JP4952883B2 - 半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、成長基板とは異なる基板への転写工程を経て製造される半導体発光素子に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ；Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode)等の半導体発光素子の外部量子効率は、内部量子効率と光抽出効率との２つの要素からなり、これらの効率を改善することにより、長寿命、低消費電力、かつ、高出力の半導体発光素子を実現することが可能となる。ここで、前者の内部量子効率は、例えば、結晶欠陥や転位の少ない良質な結晶が得られるように成長条件を厳格に管理したり、キャリア・オーバーフローの発生を抑制することの可能な層構造とすることにより改善される。

一方、後者の光抽出効率については、例えば、成長基板が光吸収作用を有する材料により形成され、しかもこの成長基板が射出窓側に存在する場合には、活性層などの化合物半導体層を成長基板から新たな基板（支持基板）へ転写することにより改善することができる。すなわち、成長基板上に活性層などの化合物半導体層を形成し、この化合物半導体層の上に支持基板を所定の圧力で貼り合わせて剛性を確保したのち、成長基板をエッチングにより除去するものである。例えば、ＧａＡｓ基板（成長基板）上にＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層を成長させて製造されるＡｌＧａＩｎＰ系の赤色発光ダイオードでは、ＧａＡｓ基板は赤色の波長成分を吸収しやすいので、成長した化合物半導体層に、赤色の波長成分を吸収しにくいＧａＰ基板（支持基板）を貼り付けたのち、ＧａＡｓ基板を除去する。これにより発光強度を向上させることができる。

ここで、基板の貼り合わせ作業は、貼り合わせ強度が十分に得られるようにするために高圧で行われるのが一般的である。ところが、基板や活性層などの化合物半導体層が例えばＧａＡｓ（ガリウム・ヒ素）などの閃亜鉛鉱型構造を有する結晶で構成されている場合には、高圧に曝されると結晶方向に沿って割れやすい（劈開しやすい）性質を有する。例えば、（１００）面が基板の表面（結晶面）と平行となっている場合には、その結晶面に垂直な方向から圧力が加わると、基板は結晶方向［０１１］または［０１−１］に沿って割れやすい。基板が割れることのないようにするためには、できるだけ圧力を下げることが好ましい。そこで、引用文献１では、互いの貼り合わせ面に、Ａｕ（金）を主成分とする金属層（反射層）をあらかじめ設けておく技術が提案されている。これにより、ウェハの割れを生じさせることなく、基板同士を貼り合わせることが可能となる。

特開２００４−２３５５８１号公報

しかし、上記した特許文献１記載の技術では、確かに基板同士を貼り合わせることは可能であるが、貼り合わせの際に圧力を下げているので、貼り合わせ面の密着性が低く、基板が剥離し易いという問題がある。また、貼り合わせ面にボイドが発生し易くなるという問題もある。このように、従来技術では、貼り合わせの際の圧力を高くすると、基板が割れ易くなってしまい、逆に圧力を低くすると、基板が剥離し易くなったり、貼り合わせ面にボイドが発生し易くなるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、割れやボイドの発生を防止しつつ、十分な圧力をもって複数の基板を貼り合わせることができ、活性層等の化合物半導体層を成長基板とは異なる支持基板へ歩留りよく転写することのできる製造方法によって製造された半導体発光素子を提供することにある。

参考例に係る半導体発光素子の製造方法は、面内に第１結晶方向を有する第１半導体基板上に、結晶成長により化合物半導体層を形成する工程と、面内に第２結晶方向を有する第２半導体基板を、第１半導体基板の化合物半導体層側に所定の圧力で、かつ第２結晶方向が第１結晶方向に対してねじれの関係となるようにして貼り合わせる工程と、第１半導体基板に第２半導体基板を貼り合わせたのち、化合物半導体層から第１半導体基板を取り除く工程とを含ものである。

なお、ここでの「結晶方向」は、各基板の面に対して垂直方向から圧力を加えた場合にそれぞれ面内において劈開しやすい方向を指すものであり、例えば、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造において、（１００）面が基板の表面（結晶面）と平行となっている場合には、垂直方向から圧力が加わったときには［０１１］または［０１−１］方向に沿って割れやすいので、これらの２方向を指すものとする。

参考例に係る半導体発光素子の製造方法では、貼り合わせ工程において十分な圧力が加わっても、第２半導体基板と、第１半導体基板およびそれを基に成長した化合物半導体層との間では結晶方向が互いにずれているため、いずれの基板も割れることなく貼り合わせが行われる。

また、本発明の半導体発光素子は、化合物半導体層と、化合物半導体層を支持する支持基板とを備えたものである。化合物半導体層および支持基板は互いに同型の結晶構造を有する。化合物半導体層は、第１多層膜反射鏡、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層、および第２多層膜反射鏡を支持基板側からこの順に含む。支持基板の結晶方向と、第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに同一の方向を向いている。活性層の結晶方向と、第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに異なる方向を向いている。第２多層膜反射鏡の結晶方向と、第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに異なる方向を向いている。

参考例に係る半導体発光素子の製造方法によれば、貼り合わせ工程において、第２半導体基板と、第１半導体基板およびそれを基に成長した化合物半導体層との間で、その結晶方向をねじれの関係になるようにして互いにずらすようにしたので、いずれの基板も割れる虞がなくなる。従って、貼り合わせ強度が十分に得られるような圧力を加えることが可能になり、歩留りの極めて良好な半導体発光素子を実現することができる。

〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオード１（ＬＥＤ）の断面構造を表したものである。この発光ダイオード１は、支持基板１０の一面側に、第１金属層１１、第２金属層１２、第１クラッド層１３、活性層１４、第２クラッド層１５およびコンタクト層１６をこの順に積層した積層構造を有する。コンタクト層１６の表面には中央に開口部１７Ａを有するリング状のｐ側電極１７が形成されている。支持基板１０の裏面にはｎ側電極１８が形成されている。この発光ダイオード１は、支持基板１０側の第１金属層１１および第２金属層１２が反射層として機能する上面発光型の発光素子であり、活性層１４の発光領域１４Ａから放出された光が開口部１７Ａから射出されるようになっている。

支持基板１０は、閃亜鉛鉱型構造を有する混晶、例えばｎ型ＧａＡｓやｎ型ＧａＰにより構成される。

反射層としての第１金属層１１および第２金属層１２は、例えば金（Ａｕ）やクロム（Ｃｒ）などの高反射率の金属により形成されている。

第１クラッド層１３、活性層１４、第２クラッド層１５およびコンタクト層１６は化合物半導体層であり、ここでは閃亜鉛鉱型構造を有する混晶、例えばＡｌＧａＩｎＰ系半導体によりそれぞれ構成されている。ＡｌＧａＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のアルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

活性層１４は、例えば量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備え、例えば、アンドープＩｎ_a Ｇａ_1-a Ｐ（０≦ａ≦１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌ_b Ｇａ_1-b ）_1-c Ｉｎ_c Ｐ（０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１）からなる障壁層とを一組として、それを複数積層して構成される。ここで、活性層１４のＩｎ組成の値ａ，ｃおよびＡｌ組成の値ｂは、発光波長や、キャリア密度分布などを勘案して決定される。なお、活性層１４は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。

第１クラッド層１３は例えばｎ型（Ａｌ_d Ｇａ_1-d ）_1-e Ｉｎ_e Ｐ（０≦ｄ≦１，０≦ｅ≦１）により、第２クラッド層１５は例えばｐ型（Ａｌ_f Ｇａ_1-f ）_1-g Ｉｎ_g Ｐ（０≦ｆ≦１，０≦ｇ≦１）によりそれぞれ構成される。また、第１クラッド層１３および第２クラッド層１５は、活性層１４より大きなバンドギャップを有する。ここで、第１クラッド層１３および第２クラッド層１５のＡｌ組成およびＩｎ組成は、活性層１４に対するキャリアの閉じ込め性や注入性などを勘案して決定される。コンタクト層１６は、例えばｐ型ＧａＰにより構成される。

ｐ側電極１７は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をコンタクト層１６の表面にこの順に積層した構造を有し、コンタクト層１６と電気的に接続されている。また、ｎ側電極１８は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とをこの順に積層した構造を有し、支持基板１０と電気的に接続されている。

本実施の形態では、支持基板１０、第１クラッド層１３、活性層１４、第２クラッド層１５およびコンタクト層１６は、上記のように閃亜鉛鉱型構造を有する混晶により構成され、図２に示したように、支持基板１０と活性層１４などの化合物半導体層とは、互いに対向する結晶面Ｓ１，Ｓ２が格子面（１００）と平行となっている。一方、支持基板１０および化合物半導体層のそれぞれの結晶方向［０１１］は互いに異なる方向を向いており、角度θでねじれの関係となっている。［０１−１］方向についても同様である。

すなわち、化合物半導体層は、支持基板１０とは異なる別の基板（後述の成長基板１００Ｄ）上に結晶成長させたものであり、本実施の形態の発光ダイオード１は、この化合物半導体層が形成された成長基板１００Ｄに支持基板１０を互いの結晶方向をずらして重ねた状態で貼り合わせたのち、成長基板１００Ｄを除去したものであることがわかる。ここで、ねじれの角度θは、［０１１］と［０１−１］とが重なる角度０，９０，１８０，２７０度を除くものであり、好ましくは５度以上８５度以下の範囲内の一の角度であり、より好ましくは４５度である。

このように本実施の形態では、それぞれの結晶方向［０１１］，［０１−１］が意図的に互いに異なる方向を向くようにして、支持基板１０と化合物半導体層とが貼り合わされているので、支持基板１０および化合物半導体層それぞれの劈開しやすい方向が互いに異なるものとなっている。

本実施の形態の発光ダイオード１では、ｐ側電極１７およびｎ側電極１８に電流が供給されると、電流が活性層１４の発光領域１４Ａに注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光（ここでは、赤色発光）が生じる。この発光領域１４Ａで生じた発光光のうち射出窓である開口部１７Ａに直接向かう光はｐ側コンタクト層１６を透過して外部に射出され、基板１０側に向かう光は第１金属層１１および第２金属層１２からなる反射層によってｐ側コンタクト層１６側に反射されたのち、開口部１７Ａから射出される。

このとき、後述の製造工程で説明するように光吸収作用を有する成長基板（ＧａＡｓ基板）は製造工程において予め除去されているので、開口部１７Ａ側で光が吸収されるようなことはなく、さらに、支持基板１０と第１クラッド層１３との間に反射層（第１金属層１１および第２金属層１２）が形成されているので、支持基板１０側で光が吸収されることもない。これにより光抽出効率が向上する。

次に、図３〜図５を参照して上記発光ダイオード１の製造方法について説明する。

なお、以下の説明において、符号の末尾に付いているＤ（例えば、活性層１４Ｄにおける末尾の「Ｄ」）は、劈開してチップ状に成形する前のウェハの状態であることを示しており、符号の末尾にＤの付いたものは符号の末尾にＤの付いていないものと同様の組成からなる。また、図３および図５に示した、積層方向に垂直な点線はチップ状に成形する際に劈開することとなる箇所を表している。このことは、図８、図１０、図１１および図１３においても同様である。

この発光ダイオード１を製造するためには、例えばＧａＡｓからなる成長基板１００Ｄ上に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン (ＰＨ₃ ) を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばセレン化水素（Ｈ₂ Ｓｅ）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。

具体的には、まず、図３（Ａ）に示したように、成長基板１００Ｄの表面に、コンタクト層１６Ｄ、第２クラッド層１５Ｄ、活性層１４Ｄ、第１クラッド層１３Ｄをこの順に積層したのち、更に第１クラッド層１３Ｄ上に第２金属層１２Ｄを形成する。以下、これを第１ウェハＷ１という。一方、例えばＧａＰからなる支持基板１０Ｄの表面に第１金属層１１Ｄを形成する。以下、これを第２ウェハＷ２という。

次に、図３（Ｂ）に示したように、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２を、第１金属層１１Ｄおよび第２金属層１２Ｄを互いに対向させた状態で、所定の温度（例えば３００℃〜３５０℃）、所定の圧力Ｆ（例えばウェハサイズが３インチの場合は２０００Ｎ〜８０００Ｎ）を加えて貼り合わせる。このとき、図４に示したように、それぞれの結晶方向［０１１］，［０１−１］が角度θでねじれの関係となるようにして、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２を貼り合わせる。

これにより、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２の劈開しやすい方向が互いに異なる方向となるので、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２に対して、貼り合わせ強度が十分に得られるような圧力Ｆを加えたとしても、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２がそれぞれ結晶方向に沿って割れる虞はない。この結果、これらの結晶方向［０１１］，［０１−１］それぞれが第１ウェハＷ１と第２ウェハＷ２とで重なるように貼り合わされた場合と比べて、歩留りが向上する。

なお、図４では、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２のそれぞれのオリエンテーションフラット（Orientation Flat, 以下、ＯＦという）ａ１，ａ２を、結晶方向［０１１］と直交する弦で切り欠くことにより形成し、互いのＯＦａ１，ａ２が重ならないようにして第１ウェハＷ１と第２ウェハＷ２とを貼り合わせるようにしているが、一方のＯＦの結晶方向に対する位置を上記ねじれ角分だけずらし、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２を貼り合わせる際にＯＦａ１，ａ２がぴったりと重なり合うようにしてもよい。これにより第１ウェハＷ１と第２ウェハＷ２との位置合せが容易になる。

次に、図５に示したように、例えばウエットエッチング法により、成長基板１００Ｄを除去する。次いで、図１に示したように、例えば真空蒸着法により、コンタクト層１６Ｄの表面上にリング状のｐ側電極１７Ｄを、支持基板１０Ｄの裏面にｎ側電極１８Ｄをそれぞれ形成したのち、ダイシングしてチップ状に成形する。このようにして図１に示した発光ダイオード１が製造される。

このように本実施の形態においては、第１ウェハＷ１と第２ウェハＷ２を貼り合わせる工程において、互いの結晶方向がねじれの関係を有するように位置合わせをするようにしたので、互いの劈開しやすい方向が異なり、よって十分な強度の圧力をもって貼り合わせたとしても、割れる虞はなく、また貼り合わせ面が均一となってボイド等の発生も低減され、歩留りが向上する。

〔第２の実施の形態〕
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構造を表したものである。この面発光型半導体レーザ２は、支持基板２０の一面側に、下部ＤＢＲミラー層２１（第１多層膜反射鏡）、下部クラッド層２２、活性層２３、上部クラッド層２４、上部ＤＢＲミラー層２５（第２多層膜反射鏡）およびｐ側コンタクト層２６をこの順に重ねて構成したものである。ここで、下部ＤＢＲミラー層２１の一部、下部クラッド層２２、活性層２３、上部クラッド層２４、上部ＤＢＲミラー層２５およびｐ側コンタクト層２６は、ｐ側コンタクト層２６まで形成されたのち、選択的にエッチングされることによりメサ部３０を構成している。

支持基板２０は閃亜鉛鉱型構造を有する混晶、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成される。下部ＤＢＲミラー層２１、下部クラッド層２２、上部クラッド層２４、上部ＤＢＲミラー層２５およびｐ型コンタクト層２６も化合物半導体層であり、同じく閃亜鉛鉱型構造を有する混晶、例えばＧａＡｓ系半導体によりそれぞれ構成される。活性層２３も化合物半導体層であり、同じく閃亜鉛鉱型構造を有する混晶、例えばＩｎＰ系半導体によりそれぞれ構成される。なお、ＧａＡｓ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のヒ素（Ａｓ）とを含む化合物半導体のことをいい、ＩｎＰ系半導体とは、長周期型周期表における３Ｂ族元素のインジウム（Ｉｎ）と、５Ｂ族元素のリン（Ｐ）とを含む化合物半導体のことをいう。

下部ＤＢＲミラー層２１は、低屈折率層および高屈折率層を１組として、それを複数組分含んで構成されたものである。低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ型Ａｌ_k Ｇａ_1-k Ａｓ（０≦ｋ≦１）により構成され、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎのｎ型Ａｌ_m Ｇａ_1-m Ａｓ（０≦ｍ≦ｋ）により構成される。ここで、ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。下部クラッド層２２は、例えばＡｌ_n Ｇａ_1-n Ａｓ（０≦ｎ≦１）により構成され、上部クラッド層２４は、例えばＡｌ_p Ｇａ_1-p Ａｓ（０≦ｐ≦１）により構成される。

活性層２３は、例えば、量子井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる多重量子井戸構造を備え、例えば、アンドープＩｎ_q Ｇａ_1-q Ｐ（０≦ｑ≦１）からなる量子井戸層とアンドープ（Ａｌ_r Ｇａ_1-r ）_1-s Ｉｎ_s Ｐ（０≦ｒ≦１，０≦ｓ≦１）からなる障壁層とを一組として、それを複数積層して構成される。ここで、活性層２３のＩｎ組成の値ｑ，ｓおよびＡｌ組成の値ｒは、発光波長や、キャリア密度分布などを勘案して決定される。なお、活性層２３は、多重量子井戸構造以外の構造、例えば単一量子井戸構造やバルク構造を有するものであってもよい。

なお、下部クラッド層２２、活性層２３および上部クラッド層２４は、アンドープであることが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。

上部ＤＢＲミラー層２５は、低屈折率層および高屈折率層を１組として、それを複数組分含んで構成されたものである。この低屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ型Ａｌ_t Ｇａ_1-t Ａｓ（０≦ｔ≦１）により構成され、高屈折率層は、例えば厚さがλ／４ｎのｐ型Ａｌ_u Ｇａ_1-u Ａｓ（０≦ｕ≦ｔ）により構成される。ここで、ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

ただし、上部ＤＢＲミラー層２５において、活性層２３側から数えて例えば１組離れた低屈折率層の部位には、低屈折率層の代わりに電流狭窄層２５Ｃが形成されている。この電流狭窄層２５Ｃは、リング状の電流狭窄領域２５Ｃ−２の中央領域に電流注入領域２５Ｃ−１を有するものである。

ｐ型コンタクト層２６は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成されており、上記の電流注入領域２５Ｃ−１と対向する領域に例えば円形の開口部２６Ａを有する。

また、メサ部３０の周辺領域からｐ型コンタクト層２６の周縁部までは例えばＳｉＯ₂ からなる絶縁層２７により覆われている。ｐ型コンタクト層２６上には一部が絶縁層２７上に跨がるようにしてリング状のｐ側電極２８が形成されている。このｐ側電極２８は、例えば、チタン（Ｔｉ）層，白金（Ｐｔ）層および金（Ａｕ）層をｐ側コンタクト層２６の側から順に積層したものであり、ｐ型コンタクト層２６と電気的に接続されている。また、支持基板２０の裏面にはｎ側電極２９が形成されている。ここで、ｎ側電極２９は、例えば、金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金層，ニッケル（Ｎｉ）層および金（Ａｕ）層とを支持基板２０の側から順に積層した構造を有し、支持基板２０と電気的に接続されている。

ここで、図７に示したように、支持基板２０に下部ＤＢＲミラー層２１を有する構造を第１構造３１、下部クラッド層２２、活性層２３および上部クラッド層２４の積層構造を第２構造３２、上部ＤＢＲミラー層２５およびｐ型コンタクト層２６の積層構造を第３構造３３として分けて考えると、これら第１構造３１，第２構造３２および第３構造３３の結晶面および結晶方位については、第１の実施の形態で説明した支持基板１０とその上に形成された化合物半導体層との関係と同様である。すなわち、いずれも閃亜鉛鉱型構造を有する混晶により構成されたものであり、第１構造３１，第２構造３２および第３構造３３の互いに対向する結晶面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５は格子面（１００）と平行となっているが、結晶面Ｓ３およびＳ４の結晶方向［０１１］，［０１−１］、ならびに結晶面Ｓ３およびＳ５の結晶方向［０１１］，［０１−１］はそれぞれ、互いに異なる方向を向いている。つまり、第１構造３１と第２構造３２との間では角度θ１でねじれの関係、また、第１構造３１と第３構造３３との間では角度θ２でねじれの関係となっている。

すなわち、第２構造３２および第３構造３３はそれぞれ支持基板２０とは異なる別の基板（後述の成長基板２００Ｄ，３００Ｄ）上に結晶成長により形成されたものであり、本実施の形態の面発光型半導体レーザ２は、第１構造３１および第２構造３２を相互に貼り合わせたのち成長基板２００Ｄを除去すると共に、更に第３構造３３を相互に貼り合わせたのち成長基板３００Ｄを除去することにより形成されたものである。なお、ねじれの角度θ１，θ２については、５度以上８５度以下の範囲内の一の角度であることが好ましく、４５度であることがより好ましい。なお、θ１とθ２とが互いに異なる角度であってもよいし、共に同一の角度であってもよい。

このように本実施の形態では、少なくとも、結晶面Ｓ３およびＳ４の結晶方向［０１１］，［０１−１］、ならびに結晶面Ｓ３およびＳ５の結晶方向［０１１］，［０１−１］がそれぞれ、意図的に互いに異なる方向を向くようにして、第１構造３１、第２構造３２および第３構造３３が貼り合わされているので、第１構造３１および第２構造３２、ならびに第１構造３１および第３構造３３の劈開しやすい方向がそれぞれ、互いに異なるものとなっている。

この面発光型半導体レーザ２では、ｎ側電極２９とｐ側電極２８との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層２５Ｃにおける電流注入領域２５Ｃ−１を通して活性層２３に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲミラー層２１および上部ＤＢＲミラー層２５により反射され、素子内を一往復したときの位相の変化が２πの整数倍となる波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に出射される。このとき、本実施の形態においても、光吸収作用を有するような層、例えば、ＧａＡｓ基板（成長基板３００Ｄ）などは製造工程においてあらかじめ除去されており、開口部２６Ａ側には光吸収作用を有するような層はなく、これにより光抽出効率が極めてよくなる。

次に、この面発光型半導体レーザ２の製造方法の一例について説明する。

図８ないし図１３はその製造方法を工程順に表したものである。ここではＧａＡｓ系の化合物半導体層や、ＩｎＰ系の化合物半導体層を形成するために、下部ＤＢＲミラー層２１Ｄ，下部クラッド層２２Ｄ，活性層２３Ｄ，上部クラッド層２４Ｄ，上部ＤＢＲミラー層２５Ｄおよびｐ側コンタクト層２６Ｄを、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。この際、ＧａＡｓ系の化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用い、ＧａＰ系の化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ₃ ）を用いる。ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ₂ Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

具体的には、まず、図８に示したように、例えばｎ型ＧａＡｓからなる支持基板２０Ｄ上に下部ＤＢＲミラー層２１Ｄおよび下部クラッド層２２Ｄをこの順に形成する（以下、第１ウェハＷ１１）。また、例えばＩｎＰからなる成長基板２００Ｄ上に活性層２３Ｄを形成する（以下、第２ウェハＷ１２）。更に、図１１に示したように、例えばｐ型ＧａＡｓからなる成長基板３００Ｄ上にｐ側コンタクト層２６Ｄ、上部ＤＢＲミラー層２５Ｄおよび上部クラッド層２４Ｄをこの順に形成する（以下、第３ウェハＷ１３）。

次に、図８に戻って、第１ウェハＷ１１および第２ウェハＷ１２を、下部クラッド層２２Ｄおよび活性層２３Ｄを対向させた状態で、所定の温度、所定の圧力Ｆ（例えばウェハサイズが３インチの場合は２０００Ｎ〜８０００Ｎ）で貼り合わせる。このとき、図９に示したように、それぞれの結晶方向［０１１］，［０１−１］がそれぞれ角度θ１でねじれの関係となるように、第１ウェハＷ１１と第２ウェハＷ１２との位置関係を設定する。

これにより、第１ウェハＷ１１および第２ウェハＷ１２のそれぞれの劈開しやすい方向が互いに異なるので、第１ウェハＷ１１および第２ウェハＷ１２に対して、貼り合わせ強度が十分に得られるような圧力Ｆを加えたとしても、第１ウェハＷ１１および第２ウェハＷ１２が結晶方向に沿って割れる虞はない。従って、２つのウェハを劈開しやすい方向が同一となるように貼り合わせた従来の場合と比べて、製造歩留りが向上する。

なお、結晶方向［０１１］に対するＯＦａ１１，ａ１２の位置関係（図９）は、本実施の形態でも、第１の実施の形態で説明したと同様に、一方のＯＦの結晶方向に対する位置を上記ねじれ角θ１分だけずらし、第１ウェハＷ１および第２ウェハＷ２を貼り合わせる際にＯＦａ１１，ａ１２がぴったりと重なり合うようにしてもよい。これは、後述（図１１）の第１ウェハＷ１のＯＦａ１１と第３ウェハＷ２のＯＦａ１２との関係についても同様である。

次に、図１０に示したように、例えばウエットエッチング法により成長基板２００Ｄを取り除く（以下、これを第４ウェハＷ１４という）。続いて、図１１に示したように、第４ウェハＷ１４および第３ウェハＷ１３を、活性層２３Ｄおよび上部クラッド層２４Ｄを対向させた状態で、所定の温度、所定の圧力Ｆ（例えばウェハサイズが３インチの場合は２０００Ｎ〜８０００Ｎ）で貼り合わせる。

このとき、図１２に示したように、第１ウェハＷ１１および第３ウェハＷ１３の結晶方向［０１１］，［０１−１］がそれぞれ角度θ２でねじれの関係となるように、第４ウェハＷ１４と第３ウェハＷ１３との位置関係を設定する。これにより、第４ウェハＷ１４および第３ウェハＷ１３の劈開しやすい方向が互いに異なる方向になり、貼り合わせ強度が十分に得られるような圧力Ｆを加えたとしても、第４ウェハＷ１４および第３ウェハＷ１３が結晶方向に沿って割れる虞はなく、従来方法に比べて製造歩留りが向上する。

次に、図１３に示したように、例えばウエットエッチング法により成長基板３００Ｄを取り除く。続いて、例えば、ｐ側コンタクト層２６Ｄの上にマスク層（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）法により、ｐ側コンタクト層２６Ｄ，上部ＤＢＲミラー層２５Ｄ，上部クラッド層２４Ｄ，活性層２３Ｄおよび下部クラッド層２２Ｄの一部を選択的に除去すると共に、ｐ側コンタクト層２６Ｄの一部をエッチングして開口部２６Ａを形成する。これにより、頂上に開口部２６Ａを有するメサポスト３０が形成される。

次に、水蒸気雰囲気中において、メサポスト３０の外側から上部ＤＢＲミラー層２５内の一部の層を選択酸化して電流狭窄領域２５Ｃ−２を形成することにより、中心領域に電流注入領域２５Ｃ−１を有する電流狭窄層２５Ｃを形成する。

次に、図６に示したように、メサポスト３０上およびメサポスト３０の周辺基板上に例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により絶縁層２７を積層させる。その後、エッチングにより絶縁層２７のうちメサポスト３０の頂上の一部分を選択的に除去して、開口部２６Ａ内に上部ＤＢＲミラー層２５を露出させると共に、ｐ側コンタクト層２６のうち開口部２６Ａの外縁領域を露出させる。

次に、メサポスト３０上に例えば真空蒸着法により例えばＴｉ（チタン）、Ｐｔ（白金）およびＡｕ（金）を順次積層し、続いて選択エッチングにより開口部２６Ａ内に上部ＤＢＲミラー層２５を露出させることによりリング状のｐ側電極２８を形成する。

次に、支持基板２０Ｄの裏面を適宜研磨して基板の厚さを調整した後、その面上にｎ側電極２９を形成する。このようにして本実施の形態の面発光型半導体レーザ２が製造される。

このように本実施の形態においても、少なくとも、第１構造３１および第２構造３２のそれぞれの結晶方向、ならびに第１構造３１および第３構造３３のそれぞれの結晶方向がそれぞれ、意図的に異なる方向を向くようにしたものであり、第１構造３１と第２構造３２との間、および第１構造３１と第３構造３３との間においてその劈開しやすい方向が異なっているため、貼り合わせ時の圧力によって、劈開方向にそって割れるようなことがなくなる。また、貼り合わせ面が均一となってボイド等の発生も低減され、歩留りが向上する。

また、本実施の形態では、長波長の光を発生するための活性層２３ＤをＩｎＰ系の成長基板２００Ｄで形成し、これを予め下部クラッド層２２Ｄが形成された熱伝導率の高いＧａＡｓ系の支持基板２０Ｄ（支持基板２０）側に転写するようにしたので、基板での熱抵抗が小さく、発熱量を抑制することができる。

更に、ＧａＡｓ系の成長基板２００Ｄを用いて上部クラッド層２４Ｄを形成し、これを活性層２３Ｄが転写されたＧａＡｓ系基板（支持基板２０）に転写したのち、ＡｌＧａＡｓおよびＡｌＡｓからなる電流狭窄層２５を形成するようにしているので、ＩｎＰ系では困難な上記のような選択酸化方法を用いることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、ＧａＡｓ系や、ＡｌＧａＩｎＰ系などの長波長帯の半導体材料を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の半導体材料、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などの短波長帯の半導体材料などに適用することももちろん可能である。

また、上記実施の形態では、各半導体層における互いに対向する結晶面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５が格子面（１００）と平行となっている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の格子面、例えば（１１１）と平行となっている場合についても適用することが可能である。

また、上記実施の形態では、各半導体層を構成する混晶の構造が閃亜鉛鉱型構造となっている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造、例えばダイヤモンド構造や、ウルツ鉱構造となっている場合についても適用することが可能である。

例えば、支持基板１０Ｄをシリコン（Ｓｉ）などのダイヤモンド構造により構成した場合に支持基板１０Ｄの結晶面が格子面（１００）と平行となっているときは、上記実施の形態と同様、劈開しやすい結晶方向が［０１１］，［０１−１］となる。従って、図４に示したように、支持基板１０Ｄの結晶方向と、成長基板１００Ｄの結晶方向とが角度θでねじれの関係となるようにして、支持基板１０Ｄと成長基板１００Ｄとを貼り合わせることにより、上記実施の形態と同様の効果を奏する。

また、支持基板１０Ｄをシリコン（Ｓｉ）などのダイヤモンド構造により構成した場合に支持基板１０Ｄの結晶面が格子面（１１１）と平行となっているときは、劈開しやすい結晶方向が、上記とは異なり、図１４（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、［１−１０］，［０−１１］，［１０−１］となる。従って、支持基板１０Ｄの結晶方向と、成長基板１００Ｄの結晶方向とが互いに異なる方向を向いており、角度θ３でねじれの関係となるようにして、支持基板１０Ｄと成長基板１００Ｄとを貼り合わせることにより、上記実施の形態と同様の効果を奏する。ここで、ねじれの角度θ３は、支持基板１０Ｄの結晶方向［１−１０］，［０−１１］，［１０−１］のいずれか１つと、成長基板１００Ｄの結晶方向［０１１］，［０１−１］のいずれか１つとが互いに重なる角度である０，３０，６０，９０，１２０，１５０，１８０，２１０，２４０，２７０，３００，３３０度を除くものであり、好ましくは５度以上２５度以下の範囲内の一の角度であり、より好ましくは１５度である。

次に、例えば、各半導体層をＧａＮ系材料などのウルツ鉱構造により構成した場合に支持基板１０Ｄ，２０Ｄや成長基板１００Ｄ，２００Ｄ，３００Ｄの結晶面が格子面（０００１）と平行となっているときは、劈開しやすい結晶方向がそれぞれ、図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、（０−１１０），（−１−１２０），（１０−１０），（２−１−１０），（−１１００），（−１２−１０）となる。従って、支持基板１０Ｄ，２０Ｄの結晶方向と、成長基板１００Ｄ，２００Ｄ，３００Ｄの結晶方向とが互いに異なる方向を向いており、角度θ４でねじれの関係となるようにして、支持基板１０Ｄおよび成長基板１００Ｄや、支持基板２０Ｄおよび成長基板２００Ｄ、支持基板２０Ｄおよび成長基板３００Ｄをそれぞれ貼り合わせることにより、上記実施の形態と同様の効果を奏する。ここで、ねじれの角度θ４は、支持基板１０Ｄの結晶方向（０−１１０），（−１−１２０），（１０−１０），（２−１−１０），（−１１００），（−１２−１０）のいずれか１つと、成長基板１００Ｄの結晶方向（０−１１０），（−１−１２０），（１０−１０），（２−１−１０），（−１１００），（−１２−１０）のいずれか１つとが互いに重なる角度である０，３０，６０，９０，１２０，１５０，１８０，２１０，２４０，２７０，３００，３３０度を除くものであり、好ましくは５度以上２５度以下の範囲内の一の角度であり、より好ましくは１５度である。

本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードの断面構成図である。 発光ダイオードを構成する各層の結晶方向について説明するための概念図である。 発光ダイオードの製造工程を説明するための断面構成図である。 図３の続きの工程を説明するための概念図である。 図４の続きの工程を説明するための断面構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの断面構成図である。 面発光型半導体レーザを構成する各層の結晶方向について説明するための概念図である。 面発光型半導体レーザの製造工程を説明するための断面構成図である。 図８の続きの工程を説明するための概念図である。 図９の続きの工程を説明するための断面構成図である。 図１０の続きの工程を説明するための断面構成図である。 図１１の続きの工程を説明するための概念図である。 図１２の続きの工程を説明するための断面構成図である。 ダイヤモンド構造を有する基板の結晶面が格子面（１１１）と平行となっているときの劈開しやすい結晶方向を表す概念図である。 ウルツ鉱構造を有する基板の結晶面が格子面（０００１）と平行となっているときの劈開しやすい結晶方向を表す概念図である。

符号の説明

１…発光ダイオード、２…面発光型半導体レーザ、１０，２０…支持基板、１１…第１金属層、１２…第２金属層、１３…第１型クラッド層、１４…活性層、１４Ａ，２３Ａ…発光領域、１５…第２クラッド層、１６…コンタクト層、１７，２８…ｐ側電極、１７Ａ，２６Ａ…開口部、１８，２９…ｎ側電極、２１…下部ＤＢＲミラー層、２２…下部クラッド層、２４…上部クラッド層、２５…上部ＤＢＲミラー層、２５Ｃ…電流狭窄層、２５Ｃ−１…電流注入領域、２５Ｃ−２…電流狭窄領域、２６…ｐ側コンタクト層、２７…絶縁層、３０…メサ部、ａ１，ａ２，ａ１１〜ａ１３…オリエンテーションフラット（ＯＦ）、Ｆ…圧力、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…光、Ｓ１〜Ｓ５…結晶面、Ｗ１，Ｗ１１…第１ウェハ、Ｗ２，Ｗ１２…第２ウェハ、Ｗ１３…第３ウェハ、Ｗ１４…第４ウェハ。

Claims (3)

1. 化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層を支持する支持基板と
   を備え、
   前記化合物半導体層および前記支持基板は互いに同型の結晶構造を有し、
   前記化合物半導体層は、第１多層膜反射鏡、活性層および第２多層膜反射鏡を前記支持基板側からこの順に含み、
   前記支持基板の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに同一の方向を向いており、
   前記活性層の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに異なる方向を向いており、
   前記第２多層膜反射鏡の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とが、互いに異なる方向を向いている
   半導体発光素子。
2. 前記化合物半導体層および前記支持基板はそれぞれ閃亜鉛鉱型の結晶構造を有し、
   前記活性層の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とは、５度以上８５度以下の範囲内でのねじれの関係にあり、
   前記第２多層膜反射鏡の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とは、５度以上８５度以下の範囲内でのねじれの関係にある
   請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記化合物半導体層および前記支持基板はそれぞれウルツ鉱型の結晶構造を有し、
   前記活性層の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とは、５度以上２５度以下の範囲内でのねじれの関係にあり、
   前記第２多層膜反射鏡の結晶方向と、前記第１多層膜反射鏡の結晶方向とは、５度以上２５度以下の範囲内でのねじれの関係にある
   請求項１記載の半導体発光素子。

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