JP2013041978A - 窒化物半導体発光素子、及び窒化物半導体発光素子を作製する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電体マスク35aを用いて犠牲膜33から金属膜31を介して窒化物半導体領域39までのエッチングを行って、リフトオフ層33a、電極31a及びエッチングされた窒化物半導体領域41を形成すると共に、窒化物半導体領域39の半極性主面39aをエッチングして半導体リッジ41aを形成する。このエッチング中に、リッジ部41aの形成のためにエッチングされるIII族窒化物半導体表面の面方位に依存して、エッチングされた表面41bにはピラー状の微小突起43が形成される。半極性面では、微小突起の生成がc面に比べて生成されやすい。エッチングにおける基板温度が摂氏60度以上摂氏200度以下の範囲にあるとき、微小突起の面密度の増大を避けることができる。
【選択図】図4
Description
n型窒化ガリウム系半導体層15:Siドープn型GaN。
n型窒化ガリウム系半導体クラッド層17:Siドープn型AlGaN。
n側窒化ガリウム系半導体光ガイド層19:Siドープn型GaN、アンドープInGaN。
活性層21:単一又は多重量子井戸構造。
井戸層21a:アンドープInGaN。
障壁層21b:アンドープInGaN又はアンドープGaN。
p側窒化ガリウム系半導体光ガイド層23:アンドープInGaN。
窒化ガリウム系半導体電子ブロック層25:Znドープp型AlGaN。
p側窒化ガリウム系半導体光ガイド層26:Znドープp型GaN。
p型窒化ガリウム系半導体クラッド層27:Znドープp型AlGaN。
p型窒化ガリウム系半導体コンタクト層29:Znドープp型GaN。
活性層21の発光スペクトルのピーク波長は500nm以上570nm以下の波長範囲内にあることが好ましい。エピタキシャル積層13の成長が完了した後に、成長炉10aからエピタキシャル基板Eを取り出す。エピタキシャル基板Eの窒化物半導体領域は、基板主面11aの面方位を引き継いで半極性主面を示す。エピタキシャル基板Eの窒化物半導体領域は活性層21を含み、この活性層21も半極性に従う性質を有する。半極性の利点を生かして、500nm以上540nm以下の波長範囲内に発光スペクトルのピーク波長を有する発光素子を提供できる。
GaNウエハの{2021}面上に、n型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層、n型InGaN光ガイド層、InGaN活性層、p型AlGaN電子ブロック層、p型InGaN光ガイド層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順にエピタキシャル成長して、レーザ構造のエピタキシャルウエハを作製する。このエピタキシャルウエハ上に、パラジウムからなるp側Pd膜を蒸着法にて作製する。この電極膜の膜厚は30nmである。電極膜上に、リフトオフの際の犠牲層となるレジスト層(厚さ約0.8μm)を塗布した後に、続いてリッジ形成用のマスクとなるシリコン酸化膜(厚さ300nm、SiO2)を電子ビーム蒸着により形成する。これらの工程により、基板生産物が準備される。シリコン酸化膜上に、リッジストライプを規定するレジストマスク(2μm幅)を形成する。CHF3ガスをICP−RIE装置に供給して、レジストマスクを用いてシリコン酸化膜をエッチングして、酸化膜マスクを形成する。次いで、以下の2条件でレジスト層をエッチングしてレジスト犠牲層を形成する。レジスト犠牲層を形成した後に、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてArを供給して、Pd膜をエッチングする。続けて、Cl2及びBCl3をICP−RIE装置に供給して、GaNエピタキシャル層をエッチングする。
レジスト層のちょうど平均的厚みのレジスト部分のエッチングが終わる終点でエッチングを終了すると、レジスト塗布膜厚分布に依存してレジストのエッチング残りが発生する。これを避けるために、オーバーエッチングを行う。平均レジスト厚みの1.3倍の厚みのレジストのエッチングが終わる時間までエッチングを行う。この条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてO2を供給して、レジスト層のエッチングを行う。その後、Pd膜をエッチングすると共にGaN層のリッジの深さまでエッチングする。SEMを用いて外観を観察すると、エッチングされたGaN面にピラー状の突起が発生している。発明者の実験によれば、レジスト層のエッチングガス(酸素)により、Pd表面が変質して、変質物がPdエッチング後にもマイクロマスクとしてGaN表面に残り、エッチング残渣を生じさせている可能性がある。この条件の微細突起の面密度は例えば1×1011cm−2である。
平均レジスト厚みの1.3倍の厚みのレジストのエッチングが終わる時間までエッチングを行う。この条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてAr/CHF3ガスを供給して、レジスト層のエッチングを行う。その後、Pd膜をエッチングすると共にGaN層のリッジの深さまでエッチングする。Cl2ガスを用いてICP−RIE法でGaN層をエッチングする。エッチングされたGaN面にピラー状の突起は実質的にゼロと言える程度にまで少なく、観察した領域範囲では、非常に良好な表面では、ピラー状の突起は見られない。
Pd膜の替わりにAu膜(100nm)を形成した点を除いて、実施例1と同様に基板生産物を準備する。犠牲層はレジストとする。基板生産物のシリコン酸化膜上に、リッジストライプを規定するレジストマスク(2μm幅)を形成する。次いで、以下の2条件でレジスト層をエッチングしてレジスト犠牲層を形成する。レジスト犠牲層を形成した後に、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてArを供給して、Pd膜をエッチングする。続けて、Cl2及びBCl3をICP−RIE装置に供給して、GaNエピタキシャル層をエッチングする。
平均レジスト厚みの1.3倍の厚みのレジストのエッチングが終わる時間までエッチングを行う。この条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてAr/CHF3ガスを供給して、レジスト層のエッチングを行う。AuがCHF3と反応してエッチングされるので、オーバーエッチング中にレジスト膜の塗布厚の分布に応じてAuがエッチングされてしまう。AuはCl2、CF4、やCHF3でエッチングされる。オーバーエッチング中のAuエッチングの結果として、Au膜をArでエッチングする前に、Au膜の膜厚分布が生じる。このAu膜をArでエッチングする。ICP−RIEエッチング装置にエッチングガスとしてArを供給する。Arエッチングは反応性がなく、エッチングされる材料による選択性の差が比較的小さい(ここではAuとGaNとの選択比)。Arを用いたAu膜のオーバーエッチング中に、GaN層がエッチングされる。Cl2を用いたGaNエッチング後に表面を観察すると、Auの膜厚ばらつきの結果として、リッジ深さに分布が発生する。リッジ深さが適切な深さよりも浅いとき、半導体レーザのしきい値電流Ithの上昇を引き起こし、リッジ深さが適切な深さより深いとき半導体レーザの信頼性が低下する。そのため、素子歩留まりが悪化することになる。この条件のピラー状の微細突起の面密度は例えば1×1010cm−2である。
平均レジスト厚みの1.3倍の厚みのレジストのエッチングが終わる時間までエッチングを行う。この条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてO2を供給して、レジスト層のエッチングを行う。その後、Au膜をArでエッチングすると共にGaN層のリッジの深さまでエッチングする。Cl2ガスを用いてICP−RIE法でGaN層をエッチングする。エッチングされたGaN面にピラー状の突起は実質的にゼロと言える程度にまで少なく、観察した領域範囲では、非常に良好な表面では、ピラー状の突起は見られない。
GaNウエハの{2021}面上に、n型GaNバッファ層、n型AlGaNクラッド層、n型InGaN光ガイド層、InGaN活性層、p型AlGaN電子ブロック層、p型InGaN光ガイド層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順にエピタキシャル成長して、レーザ構造のエピタキシャルウエハを作製する。このエピタキシャルウエハ上に、パラジウムからなるp側Pd膜を蒸着法にて作製する。この電極膜の膜厚は30nmである。電極膜上に、リフトオフの際の犠牲層となるレジスト層(厚さ約0.4μm)を塗布した後に、続いてリッジ形成用のマスクとなるシリコン酸化膜(厚さ300nm、SiO2)を電子ビーム蒸着により形成する。これらの工程により、基板生産物が準備される。シリコン酸化膜上に、リッジストライプを規定するレジストマスク(2μm幅)を形成する。CHF3ガスをICP−RIE装置に供給して、レジストマスクを用いてシリコン酸化膜をエッチングして、酸化膜マスクを形成する。実施例1と同じ条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてAr/CHF3ガスを供給して、レジスト層のエッチングを行う。その後、Cl2及びBCl3をICP−RIE装置に供給して、GaN層をエッチングする。GaN層のエッチングにおける基板温度として、摂氏50度、摂氏60度、摂氏80度、摂氏100度、摂氏200度を用いる。
基板温度 :摂氏50度、摂氏60度、摂氏80度、摂氏100度、摂氏200度。
突起面密度(cm−2):2×1010、1×109、2×108、実質ゼロ、 実質ゼロ。
また、この実験及び他の実験に基づけば、2×108cm−2の突起面密度を得るには、基板温度が摂氏80度以上であることが好ましい。
基板温度 :歩留まり。
摂氏50度 :5%。
摂氏60度 :10%。
摂氏80度 :70%。
摂氏100度:80%。
摂氏200度:10%。
Pd膜の替わりにPt膜(100nm)を形成した点を除いて、実施例1と同様に基板生産物を準備する。犠牲層はBCBとする。基板生産物のシリコン酸化膜上に、リッジストライプを規定するレジストマスク(2μm幅)を形成する。次いで、以下の条件でBCB層をエッチングしてBCB犠牲層を形成する。BCB犠牲層を形成した後に、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてArを供給して、Pt膜をエッチングする。続けて、Cl2及びBCl3をICP−RIE装置に供給して、GaNエピタキシャル層をエッチングする。
Si酸化膜をCF4ガスでエッチングした後、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてCF4ガスを供給して、BCB層のエッチングを行う。エッチング時間は平均BCB厚みの1.1倍の厚みのBCBのエッチングが終わる時間までとする。その後、Pt膜をArでエッチングすると共にGaN層のリッジの深さまでエッチングする。Cl2ガスを用いてICP−RIE法でGaN層をエッチングする。エッチングされたGaN面にピラー状の突起は実質的にゼロと言える程度にまで少なく、観察した領域範囲では、非常に良好な表面では、ピラー状の突起は見られない。
Si酸化膜をCF4ガスでエッチングした後、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてO2を供給して、レジスト層のエッチングを行う。エッチング時間は平均BCB厚みの1.1倍の厚みのBCBのエッチングが終わる時間までとする。この条件で、ICP−RIE装置にエッチングガスとしてその後、Pt膜をArでエッチングすると共にGaN層のリッジの深さまでエッチングする。Cl2ガスを用いてICP−RIE法でGaN層をエッチングする。エッチングされたGaN面にピラー状の突起は1×1010cm−2と、BCB犠牲層をCF4でエッチングした場合に比べて非常に多い。
Claims (23)
- 窒化物半導体発光素子であって、
III族窒化物からなる半極性主面を有する基板と、
前記半極性主面の上に設けられIII族窒化物半導体からなる半導体積層と、
前記半導体積層の上に設けられた電極と、
前記半導体積層の表面を覆う保護層と、
前記電極及び前記保護層の上に設けられたパッド電極と、
を備え、
前記半導体積層は活性層を含み、
前記半導体積層は、第1、第2及び第3部分並びにリッジ部を含み、
前記半導体積層において、前記第2部分は前記第1部分と前記第3部分とに挟まれ、
前記半導体積層において、前記リッジ部は前記第2部分の上に位置し、
前記第1及び第3部分の表面は、複数のピラー形状突起を有し、
前記ピラー形状突起の面密度は2×108cm−2以下であり、
前記保護層は、前記リッジ部の上面に開口を有し、
前記電極は、前記保護層の前記開口を介して前記リッジ部の前記上面に接合を成し、
前記リッジ部は六方晶系のIII族窒化物半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体層のc軸と前記リッジ部の前記上面の法線軸との成す角度は、45度以上80度以下又は100度以上135度以下の角度範囲にある、窒化物半導体発光素子。 - 前記電極は前記III族窒化物半導体層の表面に接触を成し、
前記リッジ部は、前記活性層と前記III族窒化物半導体層との間に設けられた別のIII族窒化物半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体層の材料は前記別のIII族窒化物半導体層の材料と異なり、
前記別のIII族窒化物半導体層は、III族構成元素としてインジウムを含む、請求項1に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記電極は、パラジウム層及び金層の少なくともいずれかを含む、請求項1又は請求項2に記載された窒化物半導体発光素子。
- 前記電極は前記リッジ部の前記上面の全体を覆い、
前記保護層は前記リッジ部の側面を覆って前記リッジ部の前記上面のエッジを覆うように設けられる、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。 - 前記複数のピット形状突起のうちのいくつかのピット形状突起は、前記保護層を突き抜けており、前記パッド電極に接触する、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子。
- 窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化物半導体領域の半極性主面の酸洗浄を行うと共に、該酸洗浄された主面の上に金属膜を蒸着する工程と、
リフトオフのための犠牲膜を前記金属膜の上に形成する工程と、
誘電体膜を前記金属膜の上に成長する工程と、
リッジのためのパターンを有するマスクを前記誘電体膜の上に形成する工程と、
前記マスクを用いて前記誘電体膜のエッチングを行って、誘電体マスクを形成する工程と、
前記誘電体マスクを用いて前記犠牲膜から前記金属膜を介して前記窒化物半導体領域までのエッチングを行って、リフトオフ層、電極及びエッチングされた窒化物半導体領域を形成する工程と、
を備え、
前記窒化物半導体領域は活性層を含み、
前記誘電体膜を成長する前記工程において、前記犠牲膜は前記誘電体膜と前記金属膜との間に設けられ、
前記犠牲膜は絶縁性を示し、
前記エッチングされた窒化物半導体領域は半導体リッジを含み、
前記窒化物半導体領域のエッチングにおける基板温度は摂氏80度以上であり、
前記基板温度は摂氏200度以下である、窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 前記犠牲膜は樹脂からなる、請求項6に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記犠牲膜は、レジスト、ポリイミド、及びベンゾシクロブテンの少なくともいずれかを含む、請求項6又は請求項7に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記エッチングされた窒化物半導体領域の前記半導体リッジを形成した後に、前記エッチングされた窒化物半導体領域及び前記誘電体マスクの上に絶縁膜を形成する工程と、
前記リフトオフ層を用いて前記絶縁膜のリフトオフを行って、前記エッチングされた窒化物半導体領域の上に保護層を形成する工程と、
を更に備え、
前記保護層は、前記半導体リッジの上の前記電極の上に開口を有する、請求項6〜請求項8のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 前記誘電体膜は、電子ビーム蒸着法で成長されたシリコン系無機絶縁層を含む、請求項6〜請求項9のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記活性層の発光スペクトルのピーク波長は500nm以上540nm以下の波長範囲内にある、請求項6〜請求項10のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記電極は金層及びパラジウム層の少なくともいずれかを含む、請求項6〜請求項11のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記金属膜は、蒸着により成長されたパラジウム層を含み、
前記犠牲膜はレジストからなり、
前記犠牲膜のエッチングにおけるエッチャントはフッ素系ガスを含む、請求項6〜請求項12のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 前記犠牲膜のエッチングにおけるエッチャントは、CF4、CHF3、CHF3/Arの少なくともいずれかを含む、請求項6〜請求項13のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記金属膜は、蒸着により成長された金層を含み、
前記犠牲膜はレジストからなり、
前記犠牲膜のエッチングにおけるエッチャントは酸素を含む、請求項6〜請求項12のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 前記エッチングは、インダクティブ・カップリング・プラズマ・反応性イオンエッチング法で行われる、請求項6〜請求項15のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記窒化物半導体領域は、III族窒化物半導体層及び別のIII族窒化物半導体層を含み、
前記III族窒化物半導体層は、前記別のIII族窒化物半導体層の上に設けられ前記電極と接触を成し、
前記エッチングでは、前記III族窒化物半導体層及び前記別のIII族窒化物半導体層がエッチングされ、
前記III族窒化物半導体層の材料は前記別のIII族窒化物半導体層の材料と異なり、
前記別のIII族窒化物半導体層は、III族構成元素としてインジウムを含む、請求項6〜請求項16のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - III族窒化物半導体基板の主面の上に前記窒化物半導体領域を成長する工程を更に備え、
前記III族窒化物半導体基板のc軸と前記主面の法線軸との成す角度は45度以上80度以下又は100度以上135度以下の角度範囲にあり、
前記III族窒化物半導体基板のc軸と前記窒化物半導体領域の前記半極性主面の法線軸との成す角度は45度以上80度以下又は100度以上135度以下の角度範囲にある、請求項6〜請求項17のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 前記エッチングされた窒化物半導体領域の表面におけるピラー形状突起の面密度は、2×108cm−2以下である、請求項6〜請求項18のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記基板温度は摂氏100度以上である、請求項6〜請求項18のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 前記絶縁膜は、電子ビーム蒸着法で成長されたシリコン系無機絶縁膜を含む、請求項6〜請求項20のいずれか一項に記載された窒化物半導体発光素子を作製する方法。
- 窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化物半導体領域の半極性主面の上に、金属膜、犠牲膜、及び誘電体膜を順に成長する工程と、
リッジのためのパターンを有するマスクを前記誘電体膜の上に形成する工程と、
前記マスクを用いて前記誘電体膜のエッチングを行って、誘電体マスクを形成する工程と、
前記誘電体マスクを用いて前記犠牲膜、前記金属膜、及び前記窒化物半導体領域を異方的エッチング法によりエッチングして、リフトオフ層、電極及びエッチングされた窒化物半導体領域を形成する工程と、
を備え、
前記金属膜は金層を含み、
前記犠牲膜は樹脂からなり、
前記犠牲膜の異方性エッチングにおけるエッチャントは酸素を含み、
前記窒化物半導体領域は活性層を含み、
前記エッチングされた窒化物半導体領域は半導体リッジを含む、窒化物半導体発光素子を作製する方法。 - 窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化物半導体領域の半極性主面の上に、金属膜、犠牲膜、及び誘電体膜を順に成長する工程と、
リッジのためのパターンを有するマスクを前記誘電体膜の上に形成する工程と、
前記マスクを用いて前記誘電体膜のエッチングを行って、誘電体マスクを形成する工程と、
前記誘電体マスクを用いて前記犠牲膜、前記金属膜、及び前記窒化物半導体領域を異方的エッチング法によりエッチングして、リフトオフ層、電極及びエッチングされた窒化物半導体領域を形成する工程と、
を備え、
前記金属膜はパラジウム層を含み、
前記犠牲膜は樹脂からなり、
前記犠牲膜の異方性エッチングにおけるエッチャントは、CF4、CHF3、CHF3/Arの少なくともいずれかを含み、
前記窒化物半導体領域は活性層を含み、
前記エッチングされた窒化物半導体領域は半導体リッジを含む、窒化物半導体発光素子を作製する方法。
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