JP3740269B2 - 半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置の製造方法に関し、特にシリコン基板上に化合物半導体膜を形成して半導体発光素子を形成する半導体発光装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えばページプリンタ用感光ドラムの露光用光源として発光素子をアレイ状に並べた半導体発光装置が用いられている。
【0003】
このような半導体発光素子を形成するための基板としては、強度、熱伝導率、価格などの点からシリコン(Si)が適している。また、発光素子としては、発光効率のよいガリウム砒素(GaAs)やアルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)等の化合物半導体が適している。
【0004】
シリコン基板上に化合物半導体層で構成される発光素子を形成するには、シリコン基板の一主面に化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させて、そのエピタキシャル層の不要部分をフォトリソグラフィーなどで除去して発光素子を形成するが、それら半導体結晶をリアクター内部で高温下にシリコン基板の表面全面にエピタキシャル成長させた後に室温まで低下させると、シリコン基板とガリウム砒素などの化合物半導体層とは熱膨張係数が異なるため、シリコン基板に反りが生じたり、半導体結晶層にクラック(微細な亀裂)が発生したり、発光素子を形成した場合には発光効率が低下するという問題がある。
【0005】
すなわち、シリコン基板上にガリウム砒素層を形成すると、1×109 dyne/cm2 程度の引っ張り応力が発生し、厚み2μm(2×10-4cm)のガリウム砒素層を堆積したとすると、このシリコン基板とガリウム砒素層には、1×109 dyne/cm2 ×(2×10-4cm)=2×105 dyne/cmの絶対応力(全応力)が存在し、膜厚の薄いガリウム砒素層にクラックが発生したり、ガリウム砒素中に残留する内部応力に起因して発光素子としての寿命が短くなるという問題を誘発する。
【0006】
このような問題を解決するために、シリコン基板表面の大部分を例えば酸化シリコン膜などで被覆して、発光素子を形成する領域だけを露出させ、この発光素子を形成する領域だけに半導体結晶層をエピタキシャル成長させることも考えられるが、このように当初から発光素子を形成する個々の領域のみに半導体結晶層を成長させると、半導体結晶の形状依存性により結晶性が悪くなるという問題を誘発する。すなわち、半導体結晶層のエッジ部では中央部とは応力状態が異なることから、当初から個々の領域に多数の半導体結晶層を形成すると、応力状態の不均一な部分が多くなり、結晶性、特に選択領域の外周部の結晶性が悪くなり、発光素子の発光効率が低下する。
【0007】
また、複数の発光素子を形成する比較的広い領域毎に、酸化シリコン膜の露出部を形成するなどして、酸化シリコン膜の露出部を広面積に形成すると、この露出部に形成した半導体結晶層には、発光素子を形成する領域にもクラックが発生し、発光特性を劣化させるという問題があった。
【0008】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、このような従来方法の問題点に鑑みてなされたものであり、基板上に形成した化合物半導体膜のうち、発光素子を形成する領域にクラックが発生することを極力防止した半導体発光装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体発光装置の製造方法は、シリコン基板上に、このシリコン基板の表面が矩形状に露出されるように窒化シリコンもしくは酸化シリコンを格子状に形成し、この格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近を除去した切除部を設け、前記矩形状に露出されたシリコン基板表面および、前記格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近の除去によって露出された前記切除部のシリコン基板表面に、残存する窒化シリコンもしくは酸化シリコンをマスクとした選択成長により半導体結晶層を形成し、前記矩形状部内の半導体結晶層を、前記切除部を結ぶとともに前記格子状の線に沿った領域を境界として複数の島状部に分割して、この島状部に発光素子を形成するようにした。
【0010】
【作用】
上記のように構成すると、半導体結晶層のうち、窒化シリコン膜もしくは酸化シリコン膜から成る格子状部の切除部と切除部を結ぶライン状に応力が集中してクラックが発生し、このクラック部分で半導体結晶層中の内部応力を緩和することができ、もって発光素子を形成するための領域には、クラックが発生せず、しかも発光領域部分の内部応力も極力低減でき、ひいては発光効率の高い発光素子を有する半導体発光装置を形成できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図1は本発明の方法により製造される発光素子部分の断面図あり、1はシリコン基板、2〜7は半導体結晶層である。
【0012】
シリコン基板1の表面側1aに島状の半導体結晶層2〜7が形成されている。この島状の半導体結晶層2〜7は、例えばガリウム砒素(GaAs)、ガリウム砒素リン(GaAsP)、ガリウムリン(GaP)などのバッファー層2、ガリウム砒素(GaAs)、ガリウム砒素リン(GaAsP)、ガリウムリン(GaP)などのn型のオーミックコンタクト層3、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、ガリウム砒素リン等のn型の電子注入層4、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)、インジウムガリウム砒素、ガリウム砒素リン等のp型の発光層5、ガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素(AlGaAs)、インジウムガリウム砒素、ガリウム砒素リン等のp型のクラッド層6、およびドーパントの多いp型のオーミックコンタクト層7とで構成される。このn型の電子注入層4とp型の発光層5とで半導体接合部が形成される。また、半導体結晶層2〜7はパシベーション膜8により覆われている。そして、ドーパントの多いn型のオーミックコンタクト層3とp型のオーミックコンタクト層7とにアノード電極9とカソード電極10が接続して形成される。このアノード電極9とカソード電極10は、例えばクロムや金(Cr/Au)などで形成される。上述の島状の半導体結晶層2〜7とアノード電極9とカソード電極10とで一つの発光素子が形成され、このような多数の発光素子を列状に並べて形成して発光装置を得る。
【0013】
このように構成された半導体発光素子の動作を説明すると、アノード電極9からカソード電極10に向けて順バイアス方向に電流を流すと、p型を呈する電子注入層4から、発光層5へ少数キャリアが注入され、電子注入層4と発光層5との界面である半導体接合部の発光層5側の界面にて、キャリアが再結合して発光する。発光した光は、クラッド層6、P型のオーミックコンタクト層7、およびパシベーション膜8を通って、外部へ取り出される。
【0014】
このような半導体発光素子の製造方法を図2〜図5に基づいて説明する。まず、図2(a)に示すように、シリコン基板1の表面側1aと裏面側1bの全面に、酸化シリコン膜11、12を熱酸化法により形成する(図2(b))。具体的には、シリコン基板1を1100℃〜1150℃の酸素(O2 )雰囲気中において約60分間酸化処理することで、厚さ1500Å〜10000Åの酸化シリコン膜11、12を形成する。なお、シリコン基板1としては、例えば(100)面を< 011> 方向に2〜7°オフして切り出した単結晶シリコン基板などが好適に用いられる。
【0015】
次に、シリコン基板1の表面側1aに形成された酸化シリコン膜11の一部をエッチングにより除去し、図3に示すような格子状で交点部およびその付近14が切除されたパターンに形成する。これによりシリコン基板1の表面側1aに、酸化シリコン膜11の格子状部13で囲まれたシリコン基板1の露出した矩形状部15が形成される(図2(c))。この露出した矩形状部15に、図2(d)に示すように、エピタキシャル法などによって半導体結晶層2〜7を成長させる。半導体結晶層2〜7の成長法としては、例えば有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などを用いる。
【0016】
図3は、シリコン基板1の表面側に形成された酸化シリコン膜11の一部を除去することで形成されたマスクを平面視した形状を示す。酸化シリコン膜11は格子状13に形成され、この格子状13の交点部およびその付近14は切除されている。この酸化シリコン膜11は、発光素子が形成される領域の周辺部に形成される。このようなシリコン基板1の表面に、ガリウム砒素層などをエピタキシャル成長させると、シリコンの面方位に連続してガリウム砒素などの単結晶層2〜7を成長させることができるが、この単結晶層2〜7は格子状部13の切除部14では連続していることから、この切除部14を結ぶ部分がライン状に応力が大きくなって、図4に示すように、切除部14を結ぶ線状にクラックKが多数発生する。この領域にクラックKが発生すると、半導体結晶層2〜7の他の部分の内部応力は解放され、他の部分にクラックKが入ることが防止される。したがって、発光素子が形成される領域Lのガリウム砒素の結晶性は非常に良好なものとなる。
【0017】
矩形状部15は、その対向する二辺がシリコン基板1における<001>方向に位置し、他の対向する二辺が<010>方向に位置するように形成されることが望ましい。このような方向に矩形状部15を形成すると、この方向にクラックKを発生させることができ、後に形成する島状半導体層のメサ部ともマッチングする。
【0018】
この酸化シリコン膜11は、図3に示す幅Aを20μm以上にすることが望ましい。すなわち、酸化シリコン膜11を形成したシリコン基板1上に、ガリウム砒素などの化合物半導体膜2〜7をエピタキシャル成長させると、シリコン基板1の露出部分15には化合物半導体膜2〜3が堆積するが、酸化シリコン膜11上には化合物半導体膜2〜7は堆積しない。ところが、化合物半導体膜2〜7の厚みが酸化シリコン膜11の厚み以上になると、化合物半導体膜2〜7は、酸化シリコン膜11上を覆うように横方向に成長しはじめる。このとき、酸化シリコン膜11の幅が20μm以下であると、両方向から成長した化合物半導体膜2〜7が酸化シリコン膜11上で合体し、酸化シリコン膜11上を完全に覆って連続した膜になる。したがって、酸化シリコン膜11で、化合物半導体膜2〜7を非連続とするために、酸化シリコン膜11の幅は20μm以上とする。
【0019】
酸化シリコン膜11の長さBは5400μm程度に形成される。この矩形状部内に1チップ分の発光素子が形成され、この長さB内に64ドット(300dpi)もしくは128ドット(600dpi)で形成するときの必要寸法である。
【0020】
また、切除部14の間隔Cは38μm程度に形成される。この部分はダイシングされる部分であるが、酸化シリコン膜の幅Aを除いて最大限に取れる寸法である。
【0021】
寸法Dはウェハーからのチップの取り数を決めるので小さい方が望ましいが、470μm程度に形成される。
【0022】
寸法Eは素子の縦方向の有効寸法を考慮して決定されるが、できるだけ広くしてクラックKの入る領域を広げるのが望ましい。150μmであれば、470−20−(2*150)=150となり、素子の縦方向の必要寸法も充分にとれる。素子の縦方向の必要寸法は、原理的には600dpiで素子の縦の長さが37μmでメサエッチングを考慮して86μmあればよいが、150μmあれば充分である。
【0023】
なお、シリコン基板1の表面側における発光素子を形成する領域Lの近傍には電極が形成されるため、半導体結晶層2〜7を成長させる必要はなく、酸化シリコン膜11により覆うことも可能である。しかし、発光素子を形成する領域Lに半導体結晶層2〜7を成長させる際に、その近傍にも半導体結晶層2〜7を成長させないと、シリコン基板1上において半導体結晶層2〜7が成長する部分の面積が小さくなりすぎて、酸化シリコン膜11上に半導体結晶が成長する。そのような酸化シリコン膜11上に成長した半導体結晶は結晶性が悪く、発光素子を形成する領域Lのエピタキシャル層の結晶性を悪化させる。したがって、隣接する領域にも同様な格子状部を連続して設け、この格子状部13の切除部14を結ぶ線状にクラックKを生じさせることが望ましい。
【0024】
次に、図5に示すように、酸化シリコン膜11を切除すると共に、格子状部13内に成長した半導体結晶層2〜7を長手方向間に間隔をおいて複数部分に分離することで半導体結晶層2〜7を分離する。この分離は、例えばフォトエッチングにより行う。しかる後、図1に示すようなパシベーション層8、カソード電極9、およびアノード電極10を順次形成して発光素子が完成する。
【0025】
なお、上記実施形態では、格子状部13を酸化シリコン膜11で形成することについて述べたが、窒化シリコン膜で形成してもよい。この場合は、プラズマCVD法などで形成して、フォトエッチングにより矩形状にパターニングすればよい。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る半導体発光素子の製造方法によれば、シリコン基板上に、このシリコン基板の表面が矩形状に露出されるように窒化シリコンもしくは酸化シリコンを格子状に形成し、この格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近を除去した切除部を設け、前記矩形状に露出されたシリコン基板表面および、前記格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近の除去によって露出された前記切除部のシリコン基板表面に、残存する窒化シリコンもしくは酸化シリコンをマスクとした選択成長により半導体結晶層を形成し、前記矩形状部内の半導体結晶層を、前記切除部を結ぶとともに前記格子状の線に沿った領域を境界として複数の島状部に分割して、この島状部に発光素子を形成するようにしたことから、半導体結晶層中の酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜から成る切除部分を結ぶライン状のクラックが発生し、このクラック部で半導体結晶層中の内部応力を緩和することができ、もって発光素子を形成する領域には、クラックが発生せず、良質な半導体結晶層を形成することができ、ひいては発光効率が向上した特性の良好な発光素子を有する半導体発光装置を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る半導体発光素子の製造方法により製造される発光素子の断面図である。
【図2】 本発明に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程図である。
【図3】 酸化シリコンもしくは窒化シリコンから成る格子状部を示す図である。
【図4】 本発明に係る半導体発光素子の製造方法におけるクラックの発光状態を示す図である。
【図5】 本発明に係る半導体発光素子の製造方法における他の工程を示す図である。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板、2〜7・・・半導体結晶層、11・・・窒化シリコン膜もしくは酸化シリコン膜、13・・・格子状部、14・・・交点部およびその付近
Claims (3)
- シリコン基板上に、このシリコン基板の表面が矩形状に露出されるように窒化シリコンもしくは酸化シリコンを格子状に形成し、この格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近を除去した切除部を設け、前記矩形状に露出されたシリコン基板表面および、前記格子状の窒化シリコンもしくは酸化シリコンの交点部およびその付近の除去によって露出された前記切除部のシリコン基板表面に、残存する窒化シリコンもしくは酸化シリコンをマスクとした選択成長により半導体結晶層を形成し、前記矩形状部内の半導体結晶層を、前記切除部を結ぶとともに前記格子状の線に沿った領域を境界として複数の島状部に分割して、この島状部に発光素子を形成する半導体発光装置の製造方法。
- 前記窒化シリコンもしくは酸化シリコンの幅が20μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置の製造方法。
- 前記矩形状部の対向する二辺が前記シリコン基板における<001>方向に位置し、他の対向する二辺が<010>方向に位置することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体発光装置の製造方法。
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