JP2005005649A - ＧａＮ系半導体光装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮ系半導体層を有する光素子の光学端面を形成する際、高い歩留まりで劈開面を形成することができ、量産性に優れたＧａＮ系半導体光装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体光装置の製造方法は、サファイア基板１０上に、ＧａＮ系半導体からなる半導体層２０をエピタキシャル成長させて、複数の光素子３０を区分的に形成する素子形成工程と、半導体層２０にけがき線３３を形成するけがき工程と、外力を印加して、サファイア基板１０および半導体層２０をけがき線方向に沿って分割し、各光素子３０の光学端面３０ａに劈開面を形成する劈開工程とを含み、けがき工程において、光素子３０の光学端面以外の領域にけがき線３３を形成するとともに、けがき線方向に沿ったけがき断面形状は端部で丸みを帯びている。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板上に、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなどのＧａＮ系半導体を有する光素子を形成した後、光素子の光学端面に劈開面を形成するためのＧａＮ系半導体光装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系半導体は、サファイアなどの結晶方位の異なる異種基板上に結晶成長させることが多い。レーザダイオードなどの半導体光素子では、光共振器の各端面を高い平面性および高い平行度で形成する必要があり、一般には、結晶の劈開を利用して光学端面を形成している。
【０００３】
劈開する方法として、（１）サファイア基板の裏面にスクライブ線を形成した後、外力を印加することによって基板を劈開面に沿って分割し、ＧａＮ系半導体層を劈開させる方法、（２）角錐状のけがき針を用いて、ＧａＮ系半導体層側にスクライブ線を形成した後、外力を印加することによってＧａＮ系半導体層を劈開する方法、などがある。
【０００４】
なお、下記の先行技術（例えば特許文献１，２）には、サファイア基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成した後、半導体層を劈開する方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１０６９６５号公報（図３）
【特許文献２】
特開平７−１６９７１５号公報（図４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法（１）は、結晶方位の異なる異種基板の劈開を利用してＧａＮ系半導体を分割しているため、基板の劈開方向とＧａＮ系半導体層の劈開方向が異なる場合、ＧａＮ系半導体層の劈開面を制御するのが困難である。上記の方法（２）は、けがき針によるスクライブ線の断面形状を滑らかに制御するのが困難である。従って、現時点ではいずれの方法も製造歩留まりを向上させるのが難しい。
【０００７】
また、上記の特許文献１は、回転ダイサー刃を用いてサファイア基板の裏面側をダイシングして劈開用の溝を形成している点で相違する。上記の特許文献２は、予めサファイア基板の表面に溝を形成することにより、基板上に窒化ガリウム系半導体層を成長させる際、溝部分で成長する半導体の結晶性を低下させている点で相違する。
【０００８】
本発明の目的は、ＧａＮ系半導体層を有する光素子の光学端面を形成する際、高い歩留まりで劈開面を形成することができ、量産性に優れたＧａＮ系半導体光装置の製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＧａＮ系半導体光装置の製造方法は、サファイア基板上にＧａＮ系半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長させて、複数の光素子を区分的に形成する素子形成工程と、
半導体層にけがき線を形成するけがき工程と、
外力を印加して、サファイア基板および半導体層をけがき線方向に沿って分割し、各光素子の光学端面に劈開面を形成する劈開工程とを含み、
けがき工程において、光素子の光学端面以外の領域にけがき線を形成するとともに、けがき線方向に沿ったけがき断面形状は端部で丸みを帯びていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、ＧａＮ系半導体層の成長プロセスを示す断面図である。サファイア基板１０の上に、ＧａＮ系半導体（ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮなど）からなる半導体層２０をエピタキシャル成長させる。成膜手法として、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子ビーム成長法）などを用いることができる。サファイア基板１０は、一般に３００〜４３０μｍ程度の厚さであり、その上に６〜１０μｍ程度の厚さに半導体層２０を成膜する。
【００１１】
半導体層２０は複数の層で構成され、各層は組成が同じでも異なってもよく、必要に応じて各種ドーパントを添加することによってｐ型層やｎ型層を形成することができ、またドーパント量を制御することによって各層のキャリア濃度を制御することができる。
【００１２】
図２は基板上に複数の光素子を形成した状態を示す平面図であり、図３は光素子の構造を示す図２のＡ１−Ａ１線に沿った部分断面図である。サファイア基板１０は、一般に２インチの直径を有する円板であり、円周の一部にオリフラ（オリエンテーションフラット）１０ａが形成される。
【００１３】
サファイア基板１０の上には、複数の光素子３０が区分的に形成され、一般に、オリフラ１０ａと平行なＸ方向およびオリフラ１０ａに対して垂直なＹ方向に沿ってマトリクス状に配列している。
【００１４】
図２に示すように、個々の光素子３０は、一般に、サファイア基板１０の上に、順次、ＧａＮ系半導体からなるｎ型半導体層２１と、ＧａＮ系半導体からなる活性層２２と、ＧａＮ系半導体からなるｐ型半導体層２３とが成膜される。
【００１５】
ｎ型半導体層２１は、異種基板との結晶不整合を緩和するためのバッファ層と、外部から供給される電子を活性層２２へ運ぶためのｎ型導電層やｎ型クラッド層などで構成される。活性層２２は、電子と正孔の再結合により光を発生する機能を有する。ｐ型半導体層２３は、外部から供給される正孔を活性層２２へ運ぶためのｐ型導電層やｐ型クラッド層などで構成され、レーザ素子の場合には光を導波するための光ガイド層などを設けてもよく、光増幅利得を高めるために利得導波構造や屈折率導波構造などを採用してもよい。ここでは、ｐ型半導体層２３にリッジ２４を設けた例を示している。
【００１６】
光素子３０の光軸は、リッジ２４の長手方向に沿って、図２の紙面に対して垂直な方向に設定される。光素子３０の光学端面は、図２の紙面に対して平行で、光軸に対して垂直に設定される。素子分割によって形成される２つの光学端面は、互いに平行で所定の間隔を隔てて配置され、光共振器を構成する。
【００１７】
ｐ側電極２５は、リッジ２４を覆うようにｐ型半導体層２３の表面に形成される。隣接する光素子３０の間において、ｐ型半導体層２３、活性層２２およびｎ型半導体層２１の一部をエッチングなどで除去することによって、ｎ型半導体層２１が露出しており、この露出面にｎ側電極２６が形成される。
【００１８】
光素子３０を形成した後、サファイア基板１０は、分割し易くするために研磨などによって、例えば１００μｍ程度の厚さにまで薄くしてもよい。
【００１９】
こうしてサファイア基板１０の上には、個々の光素子３０を構成する凸部３１と、ｎ側電極２６が設けられる凹部３２とがストライプ状に交互に形成されることになる。
【００２０】
図４（ａ）はサファイア基板１０の裏面側を示す部分斜視図であり、図４（ｂ）はサファイア基板１０の表面側を示す部分斜視図である。上述したように、光素子３０を分割し、光学端面に劈開面を形成する方法には、（１）サファイア基板の裏面にスクライブ線を形成した後、外力を印加することによって基板を劈開面に沿って分割し、ＧａＮ系半導体層を劈開させる方法、（２）角錐状のけがき針を用いて、ＧａＮ系半導体層側にスクライブ線を形成した後、外力を印加することによってＧａＮ系半導体層を劈開する方法、などがある。
【００２１】
サファイア基板は劈開性が弱い性質があり、しかもサファイア基板の劈開方向とＧａＮ系半導体層の劈開方向が異なるため、方法（１）のようにサファイア基板を起点とした劈開方法では所望のＧａＮ系半導体層の劈開面を得ることが困難である。
【００２２】
本発明では、半導体層２０にけがき線３３を施して半導体層２０を起点とした劈開を行っており、けがき線３３は区分的に形成しており、凹部３２にのみ形成し、凸部３１には形成していない。さらに、けがき線３３を形成するための刃具の形状を工夫して、けがき線方向に沿ったけがき断面形状の端部に丸みを帯びさせている。これによって、素子分割後の光素子３０の光学端面に高精度の劈開面を形成することができる。
【００２３】
図５は、刃具４０の形状の一例を示し、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は斜視図である。刃具４０は、２つの円錐台を底面同士で接合した形状、いわゆるそろばん玉のような形状を有する。刃具４０は、円周上に刃４０ａが形成されており、その中心は軸受け（不図示）によって支持され、自転可能な回転刃具として構成される。円周上の刃４０ａは、高い硬度の材料でコーティングされ、例えばＣＶＤ（化学気相成長）を用いてダイヤモンドをコーティングしたダイヤコート刃が好ましく、これによって刃具４０の耐磨耗性を強化できる。
【００２４】
図６は、図５に示す刃具４０を用いてけがき線を形成する様子を示す説明図である。まず刃具４０を半導体層２０の上方に配置し、徐々に下降させると刃具４０の刃４０ａが半導体層２０に接触する。
【００２５】
さらに、刃具４０を下方に押圧すると、刃４０ａが半導体層２０に食い込んで、刃４０ａの円弧形状に対応したけがき線３３が描かれる。次に、刃具４０を押圧しながら移動させると、刃４０ａが半導体層２０に食い込んだ状態で従動回転し、直線的なけがき線３３が描かれる。最後に、刃具４０を上昇させる。
【００２６】
図７は、けがき線３３の形状の一例を示し、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はけがき線方向（Ａ２−Ａ２線）に沿った断面図である。けがき線３３は、刃４０ａが半導体層２０への食い込みを開始した前端部３３ａと、刃具４０が水平に移動した直線部３３ｂと、刃４０ａが半導体層２０から離れた後端部３３ｃとを有する。
【００２７】
直線部３３ｂは、刃４０ａの断面形状に対応したＶ字状の溝が一定の深さで形成される。前端部３３ａおよび後端部３３ｃは、刃４０ａの形状に対応して丸みを帯びており、溝の深さは円弧状に変化している。従って、けがき線３３は、全体として２つの舳先を連結したような立体形状になる。こうした滑らかな形状を有するけがき線３３により、光素子３０の光学端面に高精度の劈開面を形成することができる。
【００２８】
図１０は、比較例として角錐状のけがき針５０を用いてけがき線を形成する様子を示す説明図である。けがき針５０は、半導体層２０の表面に対して角度θで進行方向に傾斜させた状態で押し当てて、押し当て圧力Ｐと速度Ｖを制御しながら直線的に移動させる。すると、押し当て圧力Ｐの変化に応じて、けがき線５３の深さと長さが決定される。
【００２９】
図１１は、けがき線５３の形状の一例を示し、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）はけがき線方向（Ａ４−Ａ４線）に沿った断面図である。角錐状のけがき針５０は半導体層２０に対して点接触しているため、移動中は左右または上下に蛇行し易い。そのため、けがき線５３を微視的に観察すると、波形の曲線であり、けがき線５３の深さは上下に変動している。
【００３０】
ＧａＮ系半導体は六方晶であることから、図１２に示すように、けがき線５３の端部からけがき線方向に対して±６０度の方向に沿って劈開容易面が存在している。その結果、角錐状のけがき針５０を用いた場合、けがき線５３の端部形状が左右または上下に微視的に曲がっていると、端部での局所応力分布がけがき線中心に対して非対称になり、±６０度の方向に沿った劈開が生じ易くなる。そうすると、±６０度の劈開によるマイクロクラックが多く存在する光学端面しか得られず、レーザ光共振器の性能が低下してしまう。
【００３１】
これに対して本発明では、図５に示すような自転式の刃具４０を用いているため、半導体層２０に対して線で接触するようになり、移動中において左右の蛇行を防止できる。また、自転式の刃具４０は、けがき針５０と比べて半導体層２０との接触面積も増加するため、圧力変動も抑制でき、深さ方向の変動も防止できる。特に、けがき線の端部は滑らかに丸みを帯びるようになるため、端部での局所応力分布がけがき線中心に対して対称になり、±６０度の劈開を抑制することができる。これによって、素子分割後の光素子３０の光学端面に高精度の劈開面を形成することができ、製造歩留まりが大きく向上する。
【００３２】
図８（ａ）は、光素子３０とけがき線３３の位置関係を示す拡大平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ３−Ａ３線に沿った断面図である。光素子３０のｐ側電極２５は、リッジ２４の長手方向に沿ったリッジライン２４ａを共通にしてＹ方向に配列しており、ｎ側電極２６は隣り合うｐ側電極２５の間に配置される。
【００３３】
けがき線３３は、リッジライン２４ａおよびその近傍を横切らないように、Ｘ方向に沿って区分的に形成され、素子分割の際には、けがき線３３が通過しない部分に劈開面が形成されることになり、光素子３０の光学端面３０ａとして機能する。けがき線３３のピッチは、個々の光素子３０の光共振器長を決定するもので、例えば６００〜９００μｍ程度に設定される。
【００３４】
なお、単一の刃具４０を用いてけがき線３３を１本ずつ描くことも可能であるが、複数の刃具４０を所定ピッチ、例えば光共振器長またはその整数倍のピッチで配列し、複数のけがき線を同時に形成することによって、けがき作業効率を向上させることができる。
【００３５】
一方、Ｙ方向に沿った分割ライン３９は、ｎ側電極２６と隣りの光素子３０のｐ側電極２５との間に設定される。この分割ライン３９は、光素子３０を分離するだけで足り、劈開面は要求されないことから、一般に、ダイシングソーを用いた切断方法が採用される。分割ライン３９のピッチは、光素子３０の幅をを決定するもので、例えば５００μｍ程度に設定される。
【００３６】
図９は、半導体層２０の劈開工程を示す説明図である。半導体層２０に形成されたけがき線３３の両側に一対の支持部材４２を配置して、くさび形状の押圧部材４１をサファイア基板１０から押し当てると、けがき線３３と交差する方向に引っ張り応力が印加される。引っ張り応力が半導体層２０の降伏応力を超えると、けがき線３３に沿って劈開が始まり、続いてサファイア基板１０もけがき線３３に沿って劈開する。こうした作業をけがき線３３ごとに繰り返すことによって、Ｘ方向の素子分割を行う。
【００３７】
次に、ダイシングソーを用いて分割ライン３９を切断することにより、Ｙ方向の素子分割を行う。なお、分割された光素子３０がばらばらに分離しないために、半導体層２０またはサファイア基板１０には粘着シートなどが予め貼り付けられている。
【００３８】
こうして個々の光素子３０が分離され、光素子３０の光学端面３０ａには、高い平面性および高い平行度の劈開面を形成することができる。分離された光素子３０は、サブマウント等のパッケージ部材に搭載され、ダイボンディング工程、ワイヤボンディング工程などを経て、光デバイスとして完成する。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳説したように、半導体層にけがき線を形成するための刃具の形状を工夫し、けがき線方向に沿ったけがき断面形状の端部に丸みを帯びさせることて、素子分割後の光素子の光学端面に高精度の劈開面を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＮ系半導体層の成長プロセスを示す断面図である。
【図２】基板上に複数の光素子を形成した状態を示す平面図である。
【図３】光素子の構造を示す部分断面図である。
【図４】図４（ａ）はサファイア基板１０の裏面側を示す部分斜視図であり、図４（ｂ）はサファイア基板１０の表面側を示す部分斜視図である。
【図５】刃具４０の形状の一例を示し、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は側面図、図５（ｃ）は斜視図である。
【図６】図５に示す刃具４０を用いてけがき線を形成する様子を示す説明図である。
【図７】けがき線３３の形状の一例を示し、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）はけがき線方向（Ａ２−Ａ２線）に沿った断面図である。
【図８】図８（ａ）は、光素子３０とけがき線３３の位置関係を示す拡大平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ３−Ａ３線に沿った断面図である。
【図９】半導体層２０の劈開工程を示す説明図である。
【図１０】比較例として角錐状のけがき針５０を用いてけがき線を形成する様子を示す説明図である。
【図１１】けがき線５３の形状の一例を示し、図１１（ａ）は平面図、図１１（ｂ）はけがき線方向（Ａ４−Ａ４線）に沿った断面図である。
【図１２】ＧａＮ系半導体の劈開方向を示す平面図である。
【符号の説明】
１０ サファイア基板、 ２０ 半導体層、 ２１ ｎ型半導体層、 ２２ 活性層、 ２３ ｐ型半導体層、 ２４ リッジ、 ２４ａ リッジライン、 ２５ ｐ側電極、 ２６ ｎ側電極、 ３０ 光素子、 ３０ａ 光学端面、 ３１ 凸部、 ３２ 凹部、 ３３，５３ けがき線、 ３９ 分割ライン、 ４０ 刃具、 ４０ａ 刃、 ５０ けがき針。

Claims (5)

1. サファイア基板上にＧａＮ系半導体からなる半導体層をエピタキシャル成長させて、複数の光素子を区分的に形成する素子形成工程と、
   半導体層にけがき線を形成するけがき工程と、
   外力を印加して、サファイア基板および半導体層をけがき線方向に沿って分割し、各光素子の光学端面に劈開面を形成する劈開工程とを含み、
   けがき工程において、光素子の光学端面以外の領域にけがき線を形成するとともに、けがき線方向に沿ったけがき断面形状は端部で丸みを帯びていることを特徴とするＧａＮ系半導体光装置の製造方法。
2. けがき工程において、円周上に刃が形成された回転刃具を半導体層に対して押圧しながら従動回転させて、けがき線を形成することを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体光装置の製造方法。
3. 回転刃具は、２つの円錐台を底面同士で接合した形状を有することを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体光装置の製造方法。
4. 回転刃具は、ダイヤコートされた刃を有することを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体光装置の製造方法。
5. けがき工程において、所定ピッチで配列した複数の回転刃具を用いて、複数のけがき線を同時に形成することを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体光装置の製造方法。

Images