JP3892519B2

JP3892519B2 - 化合物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP3892519B2
Application number: JP3790897A
Authority: JP
Inventors: 雅裕山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-02-21
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: JPH10242570A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に係わり、特に劈開手法の改良をはかった窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関する
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長の光源として、窒化物を含む化合物半導体発光素子が注目されている。ＧａＮを含む窒化物系化合物は、青色を含む短波長領域での発光が可能であり、短波長発光材料として有望である。
【０００３】
この種の材料、特にＧａＮを主たる成分とする化合物半導体層は非常に安定であり、逆にそのため加工しにくい。また、通常この系の化合物半導体は基板としてサファイアを用いることが多く、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ基板のように劈開等の性質を用いることはできない。このため、チップ化等は非常に困難であり、従来のように劈開を利用していたレーザダイオード等の共振器を作成することは困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、ＧａＮを含む窒化物系化合物半導体発光素子においては、劈開による素子分離が困難であり、また基板をむりやり割ることで得られた化合物半導体の端面は反射鏡として十分機能しないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、劈開による素子分離を制御性良く可能とした窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（構成）
本発明の骨子は、窒化物系化合物半導体素子を構成するための半導体積層基板に素子分離を主目的として、Ａｌを含んだ独自の層構造を導入することにより、劈開による素子分離を可能とすることにある。
【０００８】
即ち本発明は、窒化物系化合物半導体を積層した半導体積層基板を有する化合物半導体発光素子の製造方法において、前記積層基板の最上面若しくは内部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＡｌを含む層からなり、劈開すべき方向の一部に劈開すべき方向に沿った切れ目を有する劈開補助領域を形成する工程と、前記劈開補助領域を前記切れ目に沿って割ることにより、前記積層基板を劈開する工程とを含むことを特徴とする。
【０００９】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
(1) 劈開補助領域を構成するＡｌを含む層は、Ｉｎ_x Ａｌ_y Ｇａ_z Ｎ_p Ａｓ_q Ｐ_r （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０＜ｙ，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）であること。
(2) 劈開補助領域を構成するＡｌを含む層は、積層基板の最上部に形成されること。
(3) 劈開補助領域を構成するＡｌを含む層は、積層基板の形成途中で該基板の内部に形成されること。
(4) 劈開補助領域を構成するＡｌを含む層は、その層にクラックが入る臨界膜厚の６０％から９９％の厚さに形成すること。
(5) 劈開補助領域を構成するＡｌを含む層に、電極側から見て素子分離の境界線に対し幅が変化する部分を設けること。
(6) 積層基板は、サファイア基板上に化合物半導体の積層構造が形成されたものであること。
(7) 劈開補助領域に形成する切れ目は６０度以下であること。
【００１０】
（作用）
通常、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮは、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法での実用的な厚さ領域（例えば、厚く見積もって１５ミクロン）ではクラックフリー（クラックが存在しない状態）の状態である。一方、Ａｌを含む層、例えばＡｌＧａＮは、Ａｌの組成が大きくなるに従いクラックフリーで成長できる膜厚が減少する。
【００１１】
クラックフリーで成長できる膜厚は、成長条件によっても異なることが確認できているが、ＭＯＣＶＤ法の実用的な厚さ領域にその臨界膜厚が存在することに変わりはない。そして、この厚さ以上に膜を成長させるとクラックが生じてしまい、膜に裂け目が入る。膜に裂け目が入ると、基板に達するときもあり素子の機能に大きく障害をもたらす。この裂け目は、Ａｌ組成が入ることによりＧａＮと比較した場合、格子定数等の物理パラメータが大きく異なってくることにより生じると考えられる。
【００１２】
本発明者らは、Ａｌを含む層に発生する本来望ましくない裂け目を積極的に利用することにより劈開を行うことを考えた。しかし、クラックによる裂け目はその方向が不規則であり、劈開したい方向を選択することはできない。そこで、クラックによる裂け目ではなく、Ａｌを含む層の成膜時に劈開したい方向に沿って意図的に切れ目を設けた。そして、半導体積層構造とＡｌ組成の値及び厚さを最適に制御することにより、半導体積層構造を狙った方向に劈開することができるのを見出した。
【００１３】
ここで、半導体積層基板に導入する劈開のためのＡｌを含む層、即ち劈開補助領域は、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としない非クラッド機能の層であり、積層基板の最上部に形成しても、内部に形成しても、同様の劈開効果が得られた。劈開補助領域の膜厚は積層基板にクラックが入る臨界膜厚以内である必要があるが、あまり薄いと前述した劈開効果が得られない。本発明者らの実験によれば、劈開補助領域の膜厚を臨界膜厚の６０％から９９％の厚さに設定することによって、制御性良く劈開できるのが分かった。
【００１４】
このように本発明では、半導体積層基板の最上部又は内部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＡｌを含む層からなり、劈開すべき方向に切れ目を有する劈開補助領域を形成することによって、積層基板を制御性良く劈開することができる。この劈開で得られた端面の反射率は十分に高いものであり、共振器の反射鏡として十分に機能するものとなった。従って本発明によれば、従来より制御性良く、かつ端面状態の良好な素子分離を行うことが可能となる。この効果は、半導体のような劈開の性質を持たないサファイア等を下地基板として用いた半導体積層基板に対して特に有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる窒化ガリウム系化合物半導体レーザを説明するための図である。
【００１６】
各層の成長はＭＯＣＶＤ法により行った。まず、図１（ａ）に示すように、ｃ面サファイア基板１０１を用意し、熱燐酸を用いて表面の不純物を取り去る。その後、リアクター内に移し１２００度まで昇温する。その後、基板温度を５５０度に下げ、ＧａＮバッファ層１０２を成長させる。３分成長させた後、再び基板温度を上昇させ、１１００度でＳｉＨ₄ ガスを流しながら、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を２μｍ成長させる。
【００１７】
次いで、ｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層１０４を０．５μｍ成長させる。ここで、基板温度を８００度に下げ、ＧａＮ／Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮのＳＱＷ層（単一量子井戸層）１０５を成長させる。このとき、ＳｉＨ₄ の供給は停止している。その後、基板温度を再び１１００度とし、ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層１０６を０．２μｍ成長させる。
【００１８】
次いで、Ｃｐ₂ Ｍｇを流しながら同じくｐ型ＡｌＧａＮ層１０７を０．３μｍ成長させ、続けてｐ型ＧａＮ層１０８を成長させる。さらに、Ｃｐ₂ Ｍｇの流量を約３倍に上げ、ｐ⁺ 型ＧａＮコンタクト層１０９を０．１μｍ成長する。
【００１９】
ここで、基板を取り出しパターニングを行う。このパタ−ニングの際、結晶膜のａ軸方向とマスクパターンとは図１（ｂ）に示す関係となっている。ｃ面のサファイアではａ軸であるが、ａ面サファイアではａ軸，ｍ軸等に合わせる。ここで、図中のハッチング部分がマスクの抜きパターンである。さらに、劈開の方向を考慮して切れ目を付ける。この切れ目の角度は重要であり、６０度以下であれば劈開方向が安定する。
【００２０】
パターニング終了後、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）により選択エッチングを行い、ＡｌＧａＮ層１０７の一部を露出させる。そして、露出したＡｌＧａＮ層１０７の上に基板温度１１５０度で再成長を行い、図１（ｃ）に示すようにＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層（劈開補助領域）１２０を成長する。このとき、再成長領域以外は、適当なマスク（ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ等を使用）を付けることにより再成長を防いでいる。このマスクは、前記エッチングのマスクに使用したものであってもよい。
【００２１】
本実施形態の特徴はこの再成長にある。この際、劈開補助領域１２０は劈開を容易にすることを目的とした層であり、この劈開補助領域層１２０の歪み緩和力を劈開に作用させることが本実施形態の特徴である。劈開補助領域層１２０は、必ずしも基板全体を覆っている必要はなく、最低限劈開に必要とする部分のみを覆っていればよい。この部分的なＡｌＧａＮ劈開補助領域層１２０の導入が本実施形態の大きな特徴である。
【００２２】
ＡｌＧａＮ劈開補助領域層１２０の成長終了後、マスク材を除去し、ｎ側電極形成のためのパタ−ニングを行う。そして、ＲＩＢＥにより選択エッチングを行い、一部ｎ型ＧａＮ層１０３を露出させる。この後、コンタクト層１０９上にｐ側電極を形成し、コンタクト層１０３上にｎ側電極を形成することにより素子の基本構造は完成する。なお、電極は各々の素子毎に分離するようにパターニングする。
【００２３】
次いで、電極のパタ−ニングに沿って劈開を行う。このとき、前述したＡｌＧａＮ劈開補助領域層１２０の働きによって原子層オーダの劈開が初めて可能となる。この劈開による端面は反射率が高く、共振器の反射鏡として十分に機能するものであった。得られた素子の１つを図１（ｄ）に示す。半導体積層基板の側部の劈開部分に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＡｌを含む劈開補助領域層１２０が残った状態となっている。
【００２４】
このように本実施形態によれば、ＧａＮ系化合物半導体の積層基板の最上部に一部切れ目を有するＡｌＧａＮ劈開補助領域層１２０を形成することにより、該層１２０の切れ目に沿って積層基板を制御性良く劈開することができる。このため、サファイアを下地基板として用いた半導体発光素子においても劈開を利用した良好な素子分離を行うことができ、９８％以上の高い製造歩留りを実現することができた。また、ここで得られたレーザダイオードは、発振しきい値が４０ｍＡで室温連続発振することが確認され、寿命は１００００時間以上であった。
【００２５】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係わる窒化ガリウム系化合物半導体レーザを説明するための図である。
【００２６】
本実施形態でも、成長はＭＯＣＶＤ法により行った。まず、図２（ａ）に示すように、ｃ面サファイア基板２０１を用意し、熱燐酸を用いて表面の不純物を取り去る。その後、リアクター内に移し１２００度まで昇温する。その後、基板温度を５５０度に下げ、ＧａＮ層２０２を成長させる。３分成長させた後、再び基板温度を上昇させ、１１００度でＳｉＨ₄ ガスを流しながら、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３を２μｍ成長させる。
【００２７】
次いで、ｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層２０４を０．５μｍ成長させる。ここで、基板温度を８００度に下げ、ＧａＮ／Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮのＳＱＷ層２０５を成長させる。このとき、ＳｉＨ₄ の供給は止める。基板温度を再び１１００度とし、ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ層２０６を０．２μｍ成長させる。
【００２８】
次いで、Ｃｐ₂ Ｍｇを流しながら同じくｐ型ＡｌＧａＮ層２０７を０．３μｍ成長させ、続けてｐ型ＧａＮ層２０８を成長する。
ここで、基板を取り出し、パターニングを行う。このパタ−ニングの際、結晶膜のａ軸方向とマスクパターンとは図２（ｂ）に示す関係となっている。なお、図中のハッチング部分がマスクの抜きパターンである。さらに、劈開の方向を考慮し、切れ目を付ける。この角度は重要であり、６０度以下であれば劈開方向が安定する。なお、図２（ｂ）のマスクでは後述する劈開補助領域層をほぼ全面に形成するのであるが、図２（ｃ）に示すようなマスクパターンを設けることにより、劈開補助領域層を必要な部分のみに形成することも可能である。
【００２９】
パターニング終了後、再成長を行う。このとき、再成長領域以外は適当なマスク（ＳｉＯ₂ ，ＳｉＮ等を使用）を付けることにより再成長を防いでいる。まず、基板温度を８５０度としＩｎＧａＮ層２０９を成長する。さらに、基板温度を１１５０度とし、ｐ⁺ 型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層（劈開補助領域層）２１０を成長する。このとき、Ｃｐ₂ Ｍｇも同時に流す。さらに、ｐ型ＧａＮ層２１１を成長させ、Ｃｐ₂ Ｍｇの流量を上げ、ｐ⁺ 型ＧａＮ層２１２を０．１μｍ成長する。このときのＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ層の再成長が本実施形態の特徴である。このＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの膜厚を調節することにより、劈開が可能となる基板厚を変えることができ、この点も本実施形態の特徴である。
【００３０】
成長終了後にマスク材を除去し、ｎ側電極形成のためのパタ−ニングを行う。そして、ＲＩＢＥにより選択エッチングを行い、一部ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３を露出させる。この後、ｐ側及びｎ側の電極を構成することにより素子の基本構成は完成する。なお、電極は各々の素子毎に分離するようにパターニングする。
【００３１】
次いで、電極のパターニングに沿って劈開を行う。このとき、前述した再成長層２１０の働きにより原子層オーダの劈開が初めて可能となる。得られた素子の構造を電極部を除いて図２（ｅ）に示す。ＧａＮ系半導体積層基板の最上部のほぼ全面に劈開補助領域層が残った状態となっている。
【００３２】
このように本実施形態によっても、ＡｌＧａＮ劈開補助領域層２１０を形成することにより、半導体積層基板を劈開で分離することができ、先の第１の実施形態と同様の効果が得られた。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係わるＧａＮ系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【００３４】
成長はＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により行った。まず、図３（ａ）に示すように、ｃ面サファイア基板３０１を用意し、熱燐酸を用いて表面の不純物を取り去る。その後、成長チャンバ内に移し８００度まで昇温する。このとき、ＲＨＥＥＤ（高エネルギー電子線反射像）により基板表面が清浄であることを確認する。
【００３５】
次いで、基板温度を５５０度に下げ、ＧａＮバッファ層３０２を成長させる。３分成長させた後、再び基板温度を上昇させ、７５０度でＳｉセルのシャッタをオープンさせ、同時にＧａセルとＥＣＲプラズマセルのシャッタを開ける。これにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０３を２μｍ成長させる。さらに、ｎ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層３０４を０．５μｍ成長させる。ここで、基板温度を７００度に下げ、ＧａＮ／Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎ／ＧａＮのＳＱＷ層３０５を成長させる。このとき、Ｓｉの供給は止める。基板温度を再び８００度とし、ｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎクラッド層３０６を０．２μｍ成長させる。
【００３６】
次いで、Ｍｇセルのシャッタを開けながら同じくｐ型ＡｌＧａＮ層３０７を０．３μｍ成長させ、続けてｐ型ＧａＮ層３０８を成長させる。さらに、Ｍｇの流量を上げ、ｐ⁺ 型ＧａＮコンタクト層３０９を０．１μｍ成長する。
【００３７】
ここで、基板を取り出し、パターニングを行う。即ち、図３（ｂ）に示すように、劈開の方向（破線で示す）を考慮し、劈開補助領域の切れ目となる部分にＳｉＯ₂ やＳｉＮ等のマスク３２０を形成する。
【００３８】
次いで、再成長を行う。このとき、再成長領域以外はマスク３２０により再成長を防いでいる。基板温度を８００度にし、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層３１０を成長する。ここで、素子最上部にＡｌＧａＮ等のＡｌを含んだ層３１０が存在することは本実施形態の一つの特徴である。既存の素子構造に対し、最上層にＡｌＧａＮ層３１０を、その膜厚を基板厚に対し最適化することにより、その後の劈開を容易にすることができる。
【００３９】
なお、劈開補助領域層は必ずしも半導体積層基板上の全面に形成する必要はなく、図４に示すように、必要な部分のみに選択的に形成しても良い。
ＡｌＧａＮ層３１０の成長終了後にマスク材を除去し、ｎ側電極形成のためのパターニングを行う。そし、ＲＩＢＥにより選択エッチングを行い、一部ｎ型ＧａＮコンタクト層３０３を露出させる。この後、ｐ側及びｎ側の電極を構成することにより素子の基本構成は完成する。なお、電極は各々の素子毎に分離するようにパターニングする。
【００４０】
次いで、電極のパターニングに沿って劈開を行う。このとき、前述した再成長層３１０の働きにより原子層オーダの劈開が初めて可能となる。得られた素子の構造を電極部を除いて図５に示す。
【００４１】
本実施形態のレーザダイオードは、素子の最上面の一部にＡｌＧａＮ層を有する構造を持っており、基板裏からのダイシング後、シールに基板を貼ることにより容易に劈開可能である。製造歩留まりは９８パーセント以上であり、発振しきい値は４０ｍＡであり、室温連続発振をしているのが確認された。
【００４２】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態ではＧａＮ系化合物半導体レーザを例にとり説明したが、これに限らず他の化合物半導体レーザに適用することができる。さらに、半導体レーザに限らず、発光ダイオードに適用することも可能である。また、下地基板はサファイアに限るものではなく、化合物半導体層を成長できるものであればよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体積層基板の最上部又は内部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＡｌを含む層からなり、劈開すべき方向に切れ目を有する劈開補助領域を形成することによって、積層基板を制御性良く劈開することができる。従って本発明によれば、従来より制御性良く、かつ端面状態の良好な素子分離を行うことが可能となり、劈開の性質を持たないサファイア等を下地基板として用いた半導体レーザの製造に対して大きな効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる化合物半導体レーザを説明するための図。
【図２】第２の実施形態に係わる化合物半導体レーザを説明するための図。
【図３】第３の実施形態に係わる化合物半導体レーザを説明するための図。
【図４】第３の実施形態の変形例を示す斜視図。
【図５】第３の実施形態に係わる化合物半導体レーザの最終構造を示す斜視図。
【符号の説明】
１０１…サファイア基板
１０２…ＧａＮ層
１０３…ｎ型ＧａＮ層
１０４…ｎ型ＡｌＧａＮ層
１０５…ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＳＱＷ層
１０６…ＡｌＧａＮ層
１０７…ｐ型ＡｌＧａＮ層
１０８…ｐ型ＧａＮ層
１０９…ｐ⁺ 型ＧａＮ層
２０１…サファイア基板
２０２…ＧａＮ層
２０３…ｎ型ＧａＮ層
２０４…ｎ型ＡｌＧａＮ層
２０５…ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＳＱＷ層
２０６…ＡｌＧａＮ層
２０７…ｐ型ＡｌＧａＮ層
２０８…ｐ型ＧａＮ層
２０９…ＩｎＧａＮ層
２１０…ｐ⁺ 型ＡｌＧａＮ層
２１１…ｐ型ＧａＮ層
２１２…ｐ⁺ 型ＧａＮ層
３０１…サファイア基板
３０２…ＧａＮ層
３０３…ｎ型ＧａＮ層
３０４…ｎ型ＡｌＧａＮ層
３０５…ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＳＱＷ層
３０６…ＡｌＧａＮ層
３０７…ｐ型ＡｌＧａＮ層
３０８…ｐ型ＧａＮ層
３０９…ｐ⁺ 型ＧａＮ層
３１０…ＡｌＧａＮ層

Claims

窒化物系化合物半導体を積層した半導体積層基板を有する化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記積層基板の最上面若しくは内部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＡｌを含む層からなり、劈開すべき方向の一部に劈開すべき方向に沿った切れ目を有する劈開補助領域を形成する工程と、前記劈開補助領域を前記切れ目に沿って割ることにより、前記積層基板を劈開する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
窒化物系化合物半導体を積層した半導体積層基板を有する化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記積層基板の最上部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＩｎ_xＡｌ_yＧａ_zＮ_pＡｓ_qＰ_r層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０＜ｙ，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）からなり、劈開すべき方向に切れ目を有する劈開補助領域を形成する工程と、前記劈開補助領域を切れ目に沿って割ることにより、前記積層基板を劈開する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
窒化物系化合物半導体を積層した半導体積層基板を有する化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記積層基板の形成の途中で該基板内部に、光閉じ込め及び電流閉じ込めを主たる機能としないＩｎ_xＡｌ_yＧａ_zＮ_pＡｓ_qＰ_r層（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０＜ｙ，ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）からなり、劈開すべき方向の一部に劈開すべき方向に沿った切れ目を有する劈開補助領域を形成する工程と、前記積層基板の形成の後に前記劈開補助領域を切れ目に沿って割ることにより、前記積層基板を劈開する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体発光素子の製造方法。
前記切れ目は、前記積層基板の積層方向から見た形状がＶ字形であり、前記切れ目の先端を前記積層基板の劈開すべき位置に一致させ、且つ前記切れ目の先端の角度を６０度以下に設定したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の化合物半導体発光素子の製造方法。