２０〜５０Åで
ある。研磨は、支持基板への接着前に行われてもよい。
【００３５】次に、図２に示されるように、紫外線エキ
シマレーザ１３４がレーザビーム１３６を放出し、レー
ザビーム１３６はサファイア基板１００を透過して、Ｇ
ａＮバッファ層１０４とＩｎＧａＮレーザ吸収層１０６
との境界面１３８に達する。サファイア及び窒化ガリウ
ムは、レーザが発する光の波長に対して透明である。エ
キシマレーザを適切に調節することにより、ＧａＮバッ
ファ層１０４とＩｎＧａＮ犠牲層１０６との境界面１３
８で、薄膜ＩｎＧａＮレーザ吸収層１０６を分解させる
ことができる。
シマレーザ１３４がレーザビーム１３６を放出し、レー
ザビーム１３６はサファイア基板１００を透過して、Ｇ
ａＮバッファ層１０４とＩｎＧａＮレーザ吸収層１０６
との境界面１３８に達する。サファイア及び窒化ガリウ
ムは、レーザが発する光の波長に対して透明である。エ
キシマレーザを適切に調節することにより、ＧａＮバッ
ファ層１０４とＩｎＧａＮ犠牲層１０６との境界面１３
８で、薄膜ＩｎＧａＮレーザ吸収層１０６を分解させる
ことができる。
【００３６】ＩｎＧａＮ層１０６は、サファイア基板及
び窒化ガリウム層を通ったレーザビームの放射エネルギ
ーにより、インジウム及びガリウムの金属並びに気体窒
素へと分解される。ＩｎＧａＮ層１０６はレーザ吸収層
であり、光ビーム１３６の波長はインジウムの分解に一
致する。
び窒化ガリウム層を通ったレーザビームの放射エネルギ
ーにより、インジウム及びガリウムの金属並びに気体窒
素へと分解される。ＩｎＧａＮ層１０６はレーザ吸収層
であり、光ビーム１３６の波長はインジウムの分解に一
致する。
【００３７】ホモジナイザー（図示せず）は、レーザに
よって放出されるガウス波形のビームを、平らなプラト
ー状のレーザビームに変換し、それにより、ビームの均
一性が向上する。
よって放出されるガウス波形のビームを、平らなプラト
ー状のレーザビームに変換し、それにより、ビームの均
一性が向上する。
【００３８】静止したビームを照射するのではなく、境
界面を横断するようにレーザビームを走査させることに
より、ＩｎＧａＮレーザ吸収層のより大きな表面積を照
射してもよい。エキシマレーザは、一般的に５〜１０Ｈ
ｚのパルス状であり、ＧａＮ層の分解を達成するには、
一般的には１パルスで十分である。サファイア基板１０
０の下面１３２は研磨されているので、エキシマレーザ
はＩｎＧａＮ層１０６を均一に照射できる。
界面を横断するようにレーザビームを走査させることに
より、ＩｎＧａＮレーザ吸収層のより大きな表面積を照
射してもよい。エキシマレーザは、一般的に５〜１０Ｈ
ｚのパルス状であり、ＧａＮ層の分解を達成するには、
一般的には１パルスで十分である。サファイア基板１０
０の下面１３２は研磨されているので、エキシマレーザ
はＩｎＧａＮ層１０６を均一に照射できる。
【００３９】サファイア基板１００並びに窒化ガリウム
層１０２及び１０４を、窒化物系共振器半導体構造１４
０から分離した後、ＧａＮコンタクト層１０８の表面１
４２上に残存しているインジウム又はガリウムの金属
を、塩酸（ＨＣＬ）及び水の溶液（ＨＣＬ：Ｈ2Ｏ＝
１：１）に含浸することにより除去する。
層１０２及び１０４を、窒化物系共振器半導体構造１４
０から分離した後、ＧａＮコンタクト層１０８の表面１
４２上に残存しているインジウム又はガリウムの金属
を、塩酸（ＨＣＬ）及び水の溶液（ＨＣＬ：Ｈ2Ｏ＝
１：１）に含浸することにより除去する。
【００４０】サファイア基板１００は、次の窒化物系半
導体構造の製造に再利用できる。基板１００はサファイ
アである必要はなく、レーザ１３４からの光ビーム１３
６の波長を透過させ、表面でＧａＮ層を成長させるのに
適した、光学的に透明な任意の材料であってよい。
導体構造の製造に再利用できる。基板１００はサファイ
アである必要はなく、レーザ１３４からの光ビーム１３
６の波長を透過させ、表面でＧａＮ層を成長させるのに
適した、光学的に透明な任意の材料であってよい。
【００４１】次に、図３に示されるように、半導体構造
１４０は、シリコン（Ｓｉ）基板１２８及びｐ型ドープ
層が下になり、ｎ型コンタクト層１０８が上になるよう
に裏返される。
１４０は、シリコン（Ｓｉ）基板１２８及びｐ型ドープ
層が下になり、ｎ型コンタクト層１０８が上になるよう
に裏返される。
【００４２】Ａｒ/Ｃｌ2/ＢＣｌ3の混合気体中におけ
る、ＣＡＩＢＥ（chemical assistedion beam etchin
g）又はＲＩＥ（reactive ion beam etching）を用いた
ドライエッチングにより、ｎ型コンタクト層１０８、ｎ
型クラッド層１１０、ｎ型導波層１１２、ＩｎＧａＮ活
性領域１１４、ｐ型導波層１１６、及びｐ型クラッド層
１１８を貫通して、それらの下のＧａＮ：Ｍｇ電流拡散
及びｐ型コンタクト層１２０が露出されるように、半導
体構造１４０をエッチングする。
る、ＣＡＩＢＥ（chemical assistedion beam etchin
g）又はＲＩＥ（reactive ion beam etching）を用いた
ドライエッチングにより、ｎ型コンタクト層１０８、ｎ
型クラッド層１１０、ｎ型導波層１１２、ＩｎＧａＮ活
性領域１１４、ｐ型導波層１１６、及びｐ型クラッド層
１１８を貫通して、それらの下のＧａＮ：Ｍｇ電流拡散
及びｐ型コンタクト層１２０が露出されるように、半導
体構造１４０をエッチングする。
【００４３】ｎ型コンタクト層１０８の中央部の上に、
第２の分布型ブラッグ反射器１４２が形成される。第２
の分布型ブラッグ反射器１４２は、６対の厚さが１/４
波長の交互する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）及び五酸化
タンタル（Ｔａ2Ｏ5）の誘電層を有する。或いは、ＤＢ
Ｒは、ＳｉＯ2/ＴｉＯ2若しくはＧａＮ/ＡｌＧａＮの交
互層、又はアルミニウム含有量が異なるＡｌＧａＮの交
互層を有してもよい。具体的なデバイスに応じて、ＤＢ
Ｒは６対を超える又は６対未満の交互層を有してもよ
い。
第２の分布型ブラッグ反射器１４２が形成される。第２
の分布型ブラッグ反射器１４２は、６対の厚さが１/４
波長の交互する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）及び五酸化
タンタル（Ｔａ2Ｏ5）の誘電層を有する。或いは、ＤＢ
Ｒは、ＳｉＯ2/ＴｉＯ2若しくはＧａＮ/ＡｌＧａＮの交
互層、又はアルミニウム含有量が異なるＡｌＧａＮの交
互層を有してもよい。具体的なデバイスに応じて、ＤＢ
Ｒは６対を超える又は６対未満の交互層を有してもよ
い。
【００４４】半導体構造１４０の、横方向コンタクト層
として機能するエッチングされて露出されたｐ型電流拡
散層１２０上に、ｐ型Ｎｉ/Ａｕ電極１４４が形成され
る。
として機能するエッチングされて露出されたｐ型電流拡
散層１２０上に、ｐ型Ｎｉ/Ａｕ電極１４４が形成され
る。
【００４５】半導体構造１４０の露出されたｎ型コンタ
クト層１１８上に、第２のＤＢＲ１４２を囲むｎ型Ｔｉ
/Ａｌ電極１４６が形成される。
クト層１１８上に、第２のＤＢＲ１４２を囲むｎ型Ｔｉ
/Ａｌ電極１４６が形成される。
【００４６】半導体構造１４０の、第１のＤＢＲ１２２
と第２のＤＢＲ１４２との間の共振器１４８は、ｎ型コ
ンタクト層１０８と、ｎ型クラッド層１１０と、ｎ型導
波層１１２と、ＩｎＧａＮ活性領域１１４と、ｐ型導波
層１１６と、ｐ型クラッド層１１８と、ｐ型コンタクト
層１２０とで構成される。
と第２のＤＢＲ１４２との間の共振器１４８は、ｎ型コ
ンタクト層１０８と、ｎ型クラッド層１１０と、ｎ型導
波層１１２と、ＩｎＧａＮ活性領域１１４と、ｐ型導波
層１１６と、ｐ型クラッド層１１８と、ｐ型コンタクト
層１２０とで構成される。
【００４７】窒化物系共振器半導体構造１４０は、垂直
共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、若しくは光検出器（ＰＤ）、又はこれらの
デバイスを組み合わせたものの、いずれであってもよ
い。
共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、若しくは光検出器（ＰＤ）、又はこれらの
デバイスを組み合わせたものの、いずれであってもよ
い。
【００４８】窒化物系共振器半導体構造は、放出又は吸
収される光の波長に対して基板が透明であり、下のＤＢ
Ｒの反射率が上のＤＢＲの反射率よりも低い場合には、
ＶＣＳＥＬ若しくはＬＥＤとして光を放出、又は光検出
として光を吸収することができる。
収される光の波長に対して基板が透明であり、下のＤＢ
Ｒの反射率が上のＤＢＲの反射率よりも低い場合には、
ＶＣＳＥＬ若しくはＬＥＤとして光を放出、又は光検出
として光を吸収することができる。
【００４９】第１のサファイア基板のレーザアシスト・
エピタキシャル・リフトオフを用いることで、窒化物系
共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器を設け
るために、窒化物系半導体層の裏側にアクセスできる。
エピタキシャル・リフトオフを用いることで、窒化物系
共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器を設け
るために、窒化物系半導体層の裏側にアクセスできる。
【図１】本発明の第１実施形態による、サファイア基板
上の、第１の分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共
振器半導体構造の側面図である。
上の、第１の分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共
振器半導体構造の側面図である。
【図２】図１の第１の分布型ブラッグ反射器を有する窒
化物系共振器半導体構造から、サファイア基板を除去す
るための、レーザリフトオフ処理の側面図である。
化物系共振器半導体構造から、サファイア基板を除去す
るための、レーザリフトオフ処理の側面図である。
【図３】第２の分布型ブラッグ反射器を有する、図１の
窒化物系共振器半導体構造の上下を逆にした側面図であ
る。
窒化物系共振器半導体構造の上下を逆にした側面図であ
る。
１００ サファイア基板
１０６ レーザ吸収層
１１４ 活性領域
１２２ 第１の分布型ブラッグ反射器
１２８ 支持基板
１３４ 紫外線エキシマレーザ
１３６ レーザビーム
１４０ 窒化物系共振器半導体構造
１４２ 第２の分布型ブラッグ反射器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ミヒャエル アー．クナイスル
アメリカ合衆国 94041 カリフォルニア
州 マウンテン ビュー シルバン アヴ
ェニュー 750 アパートメント 46
(72)発明者 デイビッド ピー．ボア
アメリカ合衆国 95014 カリフォルニア
州 クパーティノ ベル エア コート
11092
Ｆターム(参考） 5F073 CA07 CB04 CB05 DA35 EA29
Claims (7)
- 【請求項１】 透明基板上にレーザ吸収層を付着させる
工程と、 前記レーザ吸収層上に、共振器を構成すると共に少なく
とも１つが活性領域を構成する複数のIII-V窒化物半導
体層を付着させる工程と、 前記複数のIII-V窒化物半導体層上に、第１の分布型ブ
ラッグ反射器を付着させる工程と、 前記第１の分布型ブラッグ反射器に支持基板を取り付け
る工程と、 前記複数のIII-V窒化物半導体層から、前記透明基板及
び前記レーザ吸収層を除去する工程と、 前記複数のIII-V窒化物半導体層の、前記第１の分布型
ブラッグ反射器とは反対側に、第２の分布型ブラッグ反
射器を付着させる工程と、 ２つのコンタクト層を露出させるために前記複数のIII-
V窒化物半導体層をエッチングする工程と、 前記２つのコンタクト層上に、前記活性領域をバイアス
するための電極を形成する工程と、 を有する、窒化物系共振器半導体構造の製造方法。 - 【請求項２】 前記共振器から前記半導体レーザ構造の
表面を通るレージングを生じさせるために十分な順方向
バイアスが前記活性領域に与えられることを特徴とす
る、請求項１に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造
方法。 - 【請求項３】 前記窒化物系共振器半導体構造が発光ダ
イオードであることを特徴とする、請求項１に記載の窒
化物系共振器半導体構造の製造方法。 - 【請求項４】 前記共振器から前記半導体レーザ構造の
表面を通る発光を生じさせるために十分な順方向バイア
スが前記活性領域に与えられることを特徴とする、請求
項３に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。 - 【請求項５】 前記窒化物系共振器半導体構造が光検出
器であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系
共振器半導体構造の製造方法。 - 【請求項６】 前記共振器の光の吸収を生じさせるため
に十分な逆方向バイアスが前記活性領域に与えられるこ
とを特徴とする、請求項５に記載の窒化物系共振器半導
体構造の製造方法。 - 【請求項７】 複数の共振器が形成され、該複数の共振
器が、垂直共振器型面発光レーザ、発光ダイオード及び
光検出器のうち少なくとも２つであることを特徴とす
る、請求項１に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造
方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US024236 | 1998-02-17 | ||
| US10/024,236 US6455340B1 (en) | 2001-12-21 | 2001-12-21 | Method of fabricating GaN semiconductor structures using laser-assisted epitaxial liftoff |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010149348A Division JP2010212738A (ja) | 2001-12-21 | 2010-06-30 | 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003234542A true JP2003234542A (ja) | 2003-08-22 |
Family
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Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002364556A Pending JP2003234542A (ja) | 2001-12-21 | 2002-12-17 | 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 |
| JP2010149348A Pending JP2010212738A (ja) | 2001-12-21 | 2010-06-30 | 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010149348A Pending JP2010212738A (ja) | 2001-12-21 | 2010-06-30 | 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1326290B1 (ja) |
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| CA (1) | CA2414325C (ja) |
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