JP3691934B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板を支持体とすると共に表裏両面にｎ型及びｐ型電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ或いはＬＥＤ等の発光デバイスとして、サファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスが用いられる。この種の発光デバイスにおいては、サファイア基板が絶縁性であると共に孔あけ加工が困難なために、ｎ型電極及びｐ型電極は同一面側に形成される。この場合、チップサイズが大きくなるため一枚のウエハより得られるデップ数が少なくなり、コストも増加する。また、電極の間隔を狭くできないためデバイス抵抗が高くなると共に、均−なキャリアの注入が困難となるため発光効率が悪い。また、電極間隔を狭くする場合には、電気的に短絡する恐れがある等の問題がある。
【０００３】
このような問題に対応するため、特開平７−２０２３２５号及び特開平７−２２１３４７号公報は、サファイア基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体多重層の上下面にｎ型及びｐ型電極を配設した発光デバイスを開示する。これらの公報に開示の発光デバイスの製造に際しては、先ず、サファイア基板上に、ｎ型及びｐ型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体多重層を積層する。次に、下面側からサファイア基板の一部を除去し、半導体多重層の下面を露出させる。次に、半導体多重層の上下面にｎ型及びｐ型電極を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の公報に開示の発光デバイスの製造方法においては、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体多重層を積層し、その後、電極を作成するための孔をサファイア基板に形成している。孔の加工は、ダイサー等による物理的加工技術や、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチング技術を用いイている。しかし、この場合、以下のような問題が生じる。先ず、ダイサー等の物理的加工技術を用いる場合、積層した窒化ガリウム系半導体層ヘダメージを与えずにサフアイア基板のみを制御性よくカットすることは実質的に不可能である。
【０００５】
また、ドライエッチングによりサファイアの加工を行なう場合、窒化ガリウム系半導体のエッチングを行なう場合のイオンエネルギーよりも大きくする必要がある。このため、物理的スパッタリングの寄与が大きくなり、サファイアと窒化ガリウム系半導体とのエッチングの選択性は低下してしまう。その結果、サファイア基板と窒化ガリウム系半導体層との界面でエッチングを制御性よく停止するのが困難となり、窒化ガリウム系半導体層にエッチング損傷をもたらす。
【０００６】
また、ドライエッチングやウエットエッチング等では、サファイアのエッチング速度が非常に遅い。このため、通常３５０μｍ以上の厚さのサファイア基板に、窒化ガリウム系半導体層への損傷を導入せずに孔をあけるのは実際上困難である。
【０００７】
以上のように、従来の技術では、サファイア基板の加工において、窒化ガリウム系半導体層へ損傷を与えてしまうため、デバイスの歩留まりの低下を招くと共に、デバイス特性の劣化が生じるという重大な問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、サファイア基板を支持体とすると共に表裏両面にｎ型及びｐ型電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいて、半導体層の損傷に起因するデバイスの歩留まりの低下や特性の劣化を防止することを可能とするデバイス構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、ほぼ矩形の平面形状を有し、この矩形の対向２辺において、上面から下面に貫通し且つ下方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝が形成されたサファイア基板と、
このサファイア基板に支持され、前記両側壁面に沿って形成された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する、ｎ型層及びｐ型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体多重層と、
この化合物半導体多重層の前記中央部分において、前記矩形の他の対向２辺に沿う端面に形成された端面ミラーと、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々接続された第１及び第２電極と、
を具備することを特徴とする。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記半導体多重層の前記中央部分の下面に対する前記両側壁面の角度は３０°〜９０゜であることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記溝は矩形の平面形状を有し、前記溝の対向する２辺に前記両側壁面が配設され、他の対向する２辺において前記半導体多重層がへき開面を有することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記サファイア基板および前記半導体多重層の間に形成されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記バッファ層は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４およびＳｉＣからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して貼り合わされた支持基板を有することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記支持基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮおよびＧａＡｓからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記半導体多重層が、前記溝外に位置し且つ前記中央部分及び前記両側部分と一体的に形成された外部部分を有し、前記支持基板が導電性で且つ前記半導体多重層の前記外部部分に接続され、前記第１電極が前記支持基板上に配設されることを特徴とする。
次に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法は、サファイア基板の第１面に、内方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝を形成する工程と、
前記溝を含む前記サファイア基板の前記第１面上に、ｎ型層及びｐ型層を含み、前記両側壁面に沿って配設された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する窒化ガリウム系化合物半導体多重層を形成する工程と、
前記サファイア基板の第２面から研磨し、前記溝が前記サファイア基板を貫通するまで前記サファイア基板を薄くする工程と、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々第１及び第２電極を形成する工程と、
前記化合物半導体多重層の前記中央部分の端面に端面ミラーを形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては、前記サファイア基板および前記半導体多重層の間にさらにバッファ層を形成する工程と、前記サファイア基板を研磨した後、このサファイア基板をマスクとして、前記バッファ層の少なくとも一部を除去する工程を具備することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては、前記溝の周囲に位置するように、前記サファイア基板の前記第１面にスリットを形成する工程と、前記スリットにより前記サファイア基板をへき開して前記デバイスを切出す工程とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては前記半導体多重層を形成した後で且つ前記サファイア基板を研磨する前に、前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して支持基板を貼り合わせる工程を具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１Ａ〜Ｄは本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１１】
先ず、図ＩＡ図示の如く、厚さ３５０μｍのサファイア基板１１の片面に深さ４０μｍの溝１１ａを形成する。溝１１ａは、例えば次の方法により形成することができる。
【００１２】
即ち、先ず、スパッタリングによりアモルファスカーポン（ａ−Ｃ）を１μｍ堆積し、続いて、フオトレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィによりフォトレジストバターンを作製する。次に、フオトレジストパターンをマスクとしてＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりａ−Ｃ層のエッチングを行い、パターンを転写する。
【００１３】
次に、ａ−Ｃ層をマスクにＣｌ２／Ａｒ混合ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）でサファイアのエッチングを行い、その後リン酸系のエッチャントによりドライエッチングによる損傷層を除去する。溝１１ａ形成後、ａ−Ｃ層をＯ ２ アッシャーにより除去する。このようにして形成された溝１１ａはテーバ状の側壁面１１ｂと平坦な底面１１ｃとから構成される。
【００１４】
なお、サファイア基板１１に溝１１ａを形成する方法は、ドライエッチングに限らず、ダイサー、超音波加工、研磨加工等の機械的加工方法、或いはレーザ加工法等の物理的な加工方法、その他どのような方法によってもよい。
【００１５】
次に、図ＩＢ図示の如く、溝１１ａを形成したサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤにより、例えばＡＩＮからなるバッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を順に積層する。バッフア層１２は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３は、バッファ層１２側から順に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３ａ、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層１３ｃ、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層１３ｄ、及びｐ−ＧａＮコンタクト層１３ｅからなる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の形成には、ＭＯＣＶＤに限らず、ＭＢＥ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００１６】
次に、図ＩＣ図示の如く、サファイア基板１１の、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を積層した面と反対側の而から、バッファ層１２が露出するまでサファイア基板１１を研磨加工する。サファイア基板１１が厚い場合には、荒い研磨粉を使用し、薄くなるに従い、徐々に粒の小さい研磨粉を使用する。バッファ層１２が露出する直前より、メカノケミカルな研磨を行うことにより、研磨による窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の損傷を小さくすることができる。
【００１７】
次に、Ｃ１２／Ａｒ混合ガスを用いてＲＩＢＥを行なった後、リン酸系のエッチャントによるウエットエッチングによりサファイア基板１１をマスクとしてバッファ層１２を除去する。ここで、ＲＩＢＥにおいてはサファイア基板１１をエッチングする条件より物理的スバッタリングの効果が小さく化学的効果の大きい条件でエッチングを行い、窒化ガリウム系化合物半導体多重層へのエッチング損傷を低減する。なお、バッファ層１２が導電性の層である場合には、バッファ層１２を全て除去する必要はなく、損傷を除去するために一部を除去するのみでもよい。
【００１８】
次に、図１Ｄ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３上に保護膜としてＳｉＯ ２ 酸化膜１４を形成し、更に、酸化膜１４の一部にコンタクトホール１４ａを形成する。次に、コンタクトホール１４ａを埋め込むようにｐ型電極１５を形成し、半導体多重層１３の上面にｐ型電極１５を接続する。また、サファイア基板１１の下面側にｎ型電極１６を形成し、半導体多重層１３の下面にｎ型電極１６を接統する。ｎ型電極１６は溝１１ａの底部のバッファ層１２が除去された部分においては、露出された窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のｎ−ＧａＮコンタクト層１３ａに接触する。
【００１９】
以上の方法により製造した本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、ｐ型電極１５とｎ型電極１６とがデバイスの表裏面上に配設され且つ半導体多重層１３を介して対向する構造となる。このため、電極１５、１６の間隔を狭くして、デバイス抵抗を低くすることができる。また、このような構造により、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３内のＩｎＧａＮ活性層１３ｃに対してキャリアを均一且つ効率的に注入することができる。
【００２０】
更に、ヒートシンクへのマウントに際して、サファイア基板１１を介さずに窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を直接ヒートシンクに接触させることができるため、デバイス特性の熱的な影響を最小に抑えることができる。また、発光デバイスの周囲に残るサファイア基板１１部分は、デバイスの保護や機械的強度を保つ役割をはたす。また、溝１１ａのデーパ側壁面１１ｂは溝１１ａの底面１ｌｃ上で発生した光を上方に集光する反射面として作用するため、半導体多重層１３の上面から発光するＬＥＤデバイスに適した構造となる。溝の幅が発光波長程度に狭い場合には、レーザ発光の横モードの制御構造にもなる。
【００２１】
ここで、留意すべきことは、本発明の発光デバイスの上記利点のいくつかが、発光デバイスの能動部として機能する半導体多重層１３の中央部分１８（図ＩＤ参照）が、サファイア基板１１の溝１１ａ内に、望ましくはサファイア基板１１の上下面内に収まるように配設されていることによりもたらされるということである。これは、溝１１ａが下方に向けて収束するように傾斜する両側壁面１ｌｂを有し、ここに、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の両側部分１９が支持されることにより可能となる。
【００２２】
もし、半導体多重層１３の中央部分１８の上面或いは下面（一般的にはこれら上下面は平行）に対する両側壁面１１ｂの角度θが大き過ぎると、半導体多重層１３の中央部分１８と両側部分との接続部の機械的強度が低下して割れが生じる可能性が高くなる。逆に、角度θが小さすぎると、半導体多重層１３の中央部分１８が溝１１ａから外部にとび出すため、発光デバイスの能動部が保護されなくなるとともに、単一の素子の幅が広くなりすぎる。従って、角度θは、望ましくは３０°〜９０゜に設定される。
【００２３】
図２は図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板１１を示す平面図である。サファイア基板１１上には２個の溝１１ａが形成され、また、それぞれの溝１１ａの両端部にはその幅方向（線IIIb-IIIbに沿った方向）にスリット２１が形成される。更に、溝１１ａの長手方向の両側に沿ってスリット２２が形成される。スリット２１、２２は、図ＩＤ図示の工程が完了した段階で、図２図示の如く、サファイア基板１１をスリット２１、２２に沿ってへき開すると、２個の独立した発光デバイスが得られるように形成される。
【００２４】
図３Ａは発光デバイスが形成された状態における図２の線III ａ−III ａに沿った断面図で、図３Ｂは図２及び図３Ａの線IIIb-IIIbに沿った断面図である。図３Ｂ図示の如く、線IIIb-IIIb 、即ち、スリット２１に沿ってサファイア基板１１が除去されるので、半導体多重層１３をへき開することにより、発光デバイス３１の両端面３１ａはレーザ共振器の端面ミラーとして作用する。従って上述の製造方法によれば、レーザ共振器の端面ミラーが容易に形成できる。
【００２５】
図４は図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板１１の変更例を示す斜視図である。サファイア基板１１上には６個の溝１１ａが平行に配列形成される。これらの溝１１ａは横方向の溝１１ｄの両側に３個ずつ配置される。このようなサファイア基板１１に対して、図ＩＡ−Ｄ図示の工程を施した後、ダイサー等により切断することにより、同一工程により６個の発光デバイスを一度に製造することができる。
【００２６】
図５はこのようにして完成した１個のデバイスを示す斜視図である。この発光デバイス５１は溝１１ａの長手方向の両端面５２、５３からレーザ光を発射する。なお、図５に示される端面５２は、図４の溝１１ｄに沿ってへき開することにより形成される。しかし、端面５２はドライエッチングや研磨により形成してもよい。他方、端面５３はドライエッチングにより形成される。即ち、エッチングマスクをサファイア基板１１の裏面側に形成した後、塩素を主体とするガスを用いたＲＩＢＥによりエッチングを行う。
【００２７】
図５図示の発光デバイス５１の周囲に残るサファイア基板１１部分は、デバイスの機械的強度を保つ役割を果たしている。また、端面５３部分にはサファイア基板１１との問に空間５４が形成されており、ここに、反射器、光変調器或いは受光器等の部品（図示せず）を収納することができる。また、サファイア基板１１上にはレンズ、反射器、導波路等の部品（図示せず）を形成することも可能である。
【００２８】
なお、上記実施の形態で示した窒化ガリウム系化合物半導体多重層の構造は一例にすぎず、本発明は窒化ガリウム系化合物半導体多重層の構造には依存しない。即ち、本発明は、例えば、ｐ層、ｎ層の積層順番が逆になり、あるいは、窒化ガリウム系化合物半導体多重層の組成が変わっても適用することができる。
【００２９】
図６Ａ−Ｃは本発明の別の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面斜視図である。
【００３０】
先ず、図１Ａ図示の工程において、サファイア基板１１上に発光デバイスを作り込むための溝１１ａを形成する際に、溝１１ａと平行に延びるように素子分離溝２５を溝１１ａ問に形成する。この際、素子分離溝２５が溝１１ａよりも、バッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の厚さ分だけ深くなるようにする。
【００３１】
次に、図１Ｂ図示の工程により、サファイア基板１１上記バッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を形成する。次に、図６Ａ図示の如く、半導体多重層１３上に重なるように、サファイア基板１１に第２の基板２６を貼り合わせる。第２の基板２６は、そのへき開が容易な方向が窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のへき開方向と−致するようにする。
【００３２】
次に、図６Ｂ図示の如く、サファイア基板１１を裏面側より薄くし、溝１１ａに形成されたバッファ層１２を露出させる。この際、素子分離溝２５は層１２、１３分だけ溝１１ａより深いため、サフアイア基板１１は素子分離溝２５で分断された状態となる。この工程において、例えば厚さ３５０μｍのサファイア基板１１の基板は約４０μｍまで薄くされる。しかし、第２の基板２６により、サファイア基板１１、バッファ層１２、及び半導体多重層１３が一体的に支持されているため、半導体多重層１３は、図１Ａ〜Ｄ図示の製造方法に比べて、より確実に保護される。また、この工程において、素子分離溝２５による開口を目印とすることにより、ザファイア基板１１を薄くしすぎて半導体多重層１３を傷つけるようなことがなく、作業を行なうことが可能となる。
【００３３】
次に、第２の基板２６の上面上に一方の電極１５、バッファ層１２（もし導電性であれば）の下面上に他方の電極１６を形成する。但し、バッファ層１２が導電性でない揚合は、更にバッファ層１２を削って半導体多重層１３を露出させた後、電極１６を形成する。また、上側の電極１５は、溝１１ａの外に位置する半導体多重層１３の外部部分に対して、導電性の第２の基板２６を介して接統されることとなる。
【００３４】
次に、素子分離溝２５に沿って第２の基板２６を切断し、図６Ｃ図示の如く、捧状の部分、即ち各半導体レーザ毎に切り離す。また、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のへき開方向に沿ってそのへき開を行い、レーザ共振器を完成する。なお、半導体多皿層１３のへき開方向と、第２の基板２６のへき開方向とは一致しているため、制御性よく共振器を作製することが可能となる。
【００３５】
なお、第２の基板２６が導電性でない揚合は、第２の基板をサファイア基板１１に貼り合わせる前に、溝１１ａ内で半導体多重層１３上に電極１５を予め設けるようにすればよい。
【００３６】
図７Ａ〜Ｇは本発明の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３７】
先ず、図７Ａ図示の如く、第１のサファイア基板６１にテーバ状のコンタクトホール６２を加工形成する。なお、サファイア基板６１にホール６２を形成する方法は、図ＩＡ図示の工程においてサファイア基板１１に溝１１ａを形成する方法と同様、コンタクトホール６２のサイズ、形状に応じて適切な方法を選択することができる。例えば、ダイサー、超音波加工、研磨加工等の機械的な加工方法、或いはレーザ加工法等の物理的な加工方法、或いはリン酸エッチヤントを用いたケミカルエッチング等の化学的な加工方法を使用することができる。
【００３８】
本参考例では、この工程において、先ず、厚さ３５０μｍの第１のサファイア基板６１を１５０μｍの厚さまで薄くする。次に、ダイシング加工レーザ加工及び超音波加工後、再び研磨加工を行い、サファイア基板６１に最小開口部の径若しくは幅が２０μｍのコンタクトホール６２を穿設する。
【００３９】
一方、例えばＡＩＮからなるバッファ層６３を積層した第２のサファイア基板６４を準備し、図７Ｂ図示の如く、第２のサファイア基板６４上に第１のサファイア基板をバッファ層６３をはさみ込むように貼り合わせる。次に、第１のサファイア基板６１上にＭＯＣＶＤにより例えばＧａＮからなる埋込み層６５を成長させ、コンタクトホール６２を埋め込む。なお、埋込み層６５の形成には、ＭＯＣＶＤに限らず、ＭＢＥ、ＥＢ蒸着、スバッタ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００４０】
次に、図７Ｃ図示の如く、リン酸系エッチャントによりバッファ層６３を選択的にエッチングし、第１のサファイア基板６１から第２のサファイア基板６４を剥がす。次に、第１のサファイア基板６１に成長形成された埋込み層６５をテーバ状のコンタクトホール６２部を除いて研磨除去する。
【００４１】
バッファ層６３及び埋込み層６５は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮ、ＡＩＮ、ＧａＡＩＮ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。但し、バッファ層６３は埋込み層６５に対して選択的にエッチング除去できる材料からなることが望ましい。また、バッファ層６３を積層した第２のサファイア基板６４の代わりに、バッファ層６３の材料単体からなる基板を第１のサファイア基板６１に貼り合わせるようにしてもよい。
【００４２】
次に、図７Ｄ図示の如く、サファイア基板６１を裏返しにし、その上に、ＭＯＣＶＤにより、例えばＧａＮからなるバッファ層６６及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を順に積層する。バッファ層６６は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮｓ、ＡｌＮｓ、ＧａＡｌＮｓ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡ１ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７は、バッファ層６６側から順に、ｎ−ＧａＮコンタクト層６７ａ、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層６７ｂ、ＩｎＧａＮ活性層６７ｃ、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層６７ｄ、一及びｐ−ＧａＮコンタクト層６７ｅからなる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７の成長はＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００４３】
次に、図７Ｅ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７上に保護膜としてＳｉＯ２酸化膜６８を形成し、更に、酸化膜６８の一部にコンタクトホール６８ａを形成する。次に、コンタクトホール６８ａを埋め込むようにｐ型電極６９を形成し、半導体多重層６７の上面にｐ型電極６９を接続する。
【００４４】
また、埋込み層６５を、ドライエッチング若しくはウエットエッチングにより、サファイア基板６１をマスクとしてエッチング除去する。そして、コンタクトホール６２を埋め込むようにｎ型電極７０を形成し、半導体多重層６７の下面にｎ型電極７０を接統する。このとき、バッファ層６６が導電性であれば、これを除去する必要はない。しかし、バッファ層６６が非導電性の場合には、図７Ｆ図示の如く、サファイア基板６１をマスクとして更にエッチングしてバッファ層６６を除去し、露出した半導体多重層６７の下面にコンタクトするように電極７０を形成する。また、埋込み層６５が導電性であれば、これを除去する必要はなく、図７Ｇ図示の如く、埋込み層６５の上に電極７０を作製することができる。
【００４５】
以上の方法により製造した本参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、ｐ型電極６９とｎ型電極７０とが、デバイスの表裏面上に配設され且つ半導体多重層６７を介して対向する構造となる。このため電極６９、７０の間隔を狭くして、デバイス抵抗を低くすることができる。また、窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７の要部はサファイア基板６１上でなく、コンタクトホール６２を埋めている埋込み層６５上に成長されるため、格子不整合の問題がなく高品質の結晶からなると考えられる。
【００４６】
また、前述したように、従来のデバイスでは、窒化ガリウム系化合物半導体多重層を形成した後、サファイア基板に孔を明け電極用のコンタクトホールを作製しているため、半導体多重層に加工損傷が導入され、コンタクト抵抗の増大等デバイス特性の低下を招くという問題がある。これに対して本実施の形態においては、コンタクトホールを最初に形成するため、窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を損傷することがなくなり、デバイス特性を従来のデバイスと比較して大幅に改善することができる。
【００４７】
なお、図７Ａ〜Ｇ図示の参考例では、サファイア基板６１に一つのコンタクトホール６２を開ける場合について説明したが、図８Ａ図示の如くストライプ状のコンタクトホール７１或いは図８Ｂ図示の如く平行な直線上に配列された複数個のコンタクトホール７２を穿設してもよい。図８Ｃは、図８Ａ及びＢの線VIIIｃ−VIIIc に沿った断面図である。同図においては図７Ａ〜Ｇ中の部分と対応する部分には同一番号を付して説明を省略する。
【００４８】
図９Ａ〜Ｄは本発明の更に別の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバィス）の製造方法を工程順に示す平面図及び断面図である。
【００４９】
図７Ａ〜Ｇ図示の参考例では、コンタクトホール６２の幅が２０μｍと比較的大きい場合について説明している。しかし、コンタクトホール６２の幅が１０μｍ以下、例えば５μｍ程度と狭く、バッファ層６の厚さと同程度の場合には、コンタクトホール６２を埋める必要がなくなる。
【００５０】
図９Ａ〜Ｄ図示の参考例はかかる観点に基づいたものである。
【００５１】
先ず、図９Ｂ図示の如く、サファイア基板８１に、基板面に垂直な壁面を有し且つ基板厚とほぼ同程度の幅のストライプ状のコンタクトホール８２を穿設する。コンタクトホール８２の平面形状は図９Ａ図示の通りである。
【００５２】
次に、図９Ｃ図示の如く、コンタクトホール８２を含むサファイア基板８１の面上にバッファ層６６及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を順に成長させる。この場合、コンタクトホール８２の幅が小さいため、バッフア層６６を成長させる際にコンタクトホール８２の上部まで成長が生じ、上面が平坦な膜を成長させることが可能となる。
【００５３】
次に、図９Ｄ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７上に保護膜としてＳｉ０２酸化膜６８を形成し、更に、酸化膜６８の一部にコンタクトホール６８ａを形成する。次に、コンタクトホール６８ａを埋め込むようにｐ型電極６９を形成し、半導体多重層６７の上面にｐ型電極６９を接続する。
【００５４】
また、サファイア基板８１の裏面側からコンタクトホール８２を通してバッファ層６６をエッチング除去し、露出した半導体多重層６７の下面にコンタクトするように電極７０を形成する。なお、このとき、バッフア層６６が導電性であれば、これを除去する必要はない。
【００５５】
以上の方法により製造した本参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、図７Ａ〜Ｇ図示の方法により製造した発光デバイスと同じ構造を有する。但し、コンタクトホール８２の面積が小さいため、コンタクトホール８２を複数個形成することが望ましい。
【００５６】
なお、本発明は、以上の実施の形態に示すストライプ構造のレーザのみならず、面発光レーザ、ＬＥＤ等の他の発光デバイスにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ａ〜Ｄは本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】 図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板を示す平面図である。
【図３】 Ａは発光デバイスが形成された状態における図２の線III ａ−III ａに沿った断面図、Ｂは図２及び図３Ａの線IIIb-IIIbに沿った断面図である。
【図４】 図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板の変更例を示す斜視図である。
【図５】 図４図示のサファイア基板を用いて完成した１個のデバイスを示す斜視図である。
【図６】 Ａ〜Ｃは本発明の別の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面斜視図である。
【図７】 Ａ〜Ｇは本発明の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】 Ａ、Ｂは図７Ａ〜Ｇ図示の製造方法の変更例を示す平面図、図８Ｃは、図８Ａ、Ｂの線VIIIｃ−VIIIｃに沿った断面図である。
【図９】 Ａ〜Ｄは本発明の更に別の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１１ サファイア基板
１１ａ 溝
１１ｂ 側壁面
１１ｃ 底面
１２ バッファ層
１３ 窒化ガリウム系化合物半導体多重層
１３ａ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１３ｂ ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層
１３ｃ ＩｎＧａＮ活性層
１４ ＳｉＯ２酸化膜
１４ａ コンタクトホール
１５ ｐ型電極
１６ ｎ型電極
１８ 中央部分
１９ 両側部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア基板を支持体とすると共に表裏両面にｎ型及びｐ型電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ或いはＬＥＤ等の発光デバイスとして、サファイア基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスが用いられる。この種の発光デバイスにおいては、サファイア基板が絶縁性であると共に孔あけ加工が困難なために、ｎ型電極及びｐ型電極は同一面側に形成される。この場合、チップサイズが大きくなるため一枚のウエハより得られるデップ数が少なくなり、コストも増加する。また、電極の間隔を狭くできないためデバイス抵抗が高くなると共に、均−なキャリアの注入が困難となるため発光効率が悪い。また、電極間隔を狭くする場合には、電気的に短絡する恐れがある等の問題がある。
【０００３】
このような問題に対応するため、特開平７−２０２３２５号及び特開平７−２２１３４７号公報は、サファイア基板上に積層された窒化ガリウム系化合物半導体多重層の上下面にｎ型及びｐ型電極を配設した発光デバイスを開示する。これらの公報に開示の発光デバイスの製造に際しては、先ず、サファイア基板上に、ｎ型及びｐ型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体多重層を積層する。次に、下面側からサファイア基板の一部を除去し、半導体多重層の下面を露出させる。次に、半導体多重層の上下面にｎ型及びｐ型電極を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の公報に開示の発光デバイスの製造方法においては、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体多重層を積層し、その後、電極を作成するための孔をサファイア基板に形成している。孔の加工は、ダイサー等による物理的加工技術や、ドライエッチングやウエットエッチング等のエッチング技術を用いイている。しかし、この場合、以下のような問題が生じる。先ず、ダイサー等の物理的加工技術を用いる場合、積層した窒化ガリウム系半導体層ヘダメージを与えずにサフアイア基板のみを制御性よくカットすることは実質的に不可能である。
【０００５】
また、ドライエッチングによりサファイアの加工を行なう場合、窒化ガリウム系半導体のエッチングを行なう場合のイオンエネルギーよりも大きくする必要がある。このため、物理的スパッタリングの寄与が大きくなり、サファイアと窒化ガリウム系半導体とのエッチングの選択性は低下してしまう。その結果、サファイア基板と窒化ガリウム系半導体層との界面でエッチングを制御性よく停止するのが困難となり、窒化ガリウム系半導体層にエッチング損傷をもたらす。
【０００６】
また、ドライエッチングやウエットエッチング等では、サファイアのエッチング速度が非常に遅い。このため、通常３５０μｍ以上の厚さのサファイア基板に、窒化ガリウム系半導体層への損傷を導入せずに孔をあけるのは実際上困難である。
【０００７】
以上のように、従来の技術では、サファイア基板の加工において、窒化ガリウム系半導体層へ損傷を与えてしまうため、デバイスの歩留まりの低下を招くと共に、デバイス特性の劣化が生じるという重大な問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、サファイア基板を支持体とすると共に表裏両面にｎ型及びｐ型電極を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいて、半導体層の損傷に起因するデバイスの歩留まりの低下や特性の劣化を防止することを可能とするデバイス構造およびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、ほぼ矩形の平面形状を有し、この矩形の対向２辺において、上面から下面に貫通し且つ下方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝が形成されたサファイア基板と、
このサファイア基板に支持され、前記両側壁面に沿って形成された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する、ｎ型層及びｐ型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体多重層と、
この化合物半導体多重層の前記中央部分において、前記矩形の他の対向２辺に沿う端面に形成された端面ミラーと、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々接続された第１及び第２電極と、
を具備することを特徴とする。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記半導体多重層の前記中央部分の下面に対する前記両側壁面の角度は３０°〜９０゜であることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記溝は矩形の平面形状を有し、前記溝の対向する２辺に前記両側壁面が配設され、他の対向する２辺において前記半導体多重層がへき開面を有することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記サファイア基板および前記半導体多重層の間に形成されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記バッファ層は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４およびＳｉＣからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して貼り合わされた支持基板を有することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記支持基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮおよびＧａＡｓからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスにおいては、前記半導体多重層が、前記溝外に位置し且つ前記中央部分及び前記両側部分と一体的に形成された外部部分を有し、前記支持基板が導電性で且つ前記半導体多重層の前記外部部分に接続され、前記第１電極が前記支持基板上に配設されることを特徴とする。
次に、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法は、サファイア基板の第１面に、内方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝を形成する工程と、
前記溝を含む前記サファイア基板の前記第１面上に、ｎ型層及びｐ型層を含み、前記両側壁面に沿って配設された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する窒化ガリウム系化合物半導体多重層を形成する工程と、
前記サファイア基板の第２面から研磨し、前記溝が前記サファイア基板を貫通するまで前記サファイア基板を薄くする工程と、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々第１及び第２電極を形成する工程と、
前記化合物半導体多重層の前記中央部分の端面に端面ミラーを形成する工程と、
を具備することを特徴とする。
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては、前記サファイア基板および前記半導体多重層の間にさらにバッファ層を形成する工程と、前記サファイア基板を研磨した後、このサファイア基板をマスクとして、前記バッファ層の少なくとも一部を除去する工程を具備することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては、前記溝の周囲に位置するように、前記サファイア基板の前記第１面にスリットを形成する工程と、前記スリットにより前記サファイア基板をへき開して前記デバイスを切出す工程とを具備することを特徴とする。
さらに、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法においては前記半導体多重層を形成した後で且つ前記サファイア基板を研磨する前に、前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して支持基板を貼り合わせる工程を具備することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１Ａ〜Ｄは本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１１】
先ず、図ＩＡ図示の如く、厚さ３５０μｍのサファイア基板１１の片面に深さ４０μｍの溝１１ａを形成する。溝１１ａは、例えば次の方法により形成することができる。
【００１２】
即ち、先ず、スパッタリングによりアモルファスカーポン（ａ−Ｃ）を１μｍ堆積し、続いて、フオトレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィによりフォトレジストバターンを作製する。次に、フオトレジストパターンをマスクとしてＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりａ−Ｃ層のエッチングを行い、パターンを転写する。
【００１３】
次に、ａ−Ｃ層をマスクにＣｌ２／Ａｒ混合ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）でサファイアのエッチングを行い、その後リン酸系のエッチャントによりドライエッチングによる損傷層を除去する。溝１１ａ形成後、ａ−Ｃ層をＯ ２ アッシャーにより除去する。このようにして形成された溝１１ａはテーバ状の側壁面１１ｂと平坦な底面１１ｃとから構成される。
【００１４】
なお、サファイア基板１１に溝１１ａを形成する方法は、ドライエッチングに限らず、ダイサー、超音波加工、研磨加工等の機械的加工方法、或いはレーザ加工法等の物理的な加工方法、その他どのような方法によってもよい。
【００１５】
次に、図ＩＢ図示の如く、溝１１ａを形成したサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤにより、例えばＡＩＮからなるバッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を順に積層する。バッフア層１２は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３は、バッファ層１２側から順に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１３ａ、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層１３ｃ、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層１３ｄ、及びｐ−ＧａＮコンタクト層１３ｅからなる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の形成には、ＭＯＣＶＤに限らず、ＭＢＥ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００１６】
次に、図ＩＣ図示の如く、サファイア基板１１の、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を積層した面と反対側の而から、バッファ層１２が露出するまでサファイア基板１１を研磨加工する。サファイア基板１１が厚い場合には、荒い研磨粉を使用し、薄くなるに従い、徐々に粒の小さい研磨粉を使用する。バッファ層１２が露出する直前より、メカノケミカルな研磨を行うことにより、研磨による窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の損傷を小さくすることができる。
【００１７】
次に、Ｃ１２／Ａｒ混合ガスを用いてＲＩＢＥを行なった後、リン酸系のエッチャントによるウエットエッチングによりサファイア基板１１をマスクとしてバッファ層１２を除去する。ここで、ＲＩＢＥにおいてはサファイア基板１１をエッチングする条件より物理的スバッタリングの効果が小さく化学的効果の大きい条件でエッチングを行い、窒化ガリウム系化合物半導体多重層へのエッチング損傷を低減する。なお、バッファ層１２が導電性の層である場合には、バッファ層１２を全て除去する必要はなく、損傷を除去するために一部を除去するのみでもよい。
【００１８】
次に、図１Ｄ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３上に保護膜としてＳｉＯ ２ 酸化膜１４を形成し、更に、酸化膜１４の一部にコンタクトホール１４ａを形成する。次に、コンタクトホール１４ａを埋め込むようにｐ型電極１５を形成し、半導体多重層１３の上面にｐ型電極１５を接続する。また、サファイア基板１１の下面側にｎ型電極１６を形成し、半導体多重層１３の下面にｎ型電極１６を接統する。ｎ型電極１６は溝１１ａの底部のバッファ層１２が除去された部分においては、露出された窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のｎ−ＧａＮコンタクト層１３ａに接触する。
【００１９】
以上の方法により製造した本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、ｐ型電極１５とｎ型電極１６とがデバイスの表裏面上に配設され且つ半導体多重層１３を介して対向する構造となる。このため、電極１５、１６の間隔を狭くして、デバイス抵抗を低くすることができる。また、このような構造により、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３内のＩｎＧａＮ活性層１３ｃに対してキャリアを均一且つ効率的に注入することができる。
【００２０】
更に、ヒートシンクへのマウントに際して、サファイア基板１１を介さずに窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を直接ヒートシンクに接触させることができるため、デバイス特性の熱的な影響を最小に抑えることができる。また、発光デバイスの周囲に残るサファイア基板１１部分は、デバイスの保護や機械的強度を保つ役割をはたす。また、溝１１ａのデーパ側壁面１１ｂは溝１１ａの底面１ｌｃ上で発生した光を上方に集光する反射面として作用するため、半導体多重層１３の上面から発光するＬＥＤデバイスに適した構造となる。溝の幅が発光波長程度に狭い場合には、レーザ発光の横モードの制御構造にもなる。
【００２１】
ここで、留意すべきことは、本発明の発光デバイスの上記利点のいくつかが、発光デバイスの能動部として機能する半導体多重層１３の中央部分１８（図ＩＤ参照）が、サファイア基板１１の溝１１ａ内に、望ましくはサファイア基板１１の上下面内に収まるように配設されていることによりもたらされるということである。これは、溝１１ａが下方に向けて収束するように傾斜する両側壁面１ｌｂを有し、ここに、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の両側部分１９が支持されることにより可能となる。
【００２２】
もし、半導体多重層１３の中央部分１８の上面或いは下面（一般的にはこれら上下面は平行）に対する両側壁面１１ｂの角度θが大き過ぎると、半導体多重層１３の中央部分１８と両側部分との接続部の機械的強度が低下して割れが生じる可能性が高くなる。逆に、角度θが小さすぎると、半導体多重層１３の中央部分１８が溝１１ａから外部にとび出すため、発光デバイスの能動部が保護されなくなるとともに、単一の素子の幅が広くなりすぎる。従って、角度θは、望ましくは３０°〜９０゜に設定される。
【００２３】
図２は図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板１１を示す平面図である。サファイア基板１１上には２個の溝１１ａが形成され、また、それぞれの溝１１ａの両端部にはその幅方向（線IIIb-IIIbに沿った方向）にスリット２１が形成される。更に、溝１１ａの長手方向の両側に沿ってスリット２２が形成される。スリット２１、２２は、図ＩＤ図示の工程が完了した段階で、図２図示の如く、サファイア基板１１をスリット２１、２２に沿ってへき開すると、２個の独立した発光デバイスが得られるように形成される。
【００２４】
図３Ａは発光デバイスが形成された状態における図２の線III ａ−III ａに沿った断面図で、図３Ｂは図２及び図３Ａの線IIIb-IIIbに沿った断面図である。図３Ｂ図示の如く、線IIIb-IIIb 、即ち、スリット２１に沿ってサファイア基板１１が除去されるので、半導体多重層１３をへき開することにより、発光デバイス３１の両端面３１ａはレーザ共振器の端面ミラーとして作用する。従って上述の製造方法によれば、レーザ共振器の端面ミラーが容易に形成できる。
【００２５】
図４は図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板１１の変更例を示す斜視図である。サファイア基板１１上には６個の溝１１ａが平行に配列形成される。これらの溝１１ａは横方向の溝１１ｄの両側に３個ずつ配置される。このようなサファイア基板１１に対して、図ＩＡ−Ｄ図示の工程を施した後、ダイサー等により切断することにより、同一工程により６個の発光デバイスを一度に製造することができる。
【００２６】
図５はこのようにして完成した１個のデバイスを示す斜視図である。この発光デバイス５１は溝１１ａの長手方向の両端面５２、５３からレーザ光を発射する。なお、図５に示される端面５２は、図４の溝１１ｄに沿ってへき開することにより形成される。しかし、端面５２はドライエッチングや研磨により形成してもよい。他方、端面５３はドライエッチングにより形成される。即ち、エッチングマスクをサファイア基板１１の裏面側に形成した後、塩素を主体とするガスを用いたＲＩＢＥによりエッチングを行う。
【００２７】
図５図示の発光デバイス５１の周囲に残るサファイア基板１１部分は、デバイスの機械的強度を保つ役割を果たしている。また、端面５３部分にはサファイア基板１１との問に空間５４が形成されており、ここに、反射器、光変調器或いは受光器等の部品（図示せず）を収納することができる。また、サファイア基板１１上にはレンズ、反射器、導波路等の部品（図示せず）を形成することも可能である。
【００２８】
なお、上記実施の形態で示した窒化ガリウム系化合物半導体多重層の構造は一例にすぎず、本発明は窒化ガリウム系化合物半導体多重層の構造には依存しない。即ち、本発明は、例えば、ｐ層、ｎ層の積層順番が逆になり、あるいは、窒化ガリウム系化合物半導体多重層の組成が変わっても適用することができる。
【００２９】
図６Ａ−Ｃは本発明の別の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面斜視図である。
【００３０】
先ず、図１Ａ図示の工程において、サファイア基板１１上に発光デバイスを作り込むための溝１１ａを形成する際に、溝１１ａと平行に延びるように素子分離溝２５を溝１１ａ問に形成する。この際、素子分離溝２５が溝１１ａよりも、バッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３の厚さ分だけ深くなるようにする。
【００３１】
次に、図１Ｂ図示の工程により、サファイア基板１１上記バッファ層１２及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３を形成する。次に、図６Ａ図示の如く、半導体多重層１３上に重なるように、サファイア基板１１に第２の基板２６を貼り合わせる。第２の基板２６は、そのへき開が容易な方向が窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のへき開方向と−致するようにする。
【００３２】
次に、図６Ｂ図示の如く、サファイア基板１１を裏面側より薄くし、溝１１ａに形成されたバッファ層１２を露出させる。この際、素子分離溝２５は層１２、１３分だけ溝１１ａより深いため、サフアイア基板１１は素子分離溝２５で分断された状態となる。この工程において、例えば厚さ３５０μｍのサファイア基板１１の基板は約４０μｍまで薄くされる。しかし、第２の基板２６により、サファイア基板１１、バッファ層１２、及び半導体多重層１３が一体的に支持されているため、半導体多重層１３は、図１Ａ〜Ｄ図示の製造方法に比べて、より確実に保護される。また、この工程において、素子分離溝２５による開口を目印とすることにより、ザファイア基板１１を薄くしすぎて半導体多重層１３を傷つけるようなことがなく、作業を行なうことが可能となる。
【００３３】
次に、第２の基板２６の上面上に一方の電極１５、バッファ層１２（もし導電性であれば）の下面上に他方の電極１６を形成する。但し、バッファ層１２が導電性でない揚合は、更にバッファ層１２を削って半導体多重層１３を露出させた後、電極１６を形成する。また、上側の電極１５は、溝１１ａの外に位置する半導体多重層１３の外部部分に対して、導電性の第２の基板２６を介して接統されることとなる。
【００３４】
次に、素子分離溝２５に沿って第２の基板２６を切断し、図６Ｃ図示の如く、捧状の部分、即ち各半導体レーザ毎に切り離す。また、窒化ガリウム系化合物半導体多重層１３のへき開方向に沿ってそのへき開を行い、レーザ共振器を完成する。なお、半導体多皿層１３のへき開方向と、第２の基板２６のへき開方向とは一致しているため、制御性よく共振器を作製することが可能となる。
【００３５】
なお、第２の基板２６が導電性でない揚合は、第２の基板をサファイア基板１１に貼り合わせる前に、溝１１ａ内で半導体多重層１３上に電極１５を予め設けるようにすればよい。
【００３６】
図７Ａ〜Ｇは本発明の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３７】
先ず、図７Ａ図示の如く、第１のサファイア基板６１にテーバ状のコンタクトホール６２を加工形成する。なお、サファイア基板６１にホール６２を形成する方法は、図ＩＡ図示の工程においてサファイア基板１１に溝１１ａを形成する方法と同様、コンタクトホール６２のサイズ、形状に応じて適切な方法を選択することができる。例えば、ダイサー、超音波加工、研磨加工等の機械的な加工方法、或いはレーザ加工法等の物理的な加工方法、或いはリン酸エッチヤントを用いたケミカルエッチング等の化学的な加工方法を使用することができる。
【００３８】
本参考例では、この工程において、先ず、厚さ３５０μｍの第１のサファイア基板６１を１５０μｍの厚さまで薄くする。次に、ダイシング加工レーザ加工及び超音波加工後、再び研磨加工を行い、サファイア基板６１に最小開口部の径若しくは幅が２０μｍのコンタクトホール６２を穿設する。
【００３９】
一方、例えばＡＩＮからなるバッファ層６３を積層した第２のサファイア基板６４を準備し、図７Ｂ図示の如く、第２のサファイア基板６４上に第１のサファイア基板をバッファ層６３をはさみ込むように貼り合わせる。次に、第１のサファイア基板６１上にＭＯＣＶＤにより例えばＧａＮからなる埋込み層６５を成長させ、コンタクトホール６２を埋め込む。なお、埋込み層６５の形成には、ＭＯＣＶＤに限らず、ＭＢＥ、ＥＢ蒸着、スバッタ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００４０】
次に、図７Ｃ図示の如く、リン酸系エッチャントによりバッファ層６３を選択的にエッチングし、第１のサファイア基板６１から第２のサファイア基板６４を剥がす。次に、第１のサファイア基板６１に成長形成された埋込み層６５をテーバ状のコンタクトホール６２部を除いて研磨除去する。
【００４１】
バッファ層６３及び埋込み層６５は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮ、ＡＩＮ、ＧａＡＩＮ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡｌ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。但し、バッファ層６３は埋込み層６５に対して選択的にエッチング除去できる材料からなることが望ましい。また、バッファ層６３を積層した第２のサファイア基板６４の代わりに、バッファ層６３の材料単体からなる基板を第１のサファイア基板６１に貼り合わせるようにしてもよい。
【００４２】
次に、図７Ｄ図示の如く、サファイア基板６１を裏返しにし、その上に、ＭＯＣＶＤにより、例えばＧａＮからなるバッファ層６６及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を順に積層する。バッファ層６６は、窒化ガリウム系化合物半導体と格子定数の極めて近い導電性若しくは非導電性の材料、例えばＺｎＯ、ＧａＮｓ、ＡｌＮｓ、ＧａＡｌＮｓ、ＬｉＡ１Ｏ ２ 、ＬｉＧａＯ ２ 、ＭｇＡ１ ２ Ｏ ４ 、ＳｉＣ等から形成することができる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７は、バッファ層６６側から順に、ｎ−ＧａＮコンタクト層６７ａ、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層６７ｂ、ＩｎＧａＮ活性層６７ｃ、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層６７ｄ、一及びｐ−ＧａＮコンタクト層６７ｅからなる。窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７の成長はＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ等の他の結晶成長法を用いてもよい。
【００４３】
次に、図７Ｅ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７上に保護膜としてＳｉＯ２酸化膜６８を形成し、更に、酸化膜６８の一部にコンタクトホール６８ａを形成する。次に、コンタクトホール６８ａを埋め込むようにｐ型電極６９を形成し、半導体多重層６７の上面にｐ型電極６９を接続する。
【００４４】
また、埋込み層６５を、ドライエッチング若しくはウエットエッチングにより、サファイア基板６１をマスクとしてエッチング除去する。そして、コンタクトホール６２を埋め込むようにｎ型電極７０を形成し、半導体多重層６７の下面にｎ型電極７０を接統する。このとき、バッファ層６６が導電性であれば、これを除去する必要はない。しかし、バッファ層６６が非導電性の場合には、図７Ｆ図示の如く、サファイア基板６１をマスクとして更にエッチングしてバッファ層６６を除去し、露出した半導体多重層６７の下面にコンタクトするように電極７０を形成する。また、埋込み層６５が導電性であれば、これを除去する必要はなく、図７Ｇ図示の如く、埋込み層６５の上に電極７０を作製することができる。
【００４５】
以上の方法により製造した本参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、ｐ型電極６９とｎ型電極７０とが、デバイスの表裏面上に配設され且つ半導体多重層６７を介して対向する構造となる。このため電極６９、７０の間隔を狭くして、デバイス抵抗を低くすることができる。また、窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７の要部はサファイア基板６１上でなく、コンタクトホール６２を埋めている埋込み層６５上に成長されるため、格子不整合の問題がなく高品質の結晶からなると考えられる。
【００４６】
また、前述したように、従来のデバイスでは、窒化ガリウム系化合物半導体多重層を形成した後、サファイア基板に孔を明け電極用のコンタクトホールを作製しているため、半導体多重層に加工損傷が導入され、コンタクト抵抗の増大等デバイス特性の低下を招くという問題がある。これに対して本実施の形態においては、コンタクトホールを最初に形成するため、窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を損傷することがなくなり、デバイス特性を従来のデバイスと比較して大幅に改善することができる。
【００４７】
なお、図７Ａ〜Ｇ図示の参考例では、サファイア基板６１に一つのコンタクトホール６２を開ける場合について説明したが、図８Ａ図示の如くストライプ状のコンタクトホール７１或いは図８Ｂ図示の如く平行な直線上に配列された複数個のコンタクトホール７２を穿設してもよい。図８Ｃは、図８Ａ及びＢの線VIIIｃ−VIIIc に沿った断面図である。同図においては図７Ａ〜Ｇ中の部分と対応する部分には同一番号を付して説明を省略する。
【００４８】
図９Ａ〜Ｄは本発明の更に別の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバィス）の製造方法を工程順に示す平面図及び断面図である。
【００４９】
図７Ａ〜Ｇ図示の参考例では、コンタクトホール６２の幅が２０μｍと比較的大きい場合について説明している。しかし、コンタクトホール６２の幅が１０μｍ以下、例えば５μｍ程度と狭く、バッファ層６の厚さと同程度の場合には、コンタクトホール６２を埋める必要がなくなる。
【００５０】
図９Ａ〜Ｄ図示の参考例はかかる観点に基づいたものである。
【００５１】
先ず、図９Ｂ図示の如く、サファイア基板８１に、基板面に垂直な壁面を有し且つ基板厚とほぼ同程度の幅のストライプ状のコンタクトホール８２を穿設する。コンタクトホール８２の平面形状は図９Ａ図示の通りである。
【００５２】
次に、図９Ｃ図示の如く、コンタクトホール８２を含むサファイア基板８１の面上にバッファ層６６及び窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７を順に成長させる。この場合、コンタクトホール８２の幅が小さいため、バッフア層６６を成長させる際にコンタクトホール８２の上部まで成長が生じ、上面が平坦な膜を成長させることが可能となる。
【００５３】
次に、図９Ｄ図示の如く、積層した窒化ガリウム系化合物半導体多重層６７上に保護膜としてＳｉ０２酸化膜６８を形成し、更に、酸化膜６８の一部にコンタクトホール６８ａを形成する。次に、コンタクトホール６８ａを埋め込むようにｐ型電極６９を形成し、半導体多重層６７の上面にｐ型電極６９を接続する。
【００５４】
また、サファイア基板８１の裏面側からコンタクトホール８２を通してバッファ層６６をエッチング除去し、露出した半導体多重層６７の下面にコンタクトするように電極７０を形成する。なお、このとき、バッフア層６６が導電性であれば、これを除去する必要はない。
【００５５】
以上の方法により製造した本参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスは、図７Ａ〜Ｇ図示の方法により製造した発光デバイスと同じ構造を有する。但し、コンタクトホール８２の面積が小さいため、コンタクトホール８２を複数個形成することが望ましい。
【００５６】
なお、本発明は、以上の実施の形態に示すストライプ構造のレーザのみならず、面発光レーザ、ＬＥＤ等の他の発光デバイスにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ａ〜Ｄは本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】 図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板を示す平面図である。
【図３】 Ａは発光デバイスが形成された状態における図２の線III ａ−III ａに沿った断面図、Ｂは図２及び図３Ａの線IIIb-IIIbに沿った断面図である。
【図４】 図１Ａ図示の工程完了時におけるサファイア基板の変更例を示す斜視図である。
【図５】 図４図示のサファイア基板を用いて完成した１個のデバイスを示す斜視図である。
【図６】 Ａ〜Ｃは本発明の別の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面斜視図である。
【図７】 Ａ〜Ｇは本発明の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図８】 Ａ、Ｂは図７Ａ〜Ｇ図示の製造方法の変更例を示す平面図、図８Ｃは、図８Ａ、Ｂの線VIIIｃ−VIIIｃに沿った断面図である。
【図９】 Ａ〜Ｄは本発明の更に別の参考例に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ（発光デバイス）の製造方法を工程順に示す平面図及び断面図である。
【符号の説明】
１１ サファイア基板
１１ａ 溝
１１ｂ 側壁面
１１ｃ 底面
１２ バッファ層
１３ 窒化ガリウム系化合物半導体多重層
１３ａ ｎ−ＧａＮコンタクト層
１３ｂ ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層
１３ｃ ＩｎＧａＮ活性層
１４ ＳｉＯ２酸化膜
１４ａ コンタクトホール
１５ ｐ型電極
１６ ｎ型電極
１８ 中央部分
１９ 両側部分
Claims (12)
- ほぼ矩形の平面形状を有し、この矩形の対向２辺において、上面から下面に貫通し且つ下方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝が形成されたサファイア基板と、
このサファイア基板に支持され、前記両側壁面に沿って形成された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する、ｎ型層及びｐ型層を含む窒化ガリウム系化合物半導体多重層と、
この化合物半導体多重層の前記中央部分において、前記矩形の他の対向２辺に沿う端面に形成された端面ミラーと、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々接続された第１及び第２電極と、
を具備することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。 - 前記半導体多重層の前記中央部分の下面に対する前記両側壁面の角度は３０°〜９０゜であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記溝は矩形の平面形状を有し、前記溝の対向する２辺に前記両側壁面が配設され、他の対向する２辺において前記半導体多重層がへき開面を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記サファイア基板および前記半導体多重層の間に形成されたバッファ層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記バッファ層は、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＭｇＡｌ２Ｏ４およびＳｉＣからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して貼り合わされた支持基板を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記支持基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮおよびＧａＡｓからなるグループから選択された物質からなることを特徴とする請求項６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- 前記半導体多重層が、前記溝外に位置し且つ前記中央部分及び前記両側部分と一体的に形成された外部部分を有し、前記支持基板が導電性で且つ前記半導体多重層の前記外部部分に接続され、前記第１電極が前記支持基板上に配設されることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイス。
- サファイア基板の第１面に、内方に向かって収束するように傾斜する両側壁面を有する溝を形成する工程と、
前記溝を含む前記サファイア基板の前記第１面上に、ｎ型層及びｐ型層を含み、前記両側壁面に沿って配設された両側部分および前記両側部分の間に位置し且つ前記両側部分と一体的に形成された中央部分とを有する窒化ガリウム系化合物半導体多重層を形成する工程と、
前記サファイア基板の第２面から研磨し、前記溝が前記サファイア基板を貫通するまで前記サファイア基板を薄くする工程と、
前記デバイスの上下に位置するように、前記半導体多重層の上下面に夫々第１及び第２電極を形成する工程と、
前記化合物半導体多重層の前記中央部分の端面に端面ミラーを形成する工程と、
を具備することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法。 - 前記サファイア基板および前記半導体多重層の間にさらにバッファ層を形成する工程と、前記サファイア基板を研磨した後、このサファイア基板をマスクとして、前記バッファ層の少なくとも一部を除去する工程を具備することを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法。
- 前記溝の周囲に位置するように、前記サファイア基板の前記第１面にスリットを形成する工程と、前記スリットにより前記サファイア基板をへき開して前記デバイスを切出す工程とを具備することを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法。
- 前記半導体多重層を形成した後で且つ前記サファイア基板を研磨する前に、前記溝を覆うように、前記サファイア基板に対して支持基板を貼り合わせる工程を具備することを特徴とする請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光デバイスの製造方法。
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