JP4163240B2 - 半導体発光素子の製造方法および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体発光素子の製造方法および半導体発光装置の製造方法に関する。より具体的には、本発明は、窒化物系半導体を用いた半導体光発光素子に関し、サファイア基板を容易且つ確実に分離することにより高品質の結晶が得られる半導体発光素子の製造方法に関する。

近年、家庭電化製品、ＯＡ機器、通信機器、工業計測器などさまざまな分野で発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子が利用されている。例えば、多くの分野で用いられることになるであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応用を目的として、短波長の半導体レーザの開発が注力されている（特許文献１〜４参照）。

現在は赤色半導体レーザが用いられており、それまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上した。この赤色の半導体レーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系の材料を用いた６００ｎｍ帯での発光素子であり、光ディスクの読み取りと書き込みのどちらも可能なレベルにまで特性改善され、すでに実用化されている。

しかし、この材料系による赤色の半導体レーザは、次世代の光ディスク記録等への応用に対しては結晶欠陥の低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な問題が数多く存在する。また、発振波長は短いものでも４６０ｎｍ程度であり、システムから要求される４２０ｎｍ台での発振は物性からいって困難である。

一方で、さらなる記録密度の向上を目指して青色半導体レーザの開発が進められている。すでに、II-VI 族系材料を用いた半導体レーザは発振動作が確認されている。しかしながら、その信頼性は１００時間程度にリミットされるなど実用化への障壁は多く、また発振波長を４８０ｎｍ以下とすることも困難であるなど、次世代の光ディスクシステム等への応用には材料的なリミットが数多く存在する。

これに対して、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む窒化物系半導体レーザは、原理的には３５０ｎｍ以下までの短波長化が可能であり、４００ｎｍでの発振動作が報告されている。信頼性に関しても、ＬＥＤにおいて１万時間以上の信頼性が確認されている。また、室温でのレーザ発振も最近、確認された。このように、窒化物半導体系は、次世代の光ディスク記録用光源などの種々の用途において必要とされる条件を満たす優れた特性を持つ材料である。

なお、本願において「窒化物系半導体」とは、Ｂ_x Ｉｎ_y Ａｌ_z Ｇａ_(1-x-y-z) Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）なる化学式で表されるIII −Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含むものとする。
特開昭６１−７６２１号公報 特開平７−１６５４９８号公報 特開平１０−１１７０１６号公報 特開平６−２３４５９５号公報

しかし、窒化物系半導体を用いた従来の発光素子は、以下に詳述する種々の問題を有する。

すなわち、窒化物系半導体を用いた従来の発光素子は、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させることが一般的であった。しかし、サファイア基板と窒素化物系半導体とは格子定数が顕著に異なるため、成長結晶に結晶欠陥が多数発生する。このような結晶欠陥が、本質的に、種々の素子特性や素子寿命の改善に対する阻害要因となっている。

また、絶縁性のサファイア基板上に形成するため、ｎ側電極とｐ側電極のいずれも、エピタキシャル成長面側に形成する必要がある。そのために、ｐ型層と活性層とｎ型層の一部をエッチング除去し、ｎ側電極をｎ型層の上に形成している。しかし、この構造では実際に素子として動作する部分は厚いサファイア基板上に形成されており、レーザに必要な共振器面を作成するためのへき開が困難である。

また、素子の放熱性を向上させるためには、通常はヒートシンクに素子を密着させるが、この構造ではサファイア側をヒートシンクに密着させても、サファイアの熱伝導率が低いために十分な放熱を確保することができない。逆に、電極側をヒートシンクに密着させた場合には、熱抵抗は減少するが電極を基板に対して同じ方向に設置しているこの素子では作成が難しく歩留まりが悪い。

また、ヒートシンクと接していない側にはサファイア基板がついており、やはり放熱性が悪い。

さらに、サファイア基板がついている限りは、電極から注入した電流を素子の横方向に流す必要があり、素子抵抗が大きくなる。

また、ｐ側電極とｎ側電極との間の幾何学的にもっとも近い経路は素子の表面となり、リーク電流が多く生じる。

一方、ＨＣｌ（塩酸）を輸送担体として用いるハイドライド化学堆積法( Ｈ−ＣＶＥ法) により、窒化物系半導体の結晶を厚膜で成長する方法が最近行われはじめている。しかし、成長基板としてサファイア基板を用いているため、成長した結晶には結晶欠陥が多く含まれ、その上に作成した発光素子の素子特性の向上を阻害する要因のひとつなっている。

また、この際に、石英で局所的にマスクをつくり成長を行うラテラル成長方法が行われはじめているが、石英マスク上に成長した部分に小けい角粒界や欠陥やボイドの発生が見られる。

一方、上述したような種々の問題を避けるために、サファイヤ基板上にＧａＮを１００μｍ程度形成し、サファイヤ基板を除去し、得られたＧａＮ膜を擬似基板として利用する技術が提案されている。しかし、硬いサファイヤ基板を除去するために通常用いられる研磨法ではスループットが悪く、また研磨時に異常割れなどが発生するという問題があった。

本発明は係る種々の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、その目的は、再現性良く容易且つ確実にサファイア基板を分離することにより、良好なへき開性、放熱性、リーク耐圧性などを有する窒化物系半導体の半導体発光素子の製造方法および半導体発光装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、基板上に前記基板を構成する材料よりも小さいバンドギャップを有する窒化物系半導体からなる第１の層を形成する工程と、
ＳｉＯ _２ 層を前記第１の層の上に選択的に形成する工程と、
前記ＳｉＯ _２ 層の上に、前記第１の層を結晶成長の核として面内方向に窒化物系半導体をラテラル成長させて、窒化物系半導体からなる第２の層を形成する工程と、
前記基板の裏面からレーザ光を照射して前記第１の層に吸収させることにより前記基板と前記第２の層とを分離する工程と、
前記レーザ光の照射により、前記第１の層の前記第２の層とは反対の面側の窒素を解離させて、前記第１の層よりも窒素の含有率が低い窒化物系半導体からなる第３の層を形成する工程と、
前記第３の層の前記第２の層側とは反対側の面に電極を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。

本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。

まず、本発明によれば、サファイア基板を容易且つ確実に剥離することができるので、サファイア基板との格子のズレによる結晶性の低下を解消することができる。その結果として、従来よりもはるかに品質の高い結晶を得ることができ、半導体発光素子の電気的、光学的特性を改善するとともに、寿命も伸ばすことができる。

また、本発明によれば、サファイア基板を剥離することにより、レーザの端面を形成するためのへき開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、従来の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面を安定して形成することができ、レーザの発振特性を大きく改善することができる。

また、サファイア基板上に形成した従来の素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電極をとっていたが、これと比較して本実施形態によればリーク電流が減少する。

さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないために発振モードが安定しており、しきい値も低下する。

しかも、本発明によれば、剥離したサファイア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受けないので、これを再利用して次の結晶成長に用いることができる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半導体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産することが可能となる。

以上詳述したように、本発明によれば、高性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を低コストで提供することができるようになり、その有用性は絶大である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態として「リフトオフ層」を用いて基板を剥離する方法について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。すなわち、同図は、窒化物系半導体を用いた半導体レーザの製造方法を表す。

まず、図１（ａ）に示したように、サファイヤ基板１１の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によりＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層１４を成長する。ここで、基板１１とＧａＮ層１２との間には、図示しないバッファ層を設けても良い。各層の成長時の圧力は常圧とし、バッファ層以外のＧａＮ層１２、１４及びＡｌＧａＮ層１３は、基本的には窒素、水素、アンモニアを混合した雰囲気において１０００℃から１１００℃の温度範囲内で成長した。

ここで、ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は３０％前後とし、成長層の全面にクラックが入るように層厚を厚くする。このように欠損部を有したＡｌＧａＮ層１３は、後に詳述するように基板１１を剥離するための「リフトオフ層」として作用する。

次に、図１（ｂ）に示したように、ｎ型ＧａＮ層１５を８０μｍ前後の層厚に成長し、さらに、半導体レーザの要部となるダブルヘテロ構造などを含む多層構造部１６を成長する。ここで、ｎ型ＧａＮ層１５を層厚８０μｍ前後の層厚に成長するためには、ＭＯＣＶＤ法よりも成長速度が大きいハイドライドＶＰＥ（Vapor Phase Epitaxy ）法を用いることが望ましい。一方、多層構造部１６の成長に際しては、従来と同様にＭＯＣＶＤ法を用いることができる。

次に、図１（ｃ）に示したように、基板１１を剥離する。具体的には、フォトリソグラフィ法などを用いて半導体レーザのメサストライフ部などを形成した後、レーザの多層構造部１６を下にして治具１７にワックスなどで貼り付ける。そして、基板１１の側面または裏面に対して治具をあてて刷動させるなどの方法により応力を加えることで、簡単に基板１１を剥離することができる。ここで、剥離は、「リフトオフ層」すなわちＡｌＧａＮ層１３の前後の界面付近において生ずる。

基板１１を剥離したら、図１（ｄ）に示したように、ｐ側電極１８とｎ側電極１９を形成する。さらに、へき開によりレーザ端面を形成してチップ化する。

なお、レーザの多層構造部１６は、基板１１を剥離した後に形成しても良い。すなわち、ｎ型ＧａＮ層１５をハイドライドＶＰＥにより成長した後に、図１（ｃ）に示したように基板１１を剥離し、得られたｎ型ＧａＮ層１５を新たな基板として多層構造部１５を成長し、電極１８、１９を形成しても良い。

本実施形態において、基板１１を剥離できるメカニズムについて以下に説明する。
図２は、図１のＧａＮ１２、ＡｌＧａＮ層１３、ＧａＮ層１４の部分を表す要部拡大断面図である。本実施形態においては、ＡｌＧａＮ層１３を成長する時にＡｌ（アルミニウム）がもたらす格子歪によってクラック２０Ａが発生する。特に、Ａｌの組成を３０％以上とすることでクラック２０Ａは高密度化する。本発明者の実験によれば、このクラック２０Ａを平面的に観察すると６角形状に発生する場合が多いことが分かった。

このようにＡｌＧａＮ層１３を成長した後にその成長温度においてウェーハを一旦保持すると、クラック２０Ａの下部にあるＧａＮ層１２の一部が成長雰囲気に含まれる水素によってエッチングされ、空隙２０Ｂが生ずる。この上にｎ型ＧａＮ層１４を成長すると、２次元成長モードによりクラック２０Ａの上が埋められて平坦化し、これより上の成長には悪影響は生じない。

こうして形成されたクラック２０Ａや空隙２０Ｂにより、「リフトオフ層」すなわちＡｌＧａＮ層１３の界面は、物理的に脆弱となる。そこに例えば上述したように応力を与えることで、クラック２０Ａや空隙２０Ｂをきっかけとして基板１１を剥離することができる。本実施形態において、基板１１の剥離を容易に生じさせるためには、「リフトオフ層」であるＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は、１０〜３０％の範囲内とすることが望ましい。
また、その層厚は、０．１〜１μｍの範囲内とすることが望ましい。Ａｌ組成がこれよりも低く、または層厚が薄いと、クラックが不足して基板１１の剥離が容易でなく、また、Ａｌ組成がこれよりも高く、または層厚がこれよりも厚いと、この上に成長する窒化物系半導体層の結晶性が劣化する傾向が顕著となるからである。

応力を負荷する方法としては、治具を用いて加える方法の他にも、多層構造部１６の成長後に、降温を急峻に行うことでも基板は剥離する。また、サファイア基板１１の裏面側にダイサーなどで一部に「けがき」を入れるような方法を用いても剥離することができる。さらに、超音波洗浄機にウェーハを投入しても剥離することができる。また、後に詳述するように、サファイア基板１１の裏面側から紫外線領域の波長のレーザ光を照射し、窒化物系半導体層での光吸収により局所的な熱を発生させ、窒化物系半導体を蒸発させて剥離することもできる。

本実施形態における層１３、すなわち基板１１を剥離するための「リフトオフ層」としては、高組成のＡｌＧａＮ以外にも、格子歪みを生ずる各種の材料を用いることができる。
図３は、「リフトオフ層」としてＩｎＧａＮを用いた場合を例示する要部断面図である。すなわち、同図に示した構成においては、ＧａＮ層１２とｎ型ＧａＮ層１４との間にＩｎＧａＮ層２１が設けられている。ここで、ＩｎＧａＮ層２１のＩｎ（インジウム）の組成は２０％前後とすることができる。ＩｎＧａＮ層２１を挿入した場合、Ｉｎの相分離が原因と考えられる高密度のピット２０Ｃが成長中に形成される。このピット２０Ｃは、ＩｎＧａＮ層２１を貫通する微細な孔であり、１０⁷ 〜１０⁹ ／ｃｍ² 程度の密度で形成される場合が多い。このピットにより、ＩｎＧａＮ層２１は物理的には脆弱な層となり、基板１１を容易に剥離することができる。

ここで、基板１１の剥離を容易に生じさせるためには、「リフトオフ層」であるＩｎＧａＮ層１３のＩｎ組成は、１０％以上とすることが望ましく、２０％以上とすることがさらに望ましい。但し、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、Ｉｎ組成が高いほど成長が容易でない傾向がある。また、その層厚は、０．１〜１μｍの範囲内とすることが望ましい。Ｉｎ組成がこれよりも低く、または層厚が薄いと、ピットが不足して基板１１の剥離が容易でなく、また、ＩｎＧａＮ層の層厚がこれよりも厚いと、この上に成長する窒化物系半導体層の結晶性が劣化する傾向が顕著となるからである。

ＩｎＧａＮはハイドライドＶＰＥ法でも成長が可能である。したがって、成長条件を最適化すればサファイヤ基板１１の上に直接ＧａＮ層１２からハイドライドＶＰＥ法により成長することもできる。

一方、本実施形態における「リフトオフ層」として用いることができるものは、前述したようなクラックやピットなどの空間的な空隙を有するものの他にも、例えば、転位などの結晶欠陥を他の部分と比べて著しく高密度に有する層でも良い。具体的には、欠陥密度が１０⁸ ／ｃｍ² 以上であり、層厚が１０ｎｍ以上の半導体層であれば、「リフトオフ層」として作用させることが可能である。また、以上説明したようなリフトオフ層は、サファイア基板の上に直接設けても良い。

あるいは、結晶成長によりリフトオフ層を設けなくても、ＧａＮ層１２の上にＳｉＯ₂ などの誘電体膜をストライプ状などの形状にパターニングし、ＭＯＣＶＤやハイドライドＶＰＥによる成長時に横方向の成長モードを加速させて上方向への転位を終端させる方法もある。この場合には、ＳｉＯ₂ 層の部分を基板の剥離のための「リフトオフ層」として利用できる。また、この場合に、成長後に弗酸などでＳｉＯ₂ をサイドエッチングし、空隙を形成しても良い。

図４は、本実施形態により作製した半導体レーザを例示する概略断面図である。図中１５は、ハイドライドＶＰＥ成長によるｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、ドーピング濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）であり、図１（ｃ）に関して前述したように、サファイア基板上に成長した後に剥離して新たな基板として用いられるものである。また、図中２４は、ｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚Ｏ．８μｍ）、２５はＧａＮ光導波層、２６は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層部、２７はＧａＮ光導波層（Ｍｇドープ、１×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｏ．１μｍ）である。

ここで、活性層部２６のＭＱＷの井戸層は３ｎｍ厚のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層からなり、バリア層は厚さ６ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなる。また、井戸層は５層である。また、活性層部２６は、ＭＱＷとｐ型光導波層２７との間に、層厚２ｎｍのｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎキャップ層を有する。

さらに、図中２８はｐ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．８μｍ）、３０はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、８×１０¹⁹ｃｍ^-3、Ｏ．５μｍ）であり、最上部はＭｇを２×１０²⁰ｃｍ^-3まで高濃度化した。２９はｎ型ＩｎＧａＮからなる電流狭窄層、３１はＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に積層したｐ側電極、３２はｎ側電極である。紙面に対して平行方向に設けられる端面のレーザミラーは、へき開により形成する。

図４のレーザは、図１に関して前述した通りである。すなわち、図示しないサファイア基板上にリフトオフ層を介してハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）法によりｎ型ＧａＮ層１５を結晶成長する。そして、リフトオフ層の部分からサファイア基板を剥離することにより得られたｎ型ＧａＮ層１５を基板として層２４〜３０をＭＯＣＶＤ法より成長することにより製造される。あるいは、サファイア基板上において、リフトオフ層を介して層１５〜３０を成長した後に、サファイア基板を剥離しても良い。

また、電流狭窄層２９を用いたリッジ構造は、感光レジストを用いた光リソグラフィー技術と反応性塩素系イオンによるドライエッチング技術を用いて形成することができる。すなわち、選択再成長法を用いて電流狭窄層２９を成長し、その上にコンタクト層３０を成長する。

本実施形態によれば、サファイア基板を剥離することができるので、レーザの端面を形成するためのへき開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、従来の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面を安定して形成することができ、レーザの発振特性を大きく改善することができる。

また、サファイア基板上に形成した従来の素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電極をとっていたが、これと比較して本実施形態によればリーク電流が減少する。

さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないために発振モードが安定しており、しきい値も低下する。

例えば、本実施形態によれば、リッジの幅が底面で４μｍの場合に、しきい値６５ｍＡで室温において連続発振した。また、ｐ側電極３１をヒートシンクにマウントして測定した結果、発振波長は４０５ｎｍであり、動作電圧は約４．５Ｖであった。ビーム特性は単峰性であり、非点隔差は約１０μｍと十分小さな値が得られた。また、最高光出力は連続発振で１０ｍＷまで得られ、最高連続発振温度は６０℃であった。信頼性に関しても室温で１０００時間以上安定に動作した。すなわち、本実施形態によれば、サファイア基板から容易且つ確実にエピタキシャル成長層を剥離することにより、極めて高性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を製造することができるようになる。

しかも、剥離したサファイア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受けないので、これを再利用して次の結晶成長に用いることができる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半導体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産することが可能となる。

本実施形態は、発光ダイオードの製造にも適用することができる。
図５は、図４と同様な製造方法により作製した発光ダイオードを表す概略断面図である。同図中１５はハイドライドＶＰＥ法によるｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、３４はｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．３μｍ）、３５は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）活性層である。ここでＭＱＷの井戸層は３ｎｍ厚のＩｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎ層からなり、バリヤ層は厚さ６ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.08Ｎから構成される。井戸層は３層である。

また、３６はｐ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．１μｍ）、３７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、８×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．１μｍ）であり、最上部はＭｇを２×１０²⁰ｃｍ^-3まで高濃度化した。また、３８はＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極、３９はｎ側電極、４０はチップキャリヤである。

本具体例によれば、ｐ側電極３８を光反射層として作用させることができ、また全面コンタクトを取ることが可能で、光取り出し効率の向上と動作電圧の低減が可能である。また、ｐ側とｎ側の電極をそれぞれチップの上下に設けることができるので、サファイア基板の上に形成した従来の窒化物系ＬＥＤよりもチップサイズを小型化できる。

本具体例では、印加電圧２．８Ｖで２０ｍＡの電流が得られ、４５０ｎｍの青色波長帯において１０ｍＷの光出力が得られた。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施形態においては、サファイアなどの基板の表面に予め加工を施した後に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させ、基板を容易且つ確実に剥離する。

図６は、本発明の第２実施形態を説明するための概念図である。すなわち、同図は基板部分の工程断面図であり、１０１はサファイア基板、１０２は空隙、１０３はＧａＮエピタキシャル層、１０４は多結晶化したＧａＮをそれぞれ表す。

本実施形態においては、まず、図６（ａ）に示したように、サファイア基板１０１の表面に凹部を形成する。具体的には、サファイア基板１０１に図示しないマスクをつけ、ドライエッチング法を用いて例えば幅２μｍで深さ３μｍを溝を形成する。

次に、マスクを除去し、図６（ｂ）に示したように、ハイドライドＶＰＥ法を用いてＧａＮ層１０３をエピタキシャル成長する。ガリウム（Ｇａ）の原料としては金属ガリウム、窒素（Ｎ）の原料としてはアンモニアを用い、ガリウムの輸送担体としては塩化水素（ＨＣｌ）を用い、結晶成長温度を約９５０℃として８時間成長することにより、約１００μｍのＧａＮ層１０３をエピタキシャル成長させることができる。このエピタキシャル成長により、基板１０１の凹部の上が塞がれて、空隙１０２が形成される。また、この際に、基板１０１の空隙１０２の底面には、多結晶状のＧａＮ１０４が堆積する。

エピタキシャル成長の後に、室温まで降温すると、図６（ｃ）に示したように、エピタキシャル成長したＧａＮ層１０３から基板１０１が剥離する。これは、降温時に、基板１０１とＧａＮ層１０３との間に、熱収縮率の差による歪みに起因してクラックが発生するためであると考えられる。本実施形態によれば、空隙１０２を設けることにより、このようなクラックの発生を促進させ、基板１０１の容易且つ確実に剥離することができる。

また、基板１０１を剥離するには、エピタキシャル成長温度から冷却する方法の他にも、熱的あるいは機械的な衝撃を印加するあらゆる方法を用いることができる。例えば、エピタキシャル成長後に室温まで冷却して基板１０１が剥離しない場合には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing ）のような方法により急加熱・急冷を施すことにより、基板１０１とＧａＮ層１０３との間にクラックを生じさせ基板１０１を剥離することができる。または、後に詳述するように、基板１０１の裏面側から、ＧａＮの吸収率が高い波長のレーザ光を照射することにより、界面付近のＧａＮを蒸発させ、基板を剥離することができる。
または、各種の治具あるい超音波などをもちいて機械的な応力ないし衝撃を与えることによっても、基板を容易且つ確実に剥離することができる。

このようにして得られた厚さ約１００μｍのＧａＮ層１０３の表面はミラー状であり、ｎ型の導電性を示し、キャリア濃度はおよそ１０¹⁷ｃｍ^-3であった。キャリア濃度は、エピタキシャル成長の際のドーピングにより調節することができる。また、このようにして得られた厚さ約１００μｍのＧａＮ層１０３を溶融水酸化カリウム中で約３５０℃においてエッチングしたところ、エッチピットはおよそ１０⁶ ｃｍ^-2オーダーであった。従来の方法により、平坦なサファイア基板上に成長させたままのＧａＮ層のエッチピット密度が約１０⁸ ｃｍ^-2であることと比較すると、本実施形態によれば大きな改善が得られたといえる。

次に、図６（ｄ）に示したように、このようにして得られた低欠陥密度のＧａＮ層１０３を基板として、その上に所定の素子構造１０６をエピタキシャル成長させる。さらに、必要に応じて、図示しない電極や保護膜などを形成する。

なお、図６（ｂ）に示したようにハイドライドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０３を成長した後に、ウェーハを室温まで冷却してもサファイア基板１０１が剥離しない場合には、そのまま、ウェーハをＭＯＣＶＤ装置に導入してレーザの素子構造１０６を成長しても良い。しかる後に、前述したような方法により熱的あるいは機械的な衝撃を加えることにより、サファイア基板１０１を容易且つ確実に剥離することができる。

本実施形態においても、剥離したサファイア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受けないので、これを再利用して次の結晶成長に用いることができる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半導体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産することが可能となる。

ここで、本実施形態においてサファイア基板１０１の表面に形成する凹部は、図６（ａ）に示したような溝には限定されず、その他の各種の形状のものでも良い。すなわち、その上に成長するＧａＮ層１０３により塞ぐことができ、また、クラックを生じさせて基板の剥離を容易にする形状であれば良く、平行に形成された複数の溝の他に、互いに交差する複数の溝や、多数の独立した孔であっても良い。このような孔の開口形状としては、円形の他に、楕円形や多角形などの種々の形状が挙げられ、不定形であっても良い。

また、本発明者の試作の結果によれば、サファイア基板１０１の表面に形成する凹部の幅をＡ、深さをＢ、隣接する凹部間の距離をＣとした場合に、Ａ≦ＣかつＡ≦Ｂなる関係とすると良好な結果が得られる傾向が認められた。すなわち、このような条件とすると、クラックの発生を容易にしつつ、凹部をＧａＮ層１０３により塞ぐことができる。

図７は、本実施形態により製造した半導体レーザ装置の構造の一例を表す概略断面図である。すなわち、同図においては、基板として用いるＧａＮ層１０３が向かって上側に示されている。同図中２０６はｎ型クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、層厚４０ｎｍ、ＡｌＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚４０ｎｍ、全膜厚０．８μｍ）、２０７はＧａＮ光閉じ込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２０８はＩｎ_O.2 Ｇａ_O.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸層２ｎｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）、２０９はＧａＮ光閉じ込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２１０は第１のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、２１１はｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ電流狭窄層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、２１２は第２のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）、２１３はｐ型ＧａＮコンタクト層をそれぞれ表す。

具体的な成長手順としては、まず、ＧａＮ層１０３の上にクラッド層２０６〜電流狭窄層２１１までを成長する。その後、成長室からウェーハを取り出し、電流を流す部分を選択的にエッチングしてクラッド層２１０を露出させる。次に、再び成長室にウェーハを導入し、第２のクラッド層２１２とコンタクト層２１３を成長する。レーザの素子構造１０６の一連の成長は、ＭＯＣＶＤ法により行うことができる。

このようにして成長したウェーハに図示しない電極を形成し、へき開してチップ化し、ヒートシンク３００にマウントすることよりレーザ装置が完成する。このようにして形成したレーザ装置は、チップの上側にｎ側電極を有し、下側にｐ側電極を有する。

本発明により製造された半導体発光素子は、従来のサファイア基板上に形成された発光素子と比較して、極めて良質の結晶性を有し、電気的光学的特性が顕著に改善される。しかも、前述した第１実施形態と同様に、ｐ側とｎ側電極をそれぞれ素子の上下に設けることができるので、コンタクト面積を拡大して素子抵抗を低減させ、チップサイズも小型化することができる。

また、チップの上下方向に電流を流すことができるために、素子中の欠陥が極端に減少し、レーザの信頼性が大きく向上した。すなわち、信頼性試験の結果、室温で５０ｍＷの動作条件において１０万時間を越える寿命が予想される結果が得られた。

図８は、本実施形態により製造される半導体レーザ装置の第２の具体例を表す概略断面図である。同図関しては、図７と同様の部分には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。図８のレーザ装置は、ヒートシンク３００とは反対側の表面にｐ側電極２６０とｎ側電極２５０が形成されている。

このタイプの素子を作成するには、素子構造１０６の形成までは、図７に前述した工程と同じで良いが、その次にｎ側電極２５０を形成するためのエッチングが必要となる。すなわち、はじめにｐ側電極２６０をパターニングして形成する。次に、ｐ側電極２６０が作成される部分にはＳｉ０₂ などによるマスクを形成し、それ以外の部分をドライエッチング法により選択的にエッチングしてｎ型ＧａＮ層１０３を露出させる。Ｓｉ０₂ を除去した後に、ｎ側電極を形成する部分とｐ側電極以外をＳｉ０₂ 電流リーク防止膜２４０で覆う。最後に、ｎ側電極２５０を形成する。

図８に示したレーザ装置の場合には、従来の装置と異なりサファイア基板がヒートシンクと活性層との間に存在しないので、熱の放出が効率的に行われレーザの熱特性、寿命、及び発光効率が大きく向上した。

次に、本実施形態の変形例について説明する。
図９は、本発明の第２実施形態の変形例を表す概略工程断面図である。本具体例においては、まず、図９（ａ）に示したように、サファイア基板１０１の上にハイドライドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０７を約１μｍの層厚に成長する。

次に、図９（ｂ）に示したように溝を形成する。具体的には、図示しないマスクを形成し、ドライエッチング法を用いて例えば幅２μｍで深さ３μｍのエッチングを施して溝１０２を形成する。

次に、図９（ｃ）に示したように、ＧａＮ層を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度ハイドライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚のＧａＮ層１０３を成長する。
この際に、予め成長したＧａＮ層１０７がエピタキシャル成長の結晶核となり、溝１０２を安定して塞ぐことができる。

その後、室温まで冷却することにより、図９（ｄ）に示したように、サファイア基板１０１を剥離することができる。この後、得られたＧａＮ層１０３と１０７の積層体を新たな基板としてＭＯＣＶＤ装置に導入し、所定の素子構造を成長することができる。

なお、ＧａＮ層１０３を成長後にサファイア基板１０１が剥離しない場合には、ウェーハをそのままＭＯＣＶＤ層に導入し、所定の素子構造を形成してから、熱的あるいは機械的な負荷を加えることによって応力を印加し、サファイア基板１０１を剥離しても良い。

本具体例においても、図６〜図８に関して前述した種々の効果を同様に得ることができる。さらに、本具体例においては、サファイア基板１０１の上に予めＧａＮ層１０７を成長することにより、その上のＧａＮ層１０３の成長が容易となり、溝１０２を安定して塞ぐとともに、この上に成長する素子構造の結晶性をさらに向上させることができる。

次に、本実施形態の第２の変形例について説明する。
図１０は、本発明の第２実施形態の第２変形例を表す概略工程断面図である。本具体例においては、まず、図１０（ａ）に示したように、サファイア基板１０１の上に溝１０２を形成する。具体的には、サファイア基板にダイシングカッターで例えば幅２０μｍ、深さ２０μｍの溝を約４０μｍ間隔で形成する。

次に、図１０（ｂ）に示したように溝の底部にマスク層１０８を堆積する。具体的には、溝１０２以外の部分に図示しないマスクを形成し、Ｓｉ０₂ などを堆積してマスク層１０８とする。この場合、マスク層１０８となるＳｉ０₂ の厚さはサファイアの溝の深さである２０μｍ以下であれば良く、例えば１μｍとすることができる。

次に、図９（ｃ）に示したように、ＧａＮ層１０３を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度ハイドライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚のＧａＮ層１０３を成長する。この際に、溝１０２の底部に予めマスク層１０８を設けたことにより、ＧａＮの異常成長を防ぐことができる。すなわち、サファイア基板の溝１０２の底部は、ダイシングなどによる加工の際の歪みが残留している場合が多い。このような歪みは、その上に成長するＧａＮの異常成長を引き起こすことがあり、このために、溝１０２がＧａＮ層１０３によりうまく塞がれず、その上に成長する素子構造部の結晶性が劣化するという事態が生ずることがある。

本変形例においては、溝１０２の底部にＳｉＯ２などのマスク層１０８を設けることにより、ＧａＮの異常成長を抑止し、良好な結晶品質を有する窒化物系半導体のエピタキシャル層を得ることができる。

本変形例により、およそ１００μｍの層厚のＧａＮ層１０３を成長したところ、その表面はミラー状の平坦面となり、光学顕微鏡で観察しても穴（ピット）などの目立った表面パターンは見られなかった。また、ＧａＮ層１０３を成長したウェーハをハイドライド成長装置を取り出したところ、ほとんどのウェーハはサファイア基板から剥離していた。剥離しなかったウェーハを、純水の中で超音波洗浄した結果、５分程度でサファイア基板１０１が剥離した。

さらに、得られたＧａＮ層１０３の上に図７および図８と同様のレーザ素子を作製したところ、ほぼ同様の特性が得られた。一方、剥離したサファイア基板について通常の前処理を行い、再びＧａＮ層１０３を成長したところ、前に得られたＧａＮ層１０３と同様の高品質の結晶が得られた。

このように、本変型例によっても、容易且つ確実にサファイア基板を剥離し、極めて良質の結晶性を有するＧａＮ層を得ることができる。また、窒化物系半導体からなる半導体素子の生産コストのうちで大きな部分を占めるサファイア基板を再利用でき、顕著なコストダウンも併せて実現することができる。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
図１１は、本発明の第３の実施の形態を表す要部工程断面図である。
また、図１２は、本実施形態により製造されるレーザ装置の一例を表す概略断面図である。
まず、図１２に示したレーザ装置の構成を説明すると、同図中の符号４０２はｐ側電極、４０３はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、３〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3、０．０１μｍ）、４０４は第１のＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．７μｍ）、４０５はＡｌＧａＮ電流狭窄層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．２μｍ）、４０６は第２のＡｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｏ．１μｍ）、４０７はＡｌＧａＮオーバーフロー防止層、４０８はＧａＮガイド層（アンドープ、０．１μｍ）、４０９はＭＱＷ（Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／Ｉｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ、３周期）活性層、４１０はＧａＮガイド層（Ｓｉドープ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）、、４１１はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．８μｍ）、４１２はｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０１μｍ）、４１３はＧａリッチｎ型ＧａＮ層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０１μｍ）、４１４はｎ側電極である。また、同図中５００はヒートシンクである。

このようなレーザ素子は、サファイア基板１０１の上にエピタキシャル成長することにより製造することができる。すなわち、図１１（ａ）に示したように、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１の上に素子構造部４０１を成長する。

具体的には、まず、ＧａＮ層４１２からＡｌＧａＮ電流狭窄層４０５までをこの順番にサファイア基板１０１の上に成長する。この後、ＭＯＣＶＤ装置の成長室よりウェーハを取り出し、電流狭窄層４０５上の一部にマスクを形成しクラッド層４０６が露出するまでエッチングを行い一部を除去し、電流が流れる部分を設けた後、再成長を行いクラッド層４０４とコンタクト層４０３を成長する。

次に、図１１（ｂ）に示したように、サファイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射する。すると、ＧａＮ層４１２が電界により分解され、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）に分かれて窒素が蒸発し、図１１（ｃ）に示したようにサファイア基板１０１を剥離することができる。

ここで照射するレーザ光としては、サファイア基板１０１の上に成長されたＧａＮ層４１２において吸収率が高い波長の光とすることが望ましい。具体的には、例えば窒素レーザを用いることができる。また、基板を安定して剥離するためには、レーザ光の照射密度は、２０ＭＷ／ｃｍ² 以上とすることが望ましい。但し、結晶が多結晶であったり、ＩｎＧａＮのようなＩｎ（インジウム）を含む層である場合には、１ＭＷ／ｃｍ² 程度でも基板を剥離することが可能であった。

このようにしてサファイア基板１０１を剥離すると、ＧａＮ層４１２の剥離面においてＧａＮがガリウム（Ｇａ）と窒素とに分離し、表面付近の窒素が解離してＧａリッチＧａＮ層４１３が形成される。

このようにしてサファイア基板１０１を剥離した素子構造４０１の上下に電極４０２、４１４を形成し、へき開してチップ化する。ＧａリッチＧａＮ層４１３の上にｎ側電極４１４を形成する際には、電極とＧａＮ層４１３とが合金化しやすく、接触抵抗を従来よりも小さくすることができるという利点が得られる。

その後、ｐ側電極４０２をヒートシンク５００に接合させる。ｐ側電極と金属ヒートシンクを接合するためには、高真空中でそれぞれの表面を水素やアルゴンなどのプラズマにより処理することが望ましい。この場合には、ヒートシンクの表面は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはそのいずれかの合金によりコーティングされていることが望ましい。このようにして接合すれば、従来用いていたようなＩｎ（インジウム）やガリウム（Ｇａ）あるいはすず（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）などの低融点金属半田を用いた場合に問題となっていた金属の這い上がりによる電流リークを解消することができる。

このようして製造したレーザ装置を動作させたところ、しきい値７０ｍＡで室温で連続発振した。また、発振波長は４１０ｎｍであり、動作電圧は３．１Ｖであった。さらに、サファイア基板を介することなくヒートシンクにマウントすることにより、レーザの放熱特性は従来のものに比べて５倍向上した。また、共振器面をへき開により安定して形成することができるために端面反射率が高く、また、高反射コートを施した場合にも面の荒れが少ないので高反射が容易に得られる。これらの効果により、しきい値を始めとする諸特性を改善することができる。

また、サファイア基板上に形成した従来の素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電極をとっていたが、これと比較して本実施形態によればリーク電流が減少する。

さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないために発振モードが安定しており、しきい値も低下する。

また、本実施形態においても、剥離したサファイア基板を再利用することにより、製造コストを大幅に低減することもできる。

従来は、プロセス中の取扱いの容易さや結晶成長時に用いる基板の関係上、研磨などにより薄膜化を行うものの、その全体の厚みは、１００μｍ程度であった。しかし、このように厚い素子では、素子の特に活性層から発生した熱を放出するため際の熱抵抗及び熱容量が大きくなる。また、厚みが限定以上になると、熱の分布により素子中の歪みが大きくなり、特性の劣化を引き起こす。

本発明者は、このような素子の厚みと特性の関係を調べた。下記の表は、素子の厚みと、寿命試験により得られた素子寿命（時間）との関係を表すものである。

厚み（μｍ） 10 20 30 50 70
素子Ａ 10 ⁵ 10 ⁵ 6 ×10⁴ 9 ×10³ 6 ×10³
素子Ｂ 10 ⁵ 10 ⁵ 10 ⁵ 8 ×10⁴ 6 ×10⁴
素子Ｃ 10 ⁵ 10 ⁵ 4 ×10⁴ 6 ×10³ 4 ×10²
（時間）
ここで、素子Ａは、ヒートシンクに接している窒化物層がＧａＮであるレーザ素子であり、素子Ｂは、ヒートシンクに接している窒化物層がＡｌＧａＮ（Ａｌ組成は５％）、素子Ｃは、ヒートシンクに接している窒化物層がＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成は１０％）のレーザ素子である。いずれの素子構成の場合にも、素子の厚みが薄くなる方が寿命が良好であることが分かる。素子の構造によりばらつきがあるが、素子の厚みがおよそ２０μｍよりも薄くなると寿命が安定している。つまり、本実施形態において、素子の部分の厚みを２０μｍ以下とすると、良好な寿命が得られる。

ここで、サファイア基板を剥離して得られる素子部の厚みが２０μｍ以下の場合にも、通常は、既存の製造方法によりで製造することは十分に可能である。しかし、ハンドリングが容易でない場合には、サファイア基板を剥離する前に、ｐ側電極を形成し、適当な基板を貼り付けてハンドリングを行えば良い。この場合に、貼り付ける基板として、へき開性のある基板を用い、素子のＧａＮ層とへき開方向が平行になるように貼り付けることが望ましい。このようにすれば、レーザの端面を形成する際のへき開を円滑に行うことができる。このような基板としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮなどを用いることができる。この基板は、主要なプロセスが終了した時点で剥離すれば良い。
このようにすれば、素子の厚みが薄い場合においても、ハンドリング性が向上し生産効率を改善することができる。

次に、本実施形態の第２の具体例について説明する。
図１３は、本実施形態の第２の具体例を表す概略断面図である。
すなわち、同図は、サファイア基板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。同図に関しては、図１２について前述した部分と同一の部分には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図１３に示した具体例においては、結晶成長の際にいわゆるラテラル成長を行い結晶の欠陥を低減する。具体的には、サファイア基板１０１の上にＧａＮ層５０２を成長し、成長室より取り出してＧａＮ層５０２の一部を覆うように選択的にＳｉＯ₂ 層５０３を形成する。その後、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＳｉＯ₂ 層５０３の間隙に露出するＧａＮ層５０２を結晶成長の核として面内方向にＧａＮを成長させるラテラル成長により、ＧａＮ層５０４を成長する。

その後、ｎ型コンタクト層４１２からｐ型コンタクト層４０３までの各層を成長する。
しかる後に、サファイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射して基板１０１を剥離し、ＧａＮ層５０４、ＳｉＯ₂ 層５０３、ＧａＮ層５０４をドライエッチングにより除去してコンタクト層４１２を露出させる。さらに、電極を形成してレーザ素子が完成する。

本変形例によれば、サファイア基板１０１の上に窒化物系半導体の層をエピタキシャル成長するに際して、いわゆるラテラル成長を採用することにより、素子の各層の結晶欠陥を大幅に減少し、発光特性や電気特性さらに素子寿命を向上させることができる。

次に、本実施形態の第３の具体例について説明する。
図１４は、本実施形態の第３の具体例を表す概略断面図である。すなわち、同図は、サファイア基板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。まず、サファイア基板１０１の上にＧａＮ層６０１を成長し、成長装置からウェーハを取り出し、一部分を残してＳｉ０₂ 膜６０２で表面を覆う。この後、再び成長を行う。すなわち、ＧａＮバッファ層６０３、ＩｎＧａＮ層６０４、ｎ型ＧａＮ層６０５、ｎ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、４０ｎｍ、ＡｌＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、４０ｎｍ、全膜厚Ｏ．８μｍ）６０６、ＧａＮ光閉じ込め層（アンドープ、Ｏ．１μｍ）６０７、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸層２ｎｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）６０８、ＧａＮ光閉じ込め層（アンドープ、０．１μｍ）６０９、第１のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）６１０、ｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ電流狭窄層（Ｓｉドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）６１１をこの順に成長する。

その後成長室からウェーハを取り出し、電流を流す部分をエッチングにより選択的に除去して第１のクラッド層６１０を露出させ、さらに第２のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｓｉドープ、１×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１μｍ）６１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層６１３を成長する。この状態を表したものが図１４である。

この後、サファイア基板１０１の裏面からレーザ光を照射して基板１０１を剥離する。
ここで、レーザ光の波長として、ＧａＮに対しては透明でＩｎＧａＮに対して吸収率が高い波長を用いることにより、ＩｎＧａＮ層６０４にレーザ光を吸収させて電界によりＩｎＧａＮが分解され、サファイア基板１０１とともにＧａＮ層６０１、Ｓｉ０₂ 膜６０２およびＧａＮバッファ層６０３を剥離することができる。

ＩｎＧａＮ層６０４のＩｎ（インジウム）組成比が２０％程度の場合には、レーザ光の波長は４００ｎｍ前後がよい。

このようにして剥離した後、素子の両面にそれぞれ電極を形成し、へき開してチップ化する。これをヒートシンク５００の上にマウントすることにより、図１５に示したような半導体レーザ装置が完成する。

また、図１６は、ヒートシンク５００と反対側の表面においてｐ側電極とｎ側電極を形成した例を表す概略断面図である。このレーザ素子も、前述したものと同様に、サファイア基板上に各層を結晶成長し、基板の裏面からレーザ光を照射することにより基板を剥離して形成することができる。図１６の素子の構成は、図８に関して前述したものと概略同様であるので、ここでは同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

本実施形態においても、サファイア基板を容易且つ確実に剥離することができるので、前述した第１実施形態や第２実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態においては、サファイア基板を剥離して得られる素子の厚みを２０ｕｍ以下とすることにより、前述したように寿命を改善することができる。

次に、本発明により得られるスタック（積層）型レーザについて説明する。

図１７は、本発明により得られるスタック型レーザの構成を例示する概念図である。すなわち、本発明のスタック型レーザ７００は、レーザ素子７０１を縦横に積層した構成を有する。それぞれのレーザ素子７０１の間には、ヒートシンク７０２が設けられ、電極としての役割も有する。また、一端に正極側の電極７１０が設けられ、他端に負極側の電極７２０が設けられる。レーザ素子７０１は、前述した第１乃至第３実施形態により製造することができ、それぞれ素子の上下にｐ側コンタクトとｎ側コンタクトを有するものである。電流の注入は、上下の電極７１０、７２０を介して行う。

このようなスタック型レーザにより超高出力が得られる。図１７においては、５行５列にレーザ素子７０１を積層したレーザを例示したが、素子の個数は何個でもよい。本発明によれば、これらのレーザ素子７０１にはサファイア基板がないので放熱特性が良好で非常にコンパクトなスタック型レーザが得られる。これにより得られるレーザビームスポットは、固体レーザやガスレーザとほぼ同じサイズも可能であり大口径の平行ビームが得られる。

本発明によれば、特に高出力でビームスポットが小さいことと、半導体レーザゆえに高速変調ができることを利用することによりレーザプロジェクタの光源としても非常に理想的なスタック型レーザが実現される。

本発明者の実験の結果、図１７のレーザに電流を注入したところ、動作電圧１５Ｖで発振しきい値１５０ｍＡ、駆動電流１０Ａにおいて出力９０Ｗの発光特性が得られた。スタック型レーザを構成しているレーザ素子７０１の厚みが２０μｍ程度なので、５段重ねた場合には、ヒートシンク７０２の厚さを加えても、全体の厚みは数ｍｍ程度である。

従来の高出力スタック型レーザにおいては、積層前の個々のレーザ素子の電極間の厚みが１００μｍ以上もあり、つまり、レーザ素子の発光点の間隔がこのような素子の厚みの分だけあった。このようなレーザでは、それぞれの素子から放出されるレーザビームは独立したものであり、ある素子から放出された光が隣接する素子に与える影響は極めて小さかった。

これに対して、本発明によれば、個々のレーザ素子７０１の厚みを２０μｍ程度とすることによって発光点が近接し、相互に隣接するレーザ素子からの光の影響をうけるようになる。その結果として、個々のレーザ素子７０１は、隣接する素子の活性層からの光により励起されやすくなり、発光効率が上昇する。

図１８は、本発明によるスタック型レーザの変形例を表す概念図である。すなわち、同図のスタック型レーザにおいては、ヒートシンク７０４としてダイヤモンド薄膜を用い、電流注入のための電極７０３をダイヤモンド薄膜７０４の上にパターニングして形成することにより、レーザ素子７０１のそれぞれを個別に制御することが可能である。

また、それぞれの素子７０１の電極とヒートシンク７０４の上の電極とを接合するために高真空中でそれぞれの表面を水素やアルゴンなどのプラズマにより処理し接合することにより、これまで用いていたような低融点金属を用いた場合に問題となっていた金属の這い上がりによる電流リークを抑えることができる。

また、ヒートシンク７０４の上下から圧力を加えることにより、結晶に歪みがかかりバレンスバンドのパンドスプリッティングが生じ、状態密度が小さくなるのでしきい値の低減が図れる。同時に密着性が良くなり熱抵抗が減少する。

本発明のスタック型レーザをレーザプロジェクタに使用したところ１０００インチの大型画面であっても屋外で日中に鑑賞可能な輝度の高い高品位なプロジェクタが実現された。また、これまではガスレーザを用いていたので１５００ｋｇもあったプロジェクタ装置の重量を５０ｋｇに減少することができた。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、各具体例において用いたサファイア基板の他に、サファイアに限定されず、その他にも、例えば、スピネル、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ₄ 、ＬａＳｒＧａＯ₄ 、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃ などの絶縁性基板や、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの導電性基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができる。また、II−VI族化合物半導体を基板として用いることもできる。ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ₄ 基板の場合には、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃ 基板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。

また、各具体例において示した発光素子の構造は一例に過ぎず、その構成は当業者が種々に変形することができる。例えば、各層の導電型は、反転させることが可能であり、また、活性層として多重量子井戸構造を採用したり、また、種々の電流狭窄構造を採用しても良い。

さらに、本発明は半導体レーザに限定されず、発光ダイオードやその他の窒化物系半導体をもちいた発光素子に対して同様に適用して同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。 図１のＧａＮ１２、ＡｌＧａＮ層１３、ＧａＮ層１４の部分を表す要部拡大断面図である。 「リフトオフ層」としてＩｎＧａＮを用いた場合を例示する要部断面図である。 第１実施形態により作製した半導体レーザを例示する概略断面図である。 図４と同様な製造方法により作製した発光ダイオードを表す概略断面図である。 本発明の第２実施形態を説明するための概念図である。 第２実施形態により製造した半導体レーザの構造の一例を表す概略断面図である。 第２実施形態により製造されるレーザ素子の別の具体例を表す概略断面図である。 本発明の第２実施形態の第１変型例を表す概略工程断面図である。 本発明の第２実施形態の第２変型例を表す概略工程断面図である。 本発明の第３の実施の形態を表す要部工程断面図である。 第３実施形態により製造されるレーザ素子の一例を表す概略断面図である。 第３実施形態の第２の具体例を表す概略断面図である。 第３実施形態の第３の具体例を表す概略断面図である。 第３実施形態による半導体レーザ装置を表す概略断面図である。 ヒートシンク５００と反対側の表面においてｐ側電極とｎ側電極を形成した例を表す概略断面図である。 本発明により得られるスタック型レーザの構成を例示する概念図である。 本発明によるスタック型レーザの変形例を表す概念図である。

符号の説明

１２ ＧａＮ層
１３ ＡｌＧａＮ層
１４ ＧａＮ層
１５ ＧａＮ層
１６ 多層構造部
１７ 治具
１８ ｐ側電極
１９ ｎ側電極
２０Ａ クラック
２０Ｂ 空隙
２０Ｃ ピット
２１ ＩｎＧａＮ層
２４ ｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層
２５ ＧａＮ光導波層
２６ 多重量子井戸構造からなる活性層部
２７ ＧａＮ光導波層
２８ ｐ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層
２９ ｎ型ＩｎＧａＮからなる電流狭窄層
３０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ ｐ側電極
３２ ｎ側電極
３４ ｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層
３５ 多重量子井戸構造（ＭＱＷ）活性層
３６ ｐ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層
３７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３８ ｐ側電極
３９ ｎ側電極
４０ チップキャリヤ
１０１ サファイア基板
１０２ 空隙
１０３ ＧａＮエピタキシャル層
１０４ 多結晶化したＧａＮ
１０６ 素子構造
１０７ ＧａＮ層
１０８ マスク層
２０６ ｎ型クラッド層
２０７ ＧａＮ光閉じ込め層
２０８ Ｉｎ_O.2 Ｇａ_O.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層
２０９ ＧａＮ光閉じ込め層
２１０ 第１のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層
２１１ ｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ電流狭窄層
２１２ 第２のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層
２１３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２４０ 保護膜
２５０ ｎ側電極
２６０ ｐ側電極
３００ ヒートシンク
４０１ 素子構造部
４０２ ｐ側電極
４０３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４０４ 第１のＡｌＧａＮクラッド層
４０５ ＡｌＧａＮ電流狭窄層
４０６ 第２のＡｌＧａＮクラッド層
４０７ ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層
４０８ ＧａＮガイド層
４０９ ＭＱＷ活性層
４１０ ＧａＮガイド層
４１１ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４１２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４１３ Ｇａリッチｎ型ＧａＮ層
４１４ ｎ側電極
５００ ヒートシンク
６０１ ＧａＮ層
６０２ Ｓｉ０₂ 膜
６０３ ＧａＮパツファ層
６０４ ＩｎＧａＮ層
６０５ ｎ型ＧａＮ層
６０６ ｎ型ＧａＮクラッド層
６０７ ＧａＮ光閉じ込め層
６０８ 活性層
６０９ ＧａＮ光閉じ込め層
６１０ 第１のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層
６１１ ｎ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ電流狭窄層
６１２ 第２のｐ型Ａｌ_0.03Ｇａ_0.97Ｎクラッド層
６１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７００ スタック型レーザ
７０１ レーザ素子
７０２ ヒートシンク
７０３ 電極
７０４ ヒートシンク
７１０ 電極
７２０ 電極

Claims (2)

1. 基板上に前記基板を構成する材料よりも小さいバンドギャップを有する窒化物系半導体からなる第１の層を形成する工程と、
   ＳｉＯ _２ 層を前記第１の層の上に選択的に形成する工程と、
   前記ＳｉＯ _２ 層の上に、前記第１の層を結晶成長の核として面内方向に窒化物系半導体をラテラル成長させて、窒化物系半導体からなる第２の層を形成する工程と、
   前記基板の裏面からレーザ光を照射して前記第１の層に吸収させることにより前記基板と前記第２の層とを分離する工程と、
   前記レーザ光の照射により、前記第１の層の前記第２の層とは反対の面側の窒素を解離させて、前記第１の層よりも窒素の含有率が低い窒化物系半導体からなる第３の層を形成する工程と、
   前記第３の層の前記第２の層側とは反対側の面に電極を形成する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. 前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。

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