JPH10256661A - 窒化物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウエーハの基板を薄くしたときに生じる反り
及び反りに伴うウェーハの不規則な位置での割れを防止
し、反りのない薄板化された基板を作製することによ
り、放熱性を良好にし、しきい値の上昇を抑え、寿命特
性が良好となる窒化物半導体素子及びその製造方法を提
供することである。 【構成】 膜厚０．５μｍ以下のバッファ層２を介して
総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半導体層を有する窒化
物半導体を成長させ，成長させた窒化物半導体の一部を
絶縁性基板まで取り除いた後、絶縁性基板の厚さを６０
μｍ以下に調整してウェーハをチップ状に分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＬＥＤ（発光ダイオ
ード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、ある
いは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒
化物半導体（Ｉｎ _XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X
＋Y≦１）よりなる素子及びその製造方法に関し、特に
放熱性の良好な窒化物半導体素子及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑
色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレ
イ、交通信号等で最近実用化されたばかりである。これ
らのＬＥＤは、例えばサファイアよりなる絶縁性基板の
上にｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層とを有
し、それらのｐ、ｎ半導体層の間にＩｎＧａＮよりなる
単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）の
活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。青
色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増
減することで決定されている。また、本出願人は、最近
この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０
ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phy
s. Vol.35 (1996) pp.L217-L220、Appl.Phys.Lett.69(1
0),2 Sep.1996pp.1477-1479等）。このレーザ素子も同
様に、ｐ、ｎ半導体層の間にＩｎＧａＮを含む多重量子
井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum- Well）よりなる活
性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。

【０００３】半導体素子は、熱によってその特性及び信
頼性が著しく影響を受けるため、半導体素子を用いた半
導体レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）等の駆動には高電流密度によるジュール熱を放散す
ることが、実用上、非常に大切であり、熱が良好に放散
されれば素子寿命が長くなる。熱の放散は、まずＬＥＤ
では熱伝導性のよい金属材料よりなるリードフレーム上
に素子がマウントされて放熱を行っている。一方、ＬＤ
はＬＥＤに比べて高電力が負荷されるため発熱量が桁違
いに大きく、ＬＥＤと同様の方法では熱による素子の劣
化が速い。そのため、ＬＤでの熱の放散はダイヤモンド
ヒートシンクのような熱伝導性のよい材料の上にマウン
トされて熱を放散させている。

【０００４】ＬＥＤやＬＤ等の窒化物半導体素子をヒー
トシンク、サブマウント、メタルポスト、リードフレー
ムのような支持体にマウントする方法は、フェースダウ
ン及びフェースアップの２種類の方法がある。フェース
ダウンでは窒化物半導体側と支持体とが対向するように
マウントされ、フェースアップでは絶縁性基板と支持体
とが対向するようにマウントされる。そして窒化物半導
体または絶縁性基板が支持体に接触することで熱が支持
体に伝導し放散される。この場合それらの接触が良好で
あれば放熱性が向上する。また、絶縁性基板が支持体に
接触している場合はもちろんのこと、接触していない場
合でも、窒化物半導体に発生する熱は窒化物半導体及び
基板を介して外部に放散される。つまり、窒化物半導体
及び絶縁性基板が支持体に直接接触している場合には支
持体に熱を伝導し、支持体に接触していない場合には窒
化物半導体及び絶縁性基板の各々の表面から外部に熱を
放散する。

【０００５】このように熱を放散する窒化物半導体の基
板はサファイアやスピネル等よりなる絶縁性基板であ
る。このため、絶縁性基板の放熱性が導電性のものに比
べてあまり良くない。このことを是正し熱を外部に効率
よく放散するには、基板を薄くするか、又は基板を除去
することが考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板を
薄くする過程において、半導体レーザ素子作製では、研
磨等で基板を薄板化したとき窒化物半導体層と基板との
格子定数差によりウエーハが反り、この反りにより基板
の厚みが８０μｍより薄くなるとウエーハが割れ易くな
る。例えば、特開平５−３４３７４２号公報には、ｐ型
層の一部をｎ型層までエッチングした後、更にｎ型層を
サファイア基板までエッチングまたはダイシングしてな
る窒化ガリウム系化合物半導体チップの製造方法が記載
されているが、この技術はサファイア基板のウエーハを
チップ状にカットする際、切断面、界面のクラック、チ
ッピングの発生を防止するものであって、この公報の技
術では基板の厚みを８０μｍより薄くなるとウエーハが
反ってしまう傾向がある。このようにウエーハが基板を
薄くすることで反ってしまうと、フェイスアップ及びフ
ェイスダウンでダイボンドした場合、絶縁性基板及び窒
化物半導体がヒートシンク等の支持体と良好に接触でき
ず、放熱性が不十分となり、しきい値が上昇し、その結
果寿命特性が劣化してしまう。更に基板の反りによりウ
エーハが割れてしまうので、基板を薄くして放熱性の効
果を向上させることができない。

【０００７】そこで、本発明の目的は、窒化物半導体ウ
エーハの基板を薄くしたときに生じる反り及び反りに伴
うウェーハの不規則な位置での割れを防止し、反りのな
い薄板化された基板を作製することにより、放熱性を良
好にし、しきい値の上昇を抑え、寿命特性が良好となる
窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の目的は、
下記（１）〜（４）の構成によって達成することができ
る。 （１） 厚さ６０μｍ以下の絶縁性基板上に、少なくと
も膜厚０．５μｍ以下のバッファ層と、総膜厚６μｍ以
上の窒化物半導体層とからなる窒化物半導体を有し、該
窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで取り除いてなるこ
とを特徴とする窒化物半導体素子。 （２） 前記総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半導体層
のうち、前記バッファ層の上部にｎ型不純物の含有され
ていない窒化物半導体層とｎ型不純物の含有されている
窒化物半導体層とを合計６μｍ以上の膜厚で成長させて
なることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体
素子。 （３） 窒化物半導体素子の製造方法において、絶縁性
基板上に、少なくとも膜厚０．５μｍ以下のバッファ層
を介して、総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半導体層を
有する窒化物半導体を成長させる工程と、成長させた窒
化物半導体の一部を絶縁性基板まで取り除く工程と、窒
化物半導体の一部を絶縁性基板まで除去した後ウエーハ
の絶縁性基板の厚さを６０μｍ以下に調整する工程と、
基板の厚さ調整後ウエーハをチップ状に分離する工程と
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方
法。 （４） 前記総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半導体層
のうち、前記バッファ層の上部にｎ型不純物の含有され
ていない窒化物半導体層とｎ型不純物の含有されている
窒化物半導体層とを合計６μｍ以上の膜厚で成長させて
なることを特徴とする前記（３）に記載の窒化物半導体
素子の製造方法。

【０００９】更に本発明の目的は、下記構成（５）〜
（９）のその他の好ましい態様によって達成することが
できる。 （５） 前記チップ状に分離する工程が、絶縁性基板表
面をスクライブした後、ウェーハをブレイクする工程で
あることを特徴とする前記（３）または（４）に記載の
窒化物半導体素子の製造方法。 （６） 前記ブレイクする工程が、レーザ素子の共振面
を形成する工程であることを特徴とする前記（５）に記
載の窒化物半導体素子の製造方法。 （７） 前記共振面が窒化物半導体の

【００１０】

【外１】

【００１１】（以下Ｍ面とする）であることを特徴とす
る前記（６）に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 （８） 前記バッファ層に接して最初に成長させる層
が、膜厚６μｍ以上の不純物の含まれていない窒化物半
導体層であることを特徴とする前記（１）〜（７）のい
ずれかに記載の窒化物半導体素子及びその製造方法。 （９） 前記窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで取り
除いた後窒化物半導体端面及び絶縁性基板上に絶縁性の
保護膜を形成してなることを特徴とする前記（１）〜
（８）のいずれかに記載の窒化物半導体素子及びその製
造方法。

【００１２】つまり、本発明は、絶縁性基板上に膜厚
０．５μｍ以下の薄層のバッファ層を介して、不純物の
含まれてない（アンドープ）、ｎ型不純物の含有されて
いる（ｎ型）、及び／又は、ｐ型不純物の含有されてい
る（ｐ型）窒化物半導体層などの複数層からなる総膜厚
６μｍ以上の厚い膜の層構成を有する窒化物半導体層を
形成して、窒化物半導体の格子定数と絶縁性基板の格子
定数とが異なるために生じる応力を調整し、且つ、ウエ
ーハの基板上の窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで取
り除き、ウエーハの絶縁性基板上で連続している窒化物
半導体の応力をウエーハ上で各チップごとに分断し、こ
の結果基板を薄くしても窒化物半導体の応力による反り
を防止でき、反りのない非常に良好な窒化物半導体を得
ることができる。

【００１３】応力の係ったサファイア基板を薄くしてい
く過程において、最初はほぼ水平であったウエーハが応
力によって反り始め、反りが大きくなることにより窒化
物半導体が不規則な位置で割れてしまう。このため基板
を薄板化することが難しい。これに対し、本発明者等は
種種検討の結果、従来公知の窒化物半導体素子の作製及
び素子では、ウエーハの絶縁性基板を研磨して薄くする
際、ｎ型窒化物半導体層が絶縁性基板上で分離される前
の各チップ同士が窒化物半導体を通じて連続しているた
め、基板が薄くなるにつれて窒化物半導体の応力が絶縁
性基板の応力より勝ってしまうために、反りが発生する
のではないかと考えた。

【００１４】そこで、本発明者等は、基板上に薄いバッ
ファ層を積層後、アンドープ窒化物半導体層（アンドー
プ層）、ｎ型窒化物半導体層（ｎ型層）及び／又はｐ型
窒化物半導体層（ｐ型層）等からなる複数の窒化物半導
体層を成長させ、且つ、基板を研磨して薄板化する前
に、電極を形成するためにエッチングされたウエーハの
基板上で連続している窒化物半導体層（例えばアンドー
プ層及び／又はｎ型層）を基板まで除去し、ウエーハの
チップ単位ごとに不連続とすることで、応力の調整及び
補正をしウエーハの反りを抑制するものである。これに
よって基板を薄板化する過程でウエーハが反ることなく
良好に基板を薄くすることができ、更に分離後のチップ
の反りも防止され、得られる窒化物半導体素子はヒート
シンクなどの支持体に良好に接触でき放熱性が改善され
ると共に薄板化された絶縁性基板からの放熱性も向上す
る。

【００１５】更に、本発明において、バッファ層に接し
て最初に成長させる層が、アンドープ層及びｎ型層から
なる膜厚６μｍ以上の窒化物半導体層であることによ
り、反りをより良好に防止することができる。 更に、
本発明において、窒化物半導体の一部が除去され露出し
ている絶縁性基板上及び窒化物半導体端面に絶縁性の保
護膜を形成すると、フェイスダウンでダイレクトボンデ
ィングするときのショートを防止する作用に加えて、上
記構成と共にウエーハの反り防止の効果に寄与する傾向
があり、本発明の目的を達成するのに好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明に用いられる絶縁性基板
は、例えばＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、Ａ
面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄）のような窒化物半導体と熱膨張係数が異なり窒
化物半導体が成長できる従来提案されている絶縁性の基
板を用いることができる。このように絶縁性基板を用い
ると、フェースアップの状態で素子をマウントでき、基
板を介して直接ヒートシンク等の支持体に熱が伝わるの
で、窒化物半導体層と支持体が直接接触するフェースダ
ウンに比べて、フェースアップの状態で行うと基板を薄
くした効果が顕著に現れる。又、フェースダウンにおい
ても、本発明の構成により基板を薄くすることが可能で
あるので、基板からの熱の放散が良好となる。

【００１７】バッファ層は基板と窒化物半導体との格子
不整合を緩和する作用があり、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ａ
ｌＮ、ＩｎＧａＮ等の窒化物半導体を１０オングストロ
ーム以上、０．５μｍ以下、さらに好ましくは０．２μ
ｍ以下、最も好ましくは０．１μｍ以下の膜厚で成長さ
せる。具体的には、例えば特開平４−２９７０２３号に
示されるような方法を用いて、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X
＜１）よりなるバッファ層を成長させると、窒化物半導
体の結晶性が非常に良くなる。このバッファ層の膜厚が
０．５μｍよりも厚いと、次に成長させる窒化物半導体
層の結晶性が悪くなり、複数の窒化物半導体の総膜厚、
及び、バッファ層上に最初に形成される窒化物半導体層
の膜厚を６μｍ以上の膜厚で成長させることが困難とな
る傾向にある。またバッファ層の膜厚が１０オングスト
ロームより薄いとバッファ層の効果がなくなり結晶表面
に凹凸ができる。

【００１８】バッファ層上のアンドープ層、ｎ型層及び
／又はｐ型層等の複数の窒化物半導体層の総膜厚は、６
μｍ以上であれば良く、好ましくは８μｍ以上、特に好
ましくは１０μｍ以上であり、好ましくは１００μｍ以
下である。総膜厚が６μｍ未満であると絶縁性基板を６
０μｍ以下に薄くすることが難しくなり、また総膜厚が
１００μｍを越えると放熱性が悪化するので好ましくな
い。本発明のバッファ層の上に成長されるアンドープ
層、ｎ型層及び／又はｐ型層からなる窒化物半導体層
は、種種の積層順及び種種の層構成をとることができ、
層構成等は特に限定されない。例えば、ｎ型コンタクト
層、ｎ型クラッド層、ガイド層、活性層、ガイド層、ｐ
型クラッド層、ｐ型コンタクト層等の各層を組み合わせ
てなる層構成をとることが可能である。

【００１９】本発明において、総膜厚６μｍ以上の窒化
物半導体層を積層するには、各層の膜厚を調整して行わ
れるが、好ましくはアンドープ層及び／又はｎ型層の膜
厚を調整し、より好ましくはアンドープ層の膜厚を調整
後ｎ型層の膜厚を調整して総膜厚を６μｍ以上とする。
アンドープ層は結晶性が良いため、アンドープ層を成長
させた後その層上にｎ型不純物であるＳｉあるいはＧｅ
をドープした窒化物半導体層を成長させると総膜厚を６
μｍ以上に調整し易い。更にこれらの層上にｐ型不純物
をドープした窒化物半導体層を成長させると良好にｐ型
層が形成でき好ましい。ここで、ｐ型はアニーリングに
よって窒化物半導体層に含まれている水素をｐ型不純物
と切り離して半導体層中から一部除去しなければｐ型が
得られないと考えられている。このためｐ型不純物を含
む窒化物半導体層を厚膜で成長させると、内部に含まれ
ている水素が窒化物半導体から離脱しにくくなり、ｐ型
が得られにくい。このような理由から、窒化物半導体を
厚膜で成長させるためにはアンドープ層及び／又はｎ型
層を厚く成長させることが望ましい。

【００２０】上記各窒化物半導体層は、有機気相成長法
等により膜厚等を調整しながら形成される。また本発明
においてｎ型層又はｐ型層とは、窒化物半導体層中にｎ
型不純物（ｎ型ドーパント）あるいはｐ型不純物（ｐ型
ドーパント）を含んでいる層を示す。またアンドープ層
は不純物を含んでいない層を示し、アンドープの窒化物
半導体層は場合によってはｎ型を示すこともある。

【００２１】更に、本発明において、バッファ層の上に
最初に形成させる膜厚６μｍ以上の窒化物半導体層は、
アンドープ層、又はＳｉやＧｅ等をドープしたｎ型層、
あるいはこれらの組み合わせであり、好ましくはアンド
ープ層及びｎ型層の組み合わせである。またアンドープ
層を最初に成長させると結晶性が良くなる。最初に形成
される層の膜厚は、６μｍ以上、好ましくは７μｍ以
上、１００μｍ以下であることが好ましい。またバッフ
ァ層の上に最初に形成される層の膜厚が６μｍ以上であ
る時、窒化物半導体の総膜厚は６μｍよりも厚く調整さ
れる。バッファ層上の最初に形成されるアンドープ層及
びｎ型層の組成は、Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X＜１）を成
長させることが好ましく、最も好ましくは、Ａｌ組成比
（X値）が０．５以下のＡｌＧａＮ、ＧａＮを成長させ
る。Ａｌ組成比が０．５を超えると窒化物半導体層自体
にクラックが入りやすくなり、６μｍ以上の膜厚で成長
させることが困難となる傾向にある。また、窒化物半導
体層は、アンドープの状態でもｎ型となる性質がある
が、バッファ層上の最初に形成されるｎ型層は、この層
の成長中にＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型ドーパントを
ドープして、ｎ電極を形成するための、ｎ型コンタクト
層とすると非常に好ましい。Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等の
ｎ型ドーパントをドープする場合、ｎ型ドーパントの濃
度は１×１０¹⁶ｃｍ³〜１×１０²¹ｃｍ³、好ましくは１
×１０¹⁷ｃｍ³〜１×１０²⁰ｃｍ³、より好ましくは１×
１０¹⁸ｃｍ³〜１×１０¹⁹ｃｍ³である。

【００２２】又、このバッファ層上のアンドープ層ある
いはｎ型層の膜厚が６μｍ以上であると、基板を６０μ
ｍ以下に薄くするのにより効果的である。上限は特に限
定しないが通常は１００μｍ以下の膜厚で成長させるこ
とにより、結晶性の良いアンドープ層及びｎ型層が得ら
れる。１００μｍより厚く成長させると放熱性が悪くな
る。なお、これらのアンドープ層及びｎ型層成長中に、
他組成を有するｎ型不純物を含有する窒化物半導体層を
間に挿入しても良いが、最も好ましくは単一の組成で連
続して６μｍ以上の膜厚で成長させることが最も好まし
い。但し、バッファ層上に最初に成長させるアンドープ
層あるいはｎ型層の中には、これらと異なる他の組成あ
るいは異なる不純物含有の窒化物半導体層を挟んでも、
本発明の範囲の中に含まれる。

【００２３】次に、バッファ層の上に最初に形成される
アンドープ層又はｎ型層の上に、更にアンドープ層、ｎ
型層及び／又はｐ型層が形成される。これらの層として
は、窒化物半導体素子の構成によって種種の層構成を適
宜選択することができ、前記のアンドープ層及びｎ型層
で示した組成の層も用いることができる。例えば、バッ
ファ層の上に最初に形成されるｎ型窒化物半導体層をコ
ンタクト層とする場合には、直接ＩｎＧａＮよりなる活
性層、ｐ型窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層、ｐ型
コンタクト層等を積層してＬＥＤ素子となるようなウェ
ーハを作製しても良いし、また、ｎ型クラッド層、ガイ
ド層、活性層、ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタ
クト層等を積層してレーザ素子となるようなウェーハを
作製しても良い。また、本発明においては、基板上に成
長されるバッファ層は、成長方法、成長装置によっては
省略されることもできる。

【００２４】また、バッファ層に最初に形成されるアン
ドープ層及び／又はｎ型層が、複数のｎ型層及びｐ型層
等からなる窒化物半導体層の総膜厚の９０％以上となる
ように成長させると、結晶性の良い窒化物半導体層を成
長させることができ好ましい。この場合、ｎ型層及びｐ
型層等からなる窒化物半導体層の総膜厚は、バッファ層
の上に最初に成長させるアンドープ層及び／又はｎ型層
の膜厚が６μｍ以上であり且つ窒化物半導体層の総膜厚
の９０％以上になるように調整されることが好ましい。

【００２５】以上のような層構成を有する総膜厚６μｍ
以上の窒化物半導体の一部は、絶縁性基板を薄板化する
前に絶縁性基板まで取り除かれる。取り除く方法として
は、最上層のｐ型層上の取り除く部分以外に保護膜を設
けリッジ形成後、露出しているｐ型層の平面に保護膜を
設けた後、図１の様にｎ型層あるいはアンドープ層まで
エッチングしてｐ型層の一部を取り除く。保護膜はｐ型
層がエッチングにより侵食されるのを防ぐと共に、パタ
ーンエッチングを行うために設けるものであって、プラ
ズマＣＶＤ法でＳｉＯ₂成膜後、フォトレジストでパタ
ーニングしてＳｉＯ₂をエッチングし、ＳｉＯ₂マスクパ
ターンを形成する。そして、保護膜が設けられたｐ型層
をアンドープ層又はｎ型層までエッチングする。エッチ
ング方法はドライ、ウエットいずれの方法でもよい。エ
ッチング終了後、酸により保護膜を除去する。

【００２６】次に、一部のｐ型層を取り除いたことによ
って露出したアンドープ層及び／又はｎ型層を絶縁性基
板（例えばサファイア基板）まで取り除く。取り除く方
法としては、例えば図１に示すように、ｎ型コンタクト
層３の表面にｎ型電極を設けられるスペースを残して、
ｎ型コンタクト層３及びバッファ層２をサファイア基板
１までエッチング、またはダイシングする。窒化物半導
体層とサファイア基板１の界面にできるだけストレスを
かけないようにするには、エッチングが好ましい。エッ
チングする場合には、前述したように保護膜をエッチン
グ面以外（ｐ型層とｎ型層の電極形成部分）に形成する
必要がある。

【００２７】以上のようにして、絶縁性基板上に窒化物
半導体層を積層し、ｐ型層にパターンエッチングしてリ
ッジを形成後ｐ型層の一部をアンドープ層又はｎ型層ま
で取り除き、更にアンドープ層又はｎ型層の一部を絶縁
性基板まで取り除いた後、ウェーハの絶縁性基板の膜厚
を６０μｍ以下、さらに好ましくは５０μｍ以下に調整
する。６０μｍよりも厚いと、放熱性が十分ではなく、
例えばレーザ素子を作製した場合、連続発振の元では、
素子が１時間以内でダメになる。下限は、最初に成長さ
せる窒化物半導体層の膜厚によっても異なるが、１０μ
ｍ以上あることが望ましい。絶縁性基板の膜厚が１０μ
ｍより薄いと、ダイボンドやワイヤーボンド時の物理的
チップ強度の点で好ましくない。絶縁性基板の膜厚を調
整するには、研磨、エッチング等の方法がある。研磨は
周知のように研磨剤を用いてラッピングする。ラッピン
グ後、研磨面を鏡面状とするために、ポリシングしても
良い。エッチングには、ウェットエッチング、ドライエ
ッチングの方法があるがいずれを用いても良い。ウェッ
トエッチングでは、例えばリン酸と硫酸の混酸を用いる
方法がある。ドライエッチングには、例えば反応性イオ
ンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチン
グ（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣ
Ｒ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれ
も絶縁性基板の材料に応じて、エッチングガスを適宜選
択することによりエッチングできる。

【００２８】次に、絶縁性基板の厚さを６０μｍ以下と
した後、ウェーハをチップ状に分離する。チップ状に分
離するには、例えばスクライブ、ダイシング等の方法が
あるが、好ましくはスクライブにより基板をブレークし
てチップ状に分離する。しかも、窒化物半導体を成長し
ていない側の基板面をスクライブすることにより、正確
な位置でチップ状に分離できる。一方、ダイシングでは
切断面にクラックが入ったりする傾向にあり、しかもレ
ーザ素子を作製する場合にはダイシングで共振面となる
ような平滑な面を得ることは難しい。

【００２９】さらに、本発明において、レーザ素子を製
造する場合、基板を薄くして基板側をスクライブしてブ
レイク（brake）すると、そのブレークした面にレーザ
素子の共振面を形成することができる。窒化物半導体を
成長できる絶縁性基板は、例えばサファイアのように劈
開性のないものが多い。しかしながら、劈開性のない基
板の上に成長された窒化物半導体でも、基板を極限まで
薄くすることにより、成長した窒化物半導体の面方位に
よっては、窒化物半導体が劈開されて、その劈開面を共
振面とすることができる。

【００３０】さらに、劈開面は窒化物半導体層のＭ面で
あることが望ましい。Ｍ面とは窒化物半導体を六角柱状
の六方晶系で近似した場合に、その側面に相当する４角
形の面であり、それぞれ６種類の面方位で示すことがで
きるが前記（外１）面（図２の斜線部分）が全ての面方
位を示しているものとする。窒化物半導体のＭ面で劈開
すると、非常に歩留良く、また、鏡面に近い劈開面を得
ることができる。Ｍ面の面方位については図２に示して
いる。

【００３１】

【実施例】図１は本発明の一実施例によるレーザ素子の
模式的な断面図であり、以下この図を元に本発明の製造
方法について詳説する。なお、本発明において用いる一
般式Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦
１）単に窒化物半導体の組成を示すものであり、異なる
層が同一の一般式で示されていても、それらの層のX
値、Y値等が同一の値を示すものではない。

【００３２】［実施例１］ 1) 厚さ３００μｍ、２インチφのサファイア（Ｃ面）
よりなる基板１の上に 2) ＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロ
ーム 3) Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるコンタクト層３を６
μｍ 4) Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック
防止層４を５００オングストローム 5) Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｎ型クラ
ッド層５を０．５μｍ 6) ＳｉドープＧａＮよりなる光ガイド層６を０．２μ
ｍ 7) アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５
オングストロームと、アンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよ
りなる障壁層を５０オングストロームと３ペア積層して
最後に井戸層を積層した活性層７（活性層総厚、２５０
オングストローム） 8) Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型キャ
ップ層８を３００オングストローム、 9) ＭｇドープＧａＮよりなる光ガイド層９を０．２μ
ｍ 10) Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型ク
ラッド層１０を０．５μｍ 11) Ｍｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層
１１を０．２μｍ の膜厚で順に積層する。（窒化物半導体層総膜厚７．７
２５μｍ、バッファ層を含む）

【００３３】１） 基板１は前記したように、サファイ
アＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その
他、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性の基板を
用いることができる。

【００３４】２） バッファ層２も前記したようにＡｌ
Ｎ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等を９００℃以下の温度で成長
させ、膜厚１０オングストローム〜０．５μｍ以下、さ
らに好ましくは２０オングストローム〜０．２μｍ以下
の膜厚で成長できる。

【００３５】３） ｎ型コンタクト層３は、バッファ層
の次に成長させるｎ型窒化物半導体層に相当する。この
ｎ型コンタクト層はＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）、さらに好ましくはY値が０．５以下の
ＡｌYＧａ1-YＮで構成することが好ましく、その中でも
Ｓｉ若しくはＧｅをドープしたＧａＮで構成することに
より、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、またｎ電極
と好ましいオーミック接触が得られる。この層は前記し
たように６μｍ以上で成長させ、さらに好ましくは７μ
ｍ以上の膜厚が望ましく、例えば２０μｍ以下の膜厚で
成長させる。

【００３６】４） クラック防止層４はＩｎを含むｎ型
の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させるこ
とにより、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層を
厚膜で成長させることが可能となり、非常に好ましい。
ＬＤの場合は、光閉じ込め層となる層を、好ましくは
０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来で
はＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接、厚膜のＡｌＧａＮ
を成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラッ
クが入るので素子作製が困難であったが、このクラック
防止層が、次に成長させるＡｌを含むｎ型クラッド層に
クラックが入るのを防止することができる。クラック防
止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の
膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロ
ームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用
しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変す
る傾向にある。なお、このクラック防止層は成長方法、
成長装置等の条件によっては省略することもできるがＬ
Ｄを作製する場合には成長させる方が望ましい。このク
ラック防止層はｎ型コンタクト層内に成長させても良
い。

【００３７】５） ｎ型クラッド層５はキャリア閉じ込
め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化
物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望
ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さ
らに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以
下で成長させることにより、結晶性の良いキャリア閉じ
込め層が形成できる。

【００３８】６） 光ガイド層６は、活性層の光ガイド
層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させること
が望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さ
らに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚
で成長させることが望ましい。また実施例１ではＳｉを
ドープしたが、この光ガイド層はアンドープでも良い。

【００３９】７） 活性層７は膜厚７０オングストロー
ム以下のＩｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層と、膜
厚１５０オングストローム以下の井戸層よりもバンドギ
ャップエネルギーが大きい窒化物半導体よりなる障壁層
とを積層した多重量子井戸構造とするとレーザ発振しや
すい。

【００４０】８） キャップ層８はｐ型不純物をドープ
したが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャ
リアが補償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ
型又はアンドープである。キャップ層の膜厚は０．１μ
ｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以
下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整
する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、キャッ
プ層中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化
物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアが
このエネルギーバリアをトンネル効果により通過できな
くなる。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成す
るとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．
２以上のＡｌ_YＧａ_1-YＮであれば５００オングストロー
ム以下に調整することが望ましい。キャップ層８の膜厚
の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上
の膜厚で形成することが望ましい。

【００４１】９） 光ガイド層９は、前記６）の光ガイ
ド層と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望
ましい。また、この層はｐ型クラッド層を成長させる際
のバッファ層としても作用し、１００オングストローム
〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜
１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイ
ド層として作用する。またこの光ガイド層はアンドープ
でもよい。

【００４２】１０） ｐ型クラッド層１０はｎ型クラッ
ド層と同じく、キャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層
として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡ
ｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングス
トローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オ
ングストローム以上、１μｍ以下で成長させることによ
り、結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。さ
らに前記のようにこの層をＡｌを含む窒化物半導体層と
することにより、ｐ型コンタクト層と、ｐ電極との接触
抵抗差ができるので好ましい。

【００４３】本実施例のようにＩｎＧａＮよりなる井戸
層を有する量子構造の活性層の場合、その活性層に接し
て、膜厚０．１μｍ以下のＡｌを含むｐ型キャップ層を
設け、そのｐ型キャップ層よりも活性層から離れた位置
に、ｐ型キャップ層よりもバッドギャップエネルギーが
小さい光ガイド層を設け、その光ガイド層よりも活性層
から離れた位置に、光ガイド層よりもバンドギャップが
大きいＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層
を設けることは非常に好ましい。しかもｐ型キャップ層
の膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャ
リアのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入
された正孔が、トンネル効果によりｐ型キャップ層を通
り抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、Ｌ
Ｄの出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、
ｐ型キャップ層のバンドギャップエネルギーが大きいた
め、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流
密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせ
ず、ｐ型キャップ層で阻止されるため、キャリアが活性
層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。従っ
て、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下するこ
とが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現することが
できる。

【００４４】１１） ｐ型コンタクト層１１はｐ型のＩ
ｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構
成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ
とすれば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が
得られる。

【００４５】以上の構成で基板１の上に活性層７を含む
窒化物半導体層を積層後、窒素雰囲気中、ウェーハを反
応容器内において、アニーリングを行い、ｐ型層中に含
まれる水素の一部を除去し、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。

【００４６】次に、最上層のｐ型コンタクト層の表面に
所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエ
ッチング）装置で、図１に示すように、最上層のｐ型コ
ンタクト層１１と、ｐ型クラッド層１０とをメサエッチ
ングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状と
する。

【００４７】リッジ形成後、露出しているｐ型層の平面
にマスクを形成し、図１に示すようにストライプ状のリ
ッジに対して左右対称にして、ｎ型コンタクト層３の平
面を露出させる。このようにｎ電極２２を形成すべきｎ
型コンタクト層３をリッジストライプに対して左右対称
に設けることにより、ｎ層からの電流も活性層に対して
均一に係るようになり、閾値が低下する。

【００４８】ｎ型コンタクト層３の平面を露出させた
後、ｎ型コンタクト層３の表面にｎ型電極２２を設ける
スペースを残して、更にｎ型コンタクト層３及びバッフ
ァ層２をサファイア基板までエッチングする。こうする
ことにより、ウエーハ上でｎ型層が各チップ単位で分断
されｎ型層の応力を補正することができ、基板を薄くす
る工程でウエーハの反りが防止される。

【００４９】次に、リッジ最上部のｐ型コンタクト層１
１に、ＮｉとＡｕよりなるオーミック用のｐ電極２０を
ほぼ全面に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるオーミ
ック用のｎ電極２２をストライプ状のｎ型コンタクト層
のほぼ全面に形成する。なお、ほぼ全面とは８０％以上
の面積をいう。このようにｎ電極も全面に形成し、さら
にリッジに対して左右対称に形成することにより閾値が
低下する。

【００５０】次に、電極形成後、露出している絶縁性基
板１、電極側の窒化物半導体層、及びｐ電極２０、ｎ電
極２２全面に渡って、ＳｉＯ₂よりなる絶縁膜３０を形
成した後、ｐ電極２０、ｎ電極２２が形成された上部に
相当する絶縁膜３０にエッチングにより開口部を設け
る。次いで、図１に示すように、この絶縁膜３０を介し
てｐ電極２０、及びｎ電極２２と電気的に接続したｐパ
ッド電極２１、ｎパッド電極２３を形成する。ｐパッド
電極２１は実質的なｐ電極２０の表面積を広げて、ｐ電
極側をワイヤーボンディングできるようにする作用があ
る。ｎパッド電極２３もｎ電極のはがれを少なくして、
ｎ電極より注入できる電流を大きくできる作用がある。

【００５１】以上のようにして、両電極を形成したウェ
ーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用い
て、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板
１をラッピングし、基板の厚さを２０μｍとする。ラッ
ピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして
基板表面を鏡面状とする。

【００５２】基板研磨後、ストライプ状の電極に垂直な
方向に相当するサファイア基板の研磨面側をスクライブ
した後、バー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。
なお劈開面はサファイア基板の上に成長した窒化物半導
体面のＭ面とする。この他、ＲＩＥ等のドライエッチン
グ手段により端面をエッチングして共振器を作製するこ
ともできる。またこの他、劈開面を鏡面研磨して作成す
ることも可能である。但し、本実施例のように、窒化物
半導体のＭ面を劈開面を共振面とすることが最も望まし
い。

【００５３】劈開後、共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂より
なる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向
で、バーを切断してレーザチップとした。この切断によ
り、１枚のウェーハから有効なレーザ素子として取り出
せる素子の実質的な歩留は９０％以上であった。次にチ
ップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向し
た状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワ
イヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたと
ころ、閾値電流密度３．５ｋＡ／cm²で、発振波長４０
５ｎｍの連続発振が確認され、およそ６日間の連続発振
を確認した。

【００５４】［実施例２］ｎ型コンタクト層３を７μｍ
の膜厚で成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素
子を作製したところ、同じく閾値電流密度３．５Ａ／cm
²で、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、同じ
く６日間の連続発振を確認した。なおレーザ素子の実質
的な歩留は９０％以上であった。

【００５５】［実施例３］サファイア基板を４０μｍま
で研磨する他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、同じく閾値電流密度３．７ｋＡ／cm²で、
発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５日間の連
続発振を確認した。なおレーザ素子の実質的な歩留は同
じく９０％以上であった。

【００５６】［実施例４］ 1) 厚さ３００μｍ、２インチφのサファイア（Ｃ面）
よりなる基板１の上に 2) ＧａＮよりなるバッファ層２を２００オングストロ
ーム 3) アンドープＧａＮよりなる層を６μｍ 4) Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなる第１のｎ型層を２μ
ｍ 5) Ｓｉドープｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック
防止層を５００オングストローム 4'）クラック防止層の上に同じくＳｉドープｎ型ＧａＮ
よりなる第２のｎ型層を２μｍ成長させる。（窒化物半
導体層総膜厚１１．７２５μｍ、バッファ層を含む）

【００５７】次に第２のｎ型層の上に、直接ｎ型クラッ
ド層５を成長させ、後は実施例１と同様にして、ｎ型ク
ラッド層５から上の層を成長させることにより窒化物半
導体ウェーハを作製し、同様にアニーリングを行い、ｐ
型層をさらに低抵抗にする。

【００５８】アニーリング後、ｐ型クラッド層１０とを
メサエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリ
ッジ形状とした後、第２のｎ型層の表面が露出するまで
エッチングを行う。なお実施例４の場合、第２のｎ型層
がコンタクト層に相当する。

【００５９】後は実施例１と同様にしてレーザ素子を作
製して、発振させたところ、同じく閾値電流密度３．２
ｋＡ／cm²で、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、同じく７日間の連続発振を確認した。なおレーザ素
子の実質的な歩留は同じく９０％以上であった。

【００６０】［実施例５］サファイア基板を５０μｍま
で研磨する他は実施例４と同様にしてレーザ素子を作製
したところ、同じく閾値電流密度３．３ｋＡ／cm²で、
発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、６日間の連
続発振を確認した。なおレーザ素子の実質的な歩留は同
じく９０％以上であった。

【００６１】［比較例１］実施例１において、ｎ型コン
タクト層の膜厚を４μｍとする他は実施例１と同様にし
てレーザ素子を作製したところ、基板は８０μｍまでし
か研磨できず、それ以上研磨するとウェーハが不規則な
位置で割れてしまった。なお、８０μｍまで研磨したウ
ェーハでは共振面を劈開で形成することが難しいため、
ＲＩＥによるエッチングで形成して、レーザ素子とした
ところ、閾値電流密度４．５ｋＡ／cm²で連続発振はし
たが、わずか６０分で素子が切れてしまった。

【００６２】［比較例２］実施例１において、ｎ型コン
タクト層の膜厚を３μｍとする他は実施例１と同様にし
てレーザ素子を作製したところ、基板は１００μｍまで
しか研磨できず、それ以上研磨するとウェーハが不規則
な位置で割れてしまった。なお、１００μｍまで研磨し
たウェーハでは共振面を劈開で形成することが難しいた
め、ＲＩＥによるエッチングで形成して、同様にレーザ
素子としたところ、閾値電流密度５．０ｋＡ／cm²で連
続発振はしたが、極わずかの時間で素子が切れてしまっ
た。

【００６３】［比較例３］実施例１において、基板を７
０μｍまで研磨して、共振面をＲＩＥによるエッチング
で形成する他は、同様にしてレーザ素子を作製したとこ
ろ、閾値電流密度４．３ｋＡ／cm²で連続発振はした
が、３時間で素子が切れてしまった。

【００６４】［比較例４］実施例１においてｎ型コンタ
クト層３及びバッファ層２を基板１まで除去せず、図３
のようにウエーハの絶縁性基板上でｎ型窒化物半導体層
が連続している状態にした他は、同様にしてレーザ素子
を作製したところ、絶縁性基板を薄板化するとウエーハ
が反り、フェースアップボンディングでヒートシンク等
の支持体と基板が十分良好に接触できず放熱性が劣り、
閾値電流密度４．０ｋＡ／cm²で連続発振はしたが、５
時間で素子が切れてしまった。

【００６５】

【発明の効果】本発明は、窒化物半導体ウエーハの基板
を薄くしたときに生じる反り及び反りに伴うウェーハの
不規則な位置での割れを防止し、放熱性を良好にし、し
きい値の上昇を抑え、寿命特性が良好となる窒化物半導
体素子及びその製造方法を提供することができる。特に
レーザ素子では連続発振時間をより長くすることができ
る。さらに、基板を薄くしてあるため、容易に窒化物半
導体の劈開面を共振面とすることができる。なお、本発
明ではレーザ素子について説明したが、ＬＥＤ、受光素
子等、窒化物半導体素子を用いた他のデバイスにも適用
可能であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示
す概略断面図である。

【図２】窒化物半導体の結晶構造を模式的に示すユニッ
トセル図である。

【図３】本発明の比較例４で用いたレーザ素子の構造を
示す概略断面図である。

【符号の説明】

１・・・サファイア基板 ２・・・バッファ層 ３・・・ｎ型コンタクト層 ４・・・クラック防止層 ５・・・ｎ型クラッド層 ６・・・ｎ型光ガイド層 ７・・・活性層 ８・・・ｐ型キャップ層 ９・・・ｐ型光ガイド層 １０・・・ｐ型クラッド層 １１・・・ｐ型コンタクト層 ２０・・・ｐ電極 ２１・・・ｐパッド電極 ２２・・・ｎ電極 ２３・・・ｎパッド電極 ３０・・・絶縁膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ６０μｍ以下の絶縁性基板上に、少
   なくとも膜厚０．５μｍ以下のバッファ層と、総膜厚６
   μｍ以上の窒化物半導体層とからなる窒化物半導体を有
   し、該窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで取り除いて
   なることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 【請求項２】 前記総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半
   導体層のうち、前記バッファ層の上部にｎ型不純物の含
   有されていない窒化物半導体層とｎ型不純物の含有され
   ている窒化物半導体層とを合計６μｍ以上の膜厚で成長
   させてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半
   導体素子。
3. 【請求項３】 窒化物半導体素子の製造方法において、
   絶縁性基板上に、少なくとも膜厚０．５μｍ以下のバッ
   ファ層を介して、総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半導
   体層を有する窒化物半導体を成長させる工程と、成長さ
   せた窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで取り除く工程
   と、窒化物半導体の一部を絶縁性基板まで除去した後ウ
   エーハの絶縁性基板の厚さを６０μｍ以下に調整する工
   程と、基板の厚さ調整後ウエーハをチップ状に分離する
   工程とを備えることを特徴とする窒化物半導体素子の製
   造方法。
4. 【請求項４】 前記総膜厚６μｍ以上の複数の窒化物半
   導体層のうち、前記バッファ層の上部にｎ型不純物の含
   有されていない窒化物半導体層とｎ型不純物の含有され
   ている窒化物半導体層とを合計６μｍ以上の膜厚で成長
   させてなることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半
   導体素子の製造方法。