JP2011077418A - 半導体素子、半導体ウェハ、半導体ウェハの製造方法、半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 結晶から形成された基板103上部に第1の溝404を形成する第1の溝形成工程と、
前記第1の溝形成工程後、基板103上における第1の溝404形成部位以外の部位に半導体結晶を選択的に成長させて機能性半導体結晶層104を形成する機能性半導体結晶層形成工程と、
前記機能性半導体結晶層形成工程後、第1の溝404形成部位周辺の機能性半導体結晶層104および基板103をドライエッチングして前記第1の溝を拡大し、機能性半導体結晶層104上面から基板103内部まで達する第2の溝102を形成する第2の溝形成工程とを含むことを特徴とする半導体ウェハの製造方法。
【選択図】 図4B
Description
結晶から形成された基板上部に第1の溝を形成する第1の溝形成工程と、
前記第1の溝形成工程後、前記基板上における前記第1の溝形成部位以外の部位に半導体結晶を成長させて機能性半導体結晶層を形成する機能性半導体結晶層形成工程と、
前記機能性半導体結晶層形成工程後、前記第1の溝形成部位周辺の前記機能性半導体結晶層および前記基板をドライエッチングして前記第1の溝を拡大し、前記機能性半導体結晶層上面から前記基板内部まで達する第2の溝を形成する第2の溝形成工程とを含むことを特徴とする。
前記半導体ウェハを少なくとも前記溝の下端に沿った方向に分割する分割工程とを含むことを特徴とする。
結晶積層体を含み、
前記結晶積層体は、ウェットエッチング耐性結晶から形成された基板と、その上に形成された機能性半導体結晶層とを含み、
前記機能性半導体結晶層上面から前記基板内部まで達する溝が形成され、前記溝は、少なくともその下部が、溝幅が底部に向かって小さくなる形状を有することを特徴とする。
前記結晶積層体の少なくとも一つの側面において、前記基板上部が、前記基板主面の垂線に対して傾斜した面を含み、前記基板下部と前記機能性半導体結晶層とが、それぞれ、前記基板主面の垂線にほぼ平行な面を含み、それらの面が、前記傾斜した面によりつながっていることを特徴とする。
結晶積層体を含み、
前記結晶積層体は、ウェットエッチング耐性結晶から形成された基板と、その上に形成された機能性半導体結晶層とを含み、
前記機能性半導体結晶層上面から前記基板内部まで達する溝が形成され、前記溝は、少なくともその下部が、溝幅が底部に向かって小さくなる形状を有することを特徴とする。本発明の半導体ウェハは、前記溝の少なくとも下部が、溝幅が底部に向かって小さくなる形状を有することにより、前記溝の下端に沿った方向に分割しやすく、例えば、半導体素子の劈開面、素子長等がばらつきにくい。前記ウェットエッチング耐性半導体結晶は、窒化物半導体結晶、SiC結晶、またはサファイア結晶であることが好ましい。前記窒化物半導体結晶は、III族窒化物半導体結晶またはIII−V族窒化物半導体結晶であることが好ましく、GaN結晶であることが特に好ましい。
半導体発光素子製造用の半導体ウェハであり、
前記機能性半導体結晶層が、活性層ストライプを含み、
前記溝が、前記活性層ストライプ以外の箇所の一部に形成されており、かつ、前記基板の劈開面に対しほぼ平行であることが好ましい。前記溝が、前記基板の劈開面に対しほぼ平行であれば、本発明の半導体ウェハを、前記溝の下端に沿った方向に分割させやすい。また、前記溝は、前記活性層ストライプの長手方向に対しほぼ垂直またはほぼ平行であっても良いし、前記活性層ストライプの長手方向に対し傾斜していても良い。例えば、前記溝が、前記基板の劈開面に対しほぼ平行であり、かつ、前記活性層ストライプの長手方向に対しほぼ垂直または傾斜していれば、前記溝に沿って劈開させた面を光出射端面とし、整然とした光出射端面が得られやすい。また、このようにすれば、例えば、前記半導体発光素子の素子長がばらつきにくい。なお、前記光出射端面は、前記活性層ストライプの長手方向に対しほぼ垂直でもよいし、前記活性層ストライプの長手方向に垂直な方向から傾斜していても良い。
半導体発光素子であり、
前記機能性半導体結晶層が、活性層ストライプを含み、
前記機能性半導体結晶層側面のうち少なくとも一つが、前記活性層ストライプの断面を含む劈開面であり、かつ、前記劈開面が、少なくとも一部に光出射領域を含み、
前記傾斜した面が、前記光出射領域以外に形成されていることが好ましい。
半導体レーザであり、
前記活性層ストライプがレーザストライプであり、
前記結晶積層体側面のうち少なくとも一つが、前記劈開面を含む共振器面を含み、
前記傾斜した面が、前記半導体結晶積層体側面における前記共振器面以外の領域に含まれることがより好ましい。この場合において、前記基板がGaN基板であり、前記GaN基板の主面が、{0001}面であり、かつ、前記GaN基板側面における前記共振器面が、{1−100}面であることがさらに好ましい。
図1は、本実施形態による半導体ウェハを示す平面図である。この半導体ウェハは、分割することで窒化物半導体レーザを製造できる。図2、図3は、それぞれ図1のI−I方向およびII−II方向に沿った断面図である。本実施形態においては、リッジストライプ型の半導体レーザを例示する。
まず、n型GaN基板103上に、CVD法などを用いて、シリコン酸化膜等の誘電体膜を形成し、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、誘電体膜マスクをパターン状に形成する。誘電体膜マスクパターンの開口部402は、図4(a)に示すように、端面劈開予定線403に沿って、レーザストライプ形成領域401を避けるように破線状に設ける。ここで、劈開予定線403は、基板103の<11−20>方向と平行であり、レーザストライプはこれと垂直な<1−100>方向に平行に、200μm間隔毎に設ける。よって、マスクパターンも200μm毎に設ける。一方、レーザの共振器長は例えば650μmとするので、ストライプ方向に対してマスクパターンは650μm毎に設ける。各マスクパターンは、例えば幅4μm、長さは100μmとし、劈開予定線に平行な方向に伸びる長尺の帯状形状とする。その後、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、約3μmの深さまでエッチングを行った後、マスクパターンを除去する。これにより、図4(b)に示すように、劈開予定線上に断面がほぼ矩形の凹部(前記「第1の溝」)404を有する基板ができる(前記「第1の溝形成工程」)。
次に、有機金属気相成長法(MOVPE法)等を用いて、上記パターン基板上に、第一クラッド層、光導波路層、InGaN量子井戸活性層、光導波路層、第二クラッド層、コンタクト層を順次積層し、半導体レーザに必要なレーザ機能層(機能性半導体結晶層)構造を作製する。総成長層厚は例えば計3μm程度となる。前記機能性半導体結晶層を形成する半導体結晶は、前記基板上における前記第1の溝形成部位以外の部位に成長(選択成長)させる。このとき、図4(c)に示すように、前記凹部(第1の溝)の両側では、成長層(機能性半導体結晶層)104が前記凹部(第1の溝)を境に分割される。成長層(機能性半導体結晶層)104の、前記凹部(第1の溝)両脇の端部には、{1−101}面からなる斜めのファセットが出現する。一方、前記凹部(第1の溝)の内部では、水平な{0001}面及び、垂直な{1−100}面に成長するため、前記凹部(第1の溝)の溝は徐々に狭く、浅くなっていく。ただし、その成長速度は、原料供給が相対的に小さいため、前記凹部(第1の溝)外側よりも遅くなっている。本実施形態においては、前記凹部(第1の溝)の形状、及び成長条件を適切に選択することで、前記凹部(第1の溝)がほぼ埋まった状態で、基板103上面に、斜めファセットにより劈開予定線上にほぼV字形状を有する溝が、選択成長により形成される(前記「機能性半導体結晶層形成工程」)。
次に、図4(d)に示すように、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、半導体層(機能性半導体結晶層)104上面に、前記凹部(第1の溝)両脇の開口部よりもやや広い領域が露出するように、エッチングマスク105を形成する。マスク開口部のパターンは、例えば工程1で用いたパターンサイズに10μmのマージンを加えて、幅14μm、長さ110μmとする。
その後、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、GaN基板103上面から約4μmの深さまでエッチングを行う(前記「第2の溝形成工程」)。ドライエッチングではエッチングの垂直性が高く、各層毎の選択性も小さいため、前記工程2で形成されたV字型の断面形状がGaN基板103に転写され、底部がほぼV字型の断面形状を有するガイド溝(第2の溝)が形成される。このようにして、半導体ウェハを製造することができる。図4(e)に示すように、ガイド溝(第2の溝)102は、半導体ウェハの劈開予定線上に、基板内部に達する深さを有し、かつ底面がほぼV字型の断面形状を有するように形成されている。エッチング深さは、へき開工程により容易にへき開ができ、かつそれまでに行うプロセス工程中にはへき開が起こらない程度の値を選ぶことが望ましい。さらに、図4(e)に示すように、エッチング後にマスク105を除去することが好ましい。
まず、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、レーザストライプ(活性層ストライプ)形成領域上に、幅2ミクロン程度のストライプ状のエッチングマスクを形成する。次に、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、p型AlGaNクラッド層の途中までエッチングを行う。これにより、図5(a)に示すように、幅約2μm程度のリッジストライプ(レーザストライプ、あるいは活性層ストライプ)101が形成される。リッジ幅の値、及びp型AlGaNクラッド層のエッチング深さは、特に制限されないが、レーザ装置の水平横モード特性を始め、電流−光出力特性、電流−電圧特性に影響するので、要求されるデバイス特性等を考慮して、最適な値を選ぶことが好ましい。
次に、この半導体ウェハに、さらに電極を形成することが好ましい。すなわち、半導体ウェハの上面全体に、CVD法などを用いて、酸化シリコン膜等の絶縁膜を形成する。さらに、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて、p型電極形成部(リッジストライプ101およびその周辺の上面)の絶縁膜を除去する。その後、ニッケル及び金を蒸着し適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことにより、図5(b)に示すようにp型電極121を形成する。さらに、基板103の裏面を研磨することにより約120μm程度の厚さまで基板を薄膜化する。そして、基板103の下面にチタン及び金を蒸着し、適当な条件で加熱してアロイ処理を行うことにより、図5(b)に示すようにn型電極120を形成する。
さらに、上記本発明の半導体ウェハの製造方法により製造した半導体ウェハを縦横に分割し、半導体レーザを製造する(前記「分割工程」)。すなわち、図6に示すように、GaN基板103下面の、前記工程3で形成されたガイド溝(第2の溝)102の下端にほぼ相当する位置にブレード106を押し当て、荷重を加える。これによって、ガイド溝(第2の溝)102の底部(下端)の中心線に沿ってGaN基板103が劈開(分割)され、ストライプ形成領域ではレーザミラー端面(共振器面)が形成され、レーザーバーが得られる。本実施形態においては、劈開線と平行にV字型断面形状を有するガイド溝(第2の溝)が形成されているので、小さい力で、かつ正確な位置で劈開を行うことができる。本発明の半導体ウェハの製造方法および半導体素子の製造方法によれば、スクライブ(ケガキ)工程を必要とせず、また余計な力がかからないため、平坦性の高いレーザ共振器面が得られる。さらに、共振器面形成の後、前記レーザーバーから各素子を切り出す(分割する)ことによって、半導体レーザ素子を得ることができる。
次に、図7、図8を用いて本発明の実施形態2について説明する。図7は、本発明の実施形態2による窒化物半導体レーザ製造用半導体ウェハを示す平面図である。図8は、図7のIV−IV方向に見た断面図である。本実施形態において、実施形態1と異なる点は、共振器面形成時ではなく、レーザーバーから個別素子を分割する工程において、V字形状のガイド溝を利用して分割を行う構造としている点である。すなわち、図7および図8に示すとおり、ガイド溝(第2の溝)212は、矩形状であり、各活性層ストライプ201の間隙に、活性層ストライプ201とほぼ平行に形成されている。図中の枠線210の内側が半導体レーザ形成領域であり、この半導体ウェハを枠線210に沿って縦横に分割することで、半導体レーザが得られることを示す。枠線210は、図示のように矩形をしており、横方向の辺はガイド溝(第2の溝)212の長手方向の中心線に沿っており、縦方向の辺は、隣り合ったガイド溝(第2の溝)212のほぼ中間点を通る。なお、図8において、203はGaN基板、204はレーザ機能層(機能性半導体結晶層)、201はレーザストライプ、220および221は電極である。各構成要素の位置関係は、ガイド溝(第2の溝)212の方向を除き、実施形態1(図1および図3)と同じである。
まず、図9に示すように、n型GaN基板上に通常のフォトリソグラフィー工程とドライエッチングを用いて、レーザストライプ形成予定領域901と平行な素子分割線上に、凹部(第1の溝)形成用の誘電体マスクのパターンを形成する。前記パターンの配置は、例えば図9のように、各活性層ストライプ201の間隙に、活性層ストライプ201とほぼ平行な矩形状の凹部(第1の溝)形成用の開口部902を有する誘電体マスクを、開口部902が一定間隔で縦列となるように配置する。レーザ共振器面を劈開により形成する場合には、劈開の直進性や劈開面の平坦性を維持する観点から、劈開線上に段差がないことが望ましい。したがって、劈開予定線903を避けて開口部902のパターンを形成する方が望ましい。各開口部902のパターンは、例えば幅4μm、長さは劈開予定線から50μm程度離れるようにする。例えば共振器長が650μmの場合には、開口部902の長さは550μmとなる。エッチング深さ等は、実施形態1と同様にする。
さらに、一般的な方法を用いて共振器面を劈開により作成し、レーザーバーを形成する。そして、レーザーバーの、工程3で形成されたガイド溝(第2の溝)最下部にほぼ相当する位置の基板203裏面に、図10に示すようにブレード(刃)206を押し当てる。これにより、ガイド溝(第2の溝)202に沿ってGaN基板203が分割され、レーザーバーがチップ状態に分割されて半導体レーザ素子となる。
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。本実施形態において、前記実施形態1および2と異なる点は、c面GaN基板(主面がc面である基板)ではなく、m面((1−100)面)基板(主面がm面である基板)を用いていることである。m面基板を用いると、窒化物結晶の特徴である内部電界が量子井戸にかからないため、半導体レーザの発光効率を向上させたり、利得(レーザ光が増幅する割合)を向上させたりすることができる。内部電界は、格子歪の増大と共にピエゾ電界が増しその影響が顕著になるため、インジウム組成の大きい、或いは層厚の大きいInGaN量子井戸を活性層に用いる場合、特に有利である。本実施形態は、例えば、c面基板上では実現が困難な緑色波長帯のレーザに特に適する。m面基板を用いれば、前記ピエゾ電界の影響を低減でき、レーザ光を長波長化しやすくなるためである。
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。本実施形態において、前記実施形態1および2と異なる点は、c面GaN基板(主面がc面であるGaN基板)ではなく、(11−22)面GaN基板(主面が(11−22)面であるGaN基板)を用いていることである。(11−22)面基板を用いると、m面基板と同様に、量子井戸に垂直にかかる内部電界を低減できるため、半導体レーザの発光効率を向上させたり、利得を向上させたりすることができる。内部電界は、格子歪の増大と共にピエゾ電界が増しその影響が顕著になるため、インジウム組成の大きい、或いは層厚の大きいInGaN量子井戸を活性層に用いる場合に有利である。更に、(11−22)面基板上では、インジウム組成の高いInGaN結晶が比較的作製しやすいことが知られており、c面上では困難な緑色半導体レーザの実現に有利である。
さらに、面発光レーザ素子や発光ダイオード、受光素子や半導体変調器等、その他の半導体素子においても、精密な分割サイズ制御を必要とする場合や、結晶へのクラックやダメージのない素子分割を必要とする半導体素子であれば、どのようなものに適用してもその効果は得られる。
102,302,402,502 劈開用ガイド溝(第2の溝)
212,312,412,512 素子分割用ガイド溝
311,413,513,903 劈開予定線
314,414,514 素子分割予定線
103,203,503,1601 GaN基板(基板)
104,204,504 レーザ機能層(機能性半導体結晶層)
105,505 エッチングマスク
106,206 ブレード
220,221 電極
901 レーザストライプ(活性層ストライプ)形成予定領域
902 誘電体膜開口部
10101 第一クラッド層
10102 光導波路層
10103 InGaN量子井戸活性層
10104 光導波路層
10105 第二クラッド層
10106 コンタクト層
16101 n−GaN層
16102 n−GaAlN層
16103 n−GaN層
16104 InGaN量子井戸
16105 p−GaN層
16106 p−GaN/GaAlN超格子層
16107 p−GaN層
Claims (30)
- 結晶から形成された基板上部に第1の溝を形成する第1の溝形成工程と、
前記第1の溝形成工程後、前記基板上における前記第1の溝形成部位以外の部位に半導体結晶を成長させて機能性半導体結晶層を形成する機能性半導体結晶層形成工程と、
前記機能性半導体結晶層形成工程後、前記第1の溝形成部位周辺の前記機能性半導体結晶層および前記基板をドライエッチングして前記第1の溝を拡大し、前記機能性半導体結晶層上面から前記基板内部まで達する第2の溝を形成する第2の溝形成工程とを含むことを特徴とする半導体ウェハの製造方法。 - 前記第1の溝形成工程において、前記第1の溝を、複数の溝からなる規則的なパターン状に形成することを特徴とする請求項1記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記機能性半導体結晶層を窒化物半導体により形成することを特徴とする請求項1または2記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板が窒化物半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板がGaN基板であり、その主面が、{0001}面、{1−100}面または{11−22}面であることを特徴とする請求項4記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板が、Si、SiC、およびSiGeからなる群から選択される少なくとも一つの結晶から形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板が、閃亜鉛鉱型のIII−V族化合物半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板が、サファイア基板であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体ウェハの製造方法。
- 前記基板が、ウェットエッチング耐性基板であることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体ウェハの製造方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の製造方法により前記半導体ウェハを製造する半導体ウェハ製造工程と、
前記半導体ウェハを少なくとも前記第2の溝の下端に沿った方向に分割する分割工程とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 製造される前記半導体素子が半導体レーザであり、前記分割工程が、前記ウェハを前記第2の溝の下端に沿った方向に劈開させて共振器面を形成する共振器面形成工程を含むことを特徴とする請求項10記載の半導体素子の製造方法。
- 製造される前記半導体素子が半導体レーザであり、前記分割工程が、前記ウェハを劈開させてレーザーバーを得るレーザーバー製造工程と、前記レーザーバーを前記第2の溝の下端に沿った方向に分割して半導体レーザを得るレーザーバー分割工程を含むことを特徴とする請求項10または11記載の半導体素子の製造方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体ウェハ。
- 請求項10から12のいずれか一項に記載の製造方法により製造されることを特徴とする半導体素子。
- 結晶積層体を含み、
前記結晶積層体は、ウェットエッチング耐性結晶から形成された基板と、その上に形成された機能性半導体結晶層とを含み、
前記機能性半導体結晶層上面から前記基板内部まで達する溝が形成され、前記溝は、少なくともその下部が、溝幅が底部に向かって小さくなる形状を有することを特徴とする半導体ウェハ。 - 前記基板において、前記ウェットエッチング耐性結晶が、窒化物半導体結晶、SiC結晶、またはサファイア結晶であることを特徴とする請求項15記載の半導体ウェハ。
- 前記基板において、前記ウェットエッチング耐性半導体結晶が、GaN結晶であることを特徴とする請求項15または16記載の半導体ウェハ。
- 前記GaN基板の主面が{0001}面または{11−22}面であることを特徴とする請求項17記載の半導体ウェハ。
- 半導体発光素子製造用の半導体ウェハであり、
前記機能性半導体結晶層が、活性層ストライプを含み、
前記溝が、前記活性層ストライプ以外の箇所の一部に形成されており、かつ、前記基板の劈開面に対しほぼ平行であることを特徴とする請求項15から18のいずれか一項に記載の半導体ウェハ。 - 前記溝における前記溝幅が底部に向かって小さくなる部分の表面が、前記基板主面の垂線に対して5〜45°傾斜していることを特徴とする請求項15から19のいずれか一項に記載の半導体ウェハ。
- 前記機能性半導体結晶層が、窒化物半導体結晶から形成されていることを特徴とする請求項15から20のいずれか一項に記載の半導体ウェハ。
- 結晶積層体を含み、前記結晶積層体は、ウェットエッチング耐性結晶から形成された基板と、その上に形成された機能性半導体結晶層とを含み、
前記結晶積層体の少なくとも一つの側面において、前記基板上部が、前記基板主面の垂線に対して傾斜した面を含み、前記基板下部と前記機能性半導体結晶層とが、それぞれ、前記基板主面の垂線にほぼ平行な面を含み、それらの面が、前記傾斜した面によりつながっていることを特徴とする半導体素子。 - 半導体発光素子であり、
前記機能性半導体結晶層が、活性層ストライプを含み、
前記機能性半導体結晶層側面のうち少なくとも一つが、前記活性層ストライプの断面を含む劈開面であり、かつ、前記劈開面が、少なくとも一部に光出射領域を含み、
前記傾斜した面が、前記光出射領域以外に形成されていることを特徴とする請求項22記載の半導体素子。 - 半導体レーザであり、
前記活性層ストライプがレーザストライプであり、
前記結晶積層体側面のうち少なくとも一つが、前記劈開面を含む共振器面を含み、
前記傾斜した面が、前記半導体結晶積層体側面における前記共振器面以外の領域に含まれることを特徴とする請求項23記載の半導体素子。 - 前記基板がGaN基板であり、
前記GaN基板の主面が、{0001}面であり、かつ、前記GaN基板側面における前記共振器面が、{1−100}面であることを特徴とする請求項24記載の半導体素子。 - 前記傾斜した面が、前記基板の垂線に対して5〜45°傾斜していることを特徴とする請求項22から25のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 請求項13および15から21のいずれか一項に記載の半導体ウェハを、少なくとも前記溝の下端に沿った方向に分割することにより製造されることを特徴とする請求項22から26のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 光源を含み、前記光源が、半導体発光素子である請求項14および22から27のいずれか一項に記載の半導体素子を含むことを特徴とする画像表示装置。
- 光源を含み、前記光源が、半導体発光素子である請求項14および22から27のいずれか一項に記載の半導体素子を含むことを特徴とする情報記録再生装置。
- 光源を含み、前記光源が、半導体発光素子である請求項14および22から27のいずれか一項に記載の半導体素子を含むことを特徴とする光通信装置。
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