JP4097343B2 - 窒化物半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
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、あるいはトランジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）素子の製造方法に関する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
【従来の技術】
我々はＧａＮ基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（INCS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-L1571,Part2,No.12A,1 December 1997)。さらに、前記レーザ素子よりサファイア基板を除去してＧａＮ単独とすることにより、５ｍＷ出力でも１万時間以上の連続発振に成功したことを発表した(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998)pp.L309-L312,及びAppl.Phys.Lett.Vol.72(1998)No.16,2014-2016)。
【０００３】
従来、窒化物半導体レーザ素子の作製方法としてサファイアなどの異種基板上に窒化物半導体を積層する。これは窒化物半導体を基板上に成長させる際、成長させる半導体と格子整合した基板が世の中に存在しないことから、一般にサファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合しない異種基板の上に成長されている。
【０００４】
本発明者等は、結晶欠陥を大幅に低減できる窒化物半導体の結晶成長方法として、窒化物半導体と異なる異種基板上にＧａＮ基板を形成し、そのＧａＮ基板上に素子構造を形成することにより、波長約４００ｎｍ、光出力２ｍＷで連続発振約１万時間を達成できる窒化物半導体レーザ素子などを開示している（例えば「ＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造半導体レーザの現状」，第５８回応用物理学会学術講演会，講演番号４ａＺＣ−２，１９９７年１０月、”Ｐｒｅｓｅｎｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ”，Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ （ＩＣＮＳ’９７），講演番号Ｓ−１，１９９７年１０月などに記載されている。）。
【０００５】
この方法により得られる窒化物半導体を保護膜上で横方向に成長させることから、一般にラテラルオーバーグロウスＧａＮ（lateral overgrowth GaN:ＬＯＧ、ラテラル成長ＧａＮ）と呼ばれている。
【０００６】
上記窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法は、あらかじめＡ面｛１１２−０｝をオリフラ面として設けられた、Ｃ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板上に、従来の結晶欠陥が非常に多いＧａＮ層を薄く成長させ、その上にＳｉＯ2よりなる保護膜をストライプ状に形成するかまたはＧａＮを選択的にエッチングしストライプ状のＧａＮを形成し、その上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、ＧａＮの横方向への成長を利用し、再度ＧａＮ層を成長させることにより結晶欠陥の少ないＧａＮ基板（膜厚１０μｍ）を形成することができる。オリフラ面とは、正確にはオリエンテーションフラット面といい、結晶軸方向を示すために円板状のウエハーの端に切り欠きを入れて示した面のことをいう。
【０００７】
このＧａＮ基板を形成する際、ＧａＮの性質としてサファイアＣ面の上に成長させた場合、ＧａＮのＭ面｛１１−００｝がサファイアのＡ面と平行になる。我々は、基板上にＧａＮを形成する際、まずストライプ状に形成する保護膜またはＧａＮをサファイアのＡ面を基準にしてＡ面に対して垂直に形成し、さらにその上に素子構造となる窒化物半導体を積層する際、レーザの共振器方向がサファイアのＡ面と垂直になるように、素子構造を形成していく。このようにして素子構造を形成した後、少なくともレーザの出射面側をＧａＮのＭ面で劈開をして、良好な共振器面を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このあらかじめ設けられたオリフラ面（これを第１のオリフラ面とする。）は、一般には研磨機等の機械を用いて設けられた面であり、正確にＡ面を示しているものではなく、いくらかの誤差が生じているものがある。従って、このＡ面とする第１のオリフラ面を基準として保護膜またはＧａＮおよび共振器を形成しても、共振器方向と共振器面との関係が垂直にならず、ずれが生じてしまい、良好なレーザ素子が得られない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みなされたものである。
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、Ｃ面を主面とし、Ａ面及びＭ面をオリフラ面とするサファイア基板上にストライプ状の保護膜を前記サファイア基板の M 面に対して平行方向にパターン形成し、その上にＧａＮを選択成長させて窒化物半導体層を形成し、前記窒化物半導体層からサファイア基板及びストライプ状の保護膜を除去してＧａＮのみの窒化物半導体基板とする第１の工程と、前記窒化物半導体基板を、Ｍ面で劈開することにより、第２のオリフラ面を少なくとも１つ形成する第２の工程と、前記窒化物半導体基板上に、窒化物半導体を積層させると共に、前記第２のオリフラ面に対して共振器方向が垂直となるように素子構造を形成する第３の工程と、前記窒化物半導体基板をチップ化する第４の工程と、を備えることを特徴とする。
前記第３の工程後、前記窒化物半導体基板を GaN の M 面方向で劈開して共振器を形成し、その後、前記第４の工程において、前記窒化物半導体基板をチップ化することが好ましい。前記第２の工程において、前記窒化物半導体基板の一部に切溝を入れ、外力を加えることにより劈開を行うことが好ましい。
前記第３の工程の後、前記窒化物半導体基板のサファイア基板を除去した側の表面にｎ電極を形成する工程を備えることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図１から図３を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の窒化物半導体素子の製造工程の一実施の形態を示したサファイア基板をＣ面方向から見た図である。図に示したサファイアＡ面、Ｍ面は紙面に垂直な方向を指し、この場合、Ａ面が第１のオリフラ面、Ｍ面が第２のオリフラ面となる。
【００１１】
基板としては、サファイアＣ面の他にサファイアＲ面、ＧａＮ、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどがある。ＧａＮの場合｛０００１｝面を主面とし、｛１１−００｝で劈開することによりオリフラ面を形成し、ＳｉＣの場合｛０００１｝面を主面とし、｛１１−００｝で劈開することによりオリフラ面を形成し、スピネルの場合｛１１１｝面を主面とし｛１００｝面で劈開することによりオリフラ面を形成し、ＳｉおよびＧａＡｓの場合｛１１１｝面を主面とし、｛１１−０｝面で劈開することによりオリフラ面を形成する。これらの基板上にも窒化物半導体を積層することが可能であり、それぞれの劈開によって得た第２のオリフラ面を基準面として素子構造を形成していくことで、良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１２】
本発明において、劈開することによって得た第２のオリフラ面は、図２のように２つ設けてもよい。図２のように第２のオリフラ面を２つ設けることにより、基準面に対して、保護膜またはＧａＮおよび共振器方向をさらに正確に形成でき、歩留も向上し良好なレーザ素子が得られる。
また、本発明において、あらかじめ形成された第１のオリフラ面は図３のように２つ設けられたものでもよい。
【００１３】
本発明において、具体的に劈開することによって第２のオリフラ面を得る方法を説明すると、ＧａＮやＳｉＣなどの劈開性の強い基板の場合、ダイサー等の装置を用いて一部分に切溝を入れ、あとは少しの外力を加えるだけできれいに劈開でき、オリフラ面を得ることができる。また、サファイアやスピネルなどの劈開性の弱い基板の場合、劈開したい面に沿ってスクライビングやハーフダイシングをすることによって、端から端まで全体的に切溝を入れ、その後に外力を加えると切溝の範囲内において劈開が起こり、オリフラ面を得ることができる。
【００１４】
また本発明において、基板はステップ状にオフアングル（傾斜）した基板を用いてもよい。この場合、共振器方向はステップに沿う方向（段差方向）に対して平行となるように形成する。このことはサファイア基板の場合、ステップに沿う方向（段差方向）は第２のオリフラ面に対して平行となる基板を用いることを意味する。さらにオフアングルのオフ角を０．１°〜０．２°の範囲にすることで良好なレーザ素子が得られる。
また、本発明では劈開性は弱いが、劈開性を有するサファイアのＭ面で劈開を行うことで、新たに第２のオリフラ面を設け、これを基準面として保護膜またはＧａＮをストライプ状に形成し、共振器方向を決定していく。すなわち、劈開によって得たサファイアのＭ面に対して、ストライプ状の保護膜またはＧａＮを平行に形成し、また共振器方向も平行となるように素子構造を形成することで、共振器方向とレーザ出射面との間のずれをなくし、歩留を向上させ、良好なレーザ素子を得る。
【００１５】
また本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体レーザ素子に限るものではない。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
図４は本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図であり、具体的にはレーザ素子の構造を示している。以下、図１及び図４を元に実施例１について説明する。
図１に示すようにあらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
【００１７】
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００１８】
次に第１の窒化物半導体層を成長させた後、第１の窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向は第２のオリフラ面に対して平行に形成する。
【００１９】
ストライプ状の保護膜形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板２を得る。
【００２０】
次に得られた窒化物半導体基板２の上に素子となる構造を形成していく。まずＧａＮまたはＡｌＧａＮよりなるｎ側コンタクト層３、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（これは省略が可能である。）、ＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮとの超格子からなるｎ側クラッド層４、ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層５、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層７、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層８、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層９、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０を順に積層する。
【００２１】
次にｐ側コンタクト層１０の一部をドライエッチングしてｎ側コンタクト層３を露出させる。更にｐ側層をｐ側クラッド層９までＲＩＥによりエッチングしてリッジを形成し、リッジ上に保護膜としてＴｉＯ2などの絶縁膜３０とそれぞれのコンタクト層上にｐ電極２０とｐパッド電極２１、ｎ電極２２とｎパッド電極２３を形成する。
最後にウエハーをＧａＮのＭ面方向で劈開して共振器を形成し、チップ化する。
【００２２】
以上のようにして得られたレーザチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対抗した状態）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、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００２３】
［実施例２］
あらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１において、サファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で図２のように両側の２カ所で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
以上のようにして得られた素子を室温で連続発振を試みたところ、実施例１と同様に閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示し、さらに歩留をあげることができた。
【００２４】
［実施例３］
あらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１において、さらにステップ状にオフアングルされ、そのオフ角が０．１３°、ステップに沿う方向（段差方向）がＡ面に垂直に形成された基板を用いる。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
以上のようにして得られたレーザ素子は実施例１とほぼ同等の特性を示した。
【００２５】
［実施例４］
図１に示すようにあらかじめＡ面が第１のオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００２６】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向は第２のオリフラ面に対して平行に形成する。
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００２７】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板２を得る。
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を示した。
【００２８】
［実施例５］
図１に示すようにあらかじめＡ面が第１のオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
【００２９】
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる第１の窒化物半導体層を形成する。
以上のように作製したサファイア基板１上にｎ側コンタクト層３、ｎ側クラッド層４、ｎ側光ガイド層５、多重量子井戸構造からなる活性層６、ｐ側キャップ層７、ｐ側光ガイド層８、ｐ側クラッド層９、ｐ側コンタクト層１０までを積層する。
【００３０】
次にｐ側コンタクト層１０上にｐ電極２０とｐパッド電極２１を、またエッチングにより露出させたｎ側コンタクト層３上にｎ電極２２とｎパッド電極２３を形成させる際、両電極をサファイアのＭ面と平行となるように第２のオリフラ面に対して平行に、バー状で形成する。
最後にウエハーをＧａＮのＭ面方向で劈開して共振器を形成し、チップ化する。
【００３１】
以上のようにして得られたレーザ素子は、実施例１よりは少し劣るが室温で閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００３２】
［実施例６］
図５は本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図であり、具体的にはレーザ素子の構造を示している。以下、図１及び図５を元に実施例６について説明する。
図１に示すようにあらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
【００３３】
ＳｉＯ2からなる保護膜および第２の窒化物半導体を成長させるまでは実施例１と同様にして、次に得られた窒化物半導体基板をサファイア側からアンドープのＧａＮからなる下地層、または第１の窒化物半導体層が露出するまで研磨してＧａＮのみの窒化物半導体基板２を得る。この窒化物半導体基板２をＭ面で劈開することで、第２のオリフラ面を形成する。
【００３４】
次に窒化物半導体基板２上に素子構造を形成していくが、ＧａＮの場合、ＧａＮのＭ面が第２のオリフラ面に該当するため、素子の共振器方向を第２のオリフラ面に対して垂直に形成する。
最後にｐ電極２０をｐ側コンタクト層上に形成し、ｎ電極２２を研磨して得られた窒化物半導体表面上に形成して、チップ化する。
【００３５】
以上のようにして得られたレーザ素子は、実施例１とほぼ同等の、室温で閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、あらかじめ第１のオリフラ面が設けられている基板平面上に気相成長法を用いて窒化物半導体をエピタキシャル成長させる窒化物半導体素子の製造方法において、素子構造となる窒化物半導体を積層させる前に、前記基板を、劈開することにより、第２のオリフラ面を少なくとも１つ形成することで、共振器方向とレーザ出射面との間のずれをなくし、歩留を向上させ、良好なレーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造工程の一実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図２】本発明の製造工程の他の実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図３】本発明の製造工程の他の実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図４】本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【産業上の利用分野】
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、あるいはトランジスタ、集積回路等に使用される窒化物半導体（ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）素子の製造方法に関する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
【従来の技術】
我々はＧａＮ基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（INCS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)pp.L1568-L1571,Part2,No.12A,1 December 1997)。さらに、前記レーザ素子よりサファイア基板を除去してＧａＮ単独とすることにより、５ｍＷ出力でも１万時間以上の連続発振に成功したことを発表した(Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37(1998)pp.L309-L312,及びAppl.Phys.Lett.Vol.72(1998)No.16,2014-2016)。
【０００３】
従来、窒化物半導体レーザ素子の作製方法としてサファイアなどの異種基板上に窒化物半導体を積層する。これは窒化物半導体を基板上に成長させる際、成長させる半導体と格子整合した基板が世の中に存在しないことから、一般にサファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合しない異種基板の上に成長されている。
【０００４】
本発明者等は、結晶欠陥を大幅に低減できる窒化物半導体の結晶成長方法として、窒化物半導体と異なる異種基板上にＧａＮ基板を形成し、そのＧａＮ基板上に素子構造を形成することにより、波長約４００ｎｍ、光出力２ｍＷで連続発振約１万時間を達成できる窒化物半導体レーザ素子などを開示している（例えば「ＩｎＧａＮ系多重量子井戸構造半導体レーザの現状」，第５８回応用物理学会学術講演会，講演番号４ａＺＣ−２，１９９７年１０月、”Ｐｒｅｓｅｎｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ ｂａｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ”，Ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ （ＩＣＮＳ’９７），講演番号Ｓ−１，１９９７年１０月などに記載されている。）。
【０００５】
この方法により得られる窒化物半導体を保護膜上で横方向に成長させることから、一般にラテラルオーバーグロウスＧａＮ（lateral overgrowth GaN:ＬＯＧ、ラテラル成長ＧａＮ）と呼ばれている。
【０００６】
上記窒化物半導体レーザ素子の結晶成長方法は、あらかじめＡ面｛１１２−０｝をオリフラ面として設けられた、Ｃ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板上に、従来の結晶欠陥が非常に多いＧａＮ層を薄く成長させ、その上にＳｉＯ2よりなる保護膜をストライプ状に形成するかまたはＧａＮを選択的にエッチングしストライプ状のＧａＮを形成し、その上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、ＧａＮの横方向への成長を利用し、再度ＧａＮ層を成長させることにより結晶欠陥の少ないＧａＮ基板（膜厚１０μｍ）を形成することができる。オリフラ面とは、正確にはオリエンテーションフラット面といい、結晶軸方向を示すために円板状のウエハーの端に切り欠きを入れて示した面のことをいう。
【０００７】
このＧａＮ基板を形成する際、ＧａＮの性質としてサファイアＣ面の上に成長させた場合、ＧａＮのＭ面｛１１−００｝がサファイアのＡ面と平行になる。我々は、基板上にＧａＮを形成する際、まずストライプ状に形成する保護膜またはＧａＮをサファイアのＡ面を基準にしてＡ面に対して垂直に形成し、さらにその上に素子構造となる窒化物半導体を積層する際、レーザの共振器方向がサファイアのＡ面と垂直になるように、素子構造を形成していく。このようにして素子構造を形成した後、少なくともレーザの出射面側をＧａＮのＭ面で劈開をして、良好な共振器面を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このあらかじめ設けられたオリフラ面（これを第１のオリフラ面とする。）は、一般には研磨機等の機械を用いて設けられた面であり、正確にＡ面を示しているものではなく、いくらかの誤差が生じているものがある。従って、このＡ面とする第１のオリフラ面を基準として保護膜またはＧａＮおよび共振器を形成しても、共振器方向と共振器面との関係が垂直にならず、ずれが生じてしまい、良好なレーザ素子が得られない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みなされたものである。
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、Ｃ面を主面とし、Ａ面及びＭ面をオリフラ面とするサファイア基板上にストライプ状の保護膜を前記サファイア基板の M 面に対して平行方向にパターン形成し、その上にＧａＮを選択成長させて窒化物半導体層を形成し、前記窒化物半導体層からサファイア基板及びストライプ状の保護膜を除去してＧａＮのみの窒化物半導体基板とする第１の工程と、前記窒化物半導体基板を、Ｍ面で劈開することにより、第２のオリフラ面を少なくとも１つ形成する第２の工程と、前記窒化物半導体基板上に、窒化物半導体を積層させると共に、前記第２のオリフラ面に対して共振器方向が垂直となるように素子構造を形成する第３の工程と、前記窒化物半導体基板をチップ化する第４の工程と、を備えることを特徴とする。
前記第３の工程後、前記窒化物半導体基板を GaN の M 面方向で劈開して共振器を形成し、その後、前記第４の工程において、前記窒化物半導体基板をチップ化することが好ましい。前記第２の工程において、前記窒化物半導体基板の一部に切溝を入れ、外力を加えることにより劈開を行うことが好ましい。
前記第３の工程の後、前記窒化物半導体基板のサファイア基板を除去した側の表面にｎ電極を形成する工程を備えることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図１から図３を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の窒化物半導体素子の製造工程の一実施の形態を示したサファイア基板をＣ面方向から見た図である。図に示したサファイアＡ面、Ｍ面は紙面に垂直な方向を指し、この場合、Ａ面が第１のオリフラ面、Ｍ面が第２のオリフラ面となる。
【００１１】
基板としては、サファイアＣ面の他にサファイアＲ面、ＧａＮ、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどがある。ＧａＮの場合｛０００１｝面を主面とし、｛１１−００｝で劈開することによりオリフラ面を形成し、ＳｉＣの場合｛０００１｝面を主面とし、｛１１−００｝で劈開することによりオリフラ面を形成し、スピネルの場合｛１１１｝面を主面とし｛１００｝面で劈開することによりオリフラ面を形成し、ＳｉおよびＧａＡｓの場合｛１１１｝面を主面とし、｛１１−０｝面で劈開することによりオリフラ面を形成する。これらの基板上にも窒化物半導体を積層することが可能であり、それぞれの劈開によって得た第２のオリフラ面を基準面として素子構造を形成していくことで、良好な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１２】
本発明において、劈開することによって得た第２のオリフラ面は、図２のように２つ設けてもよい。図２のように第２のオリフラ面を２つ設けることにより、基準面に対して、保護膜またはＧａＮおよび共振器方向をさらに正確に形成でき、歩留も向上し良好なレーザ素子が得られる。
また、本発明において、あらかじめ形成された第１のオリフラ面は図３のように２つ設けられたものでもよい。
【００１３】
本発明において、具体的に劈開することによって第２のオリフラ面を得る方法を説明すると、ＧａＮやＳｉＣなどの劈開性の強い基板の場合、ダイサー等の装置を用いて一部分に切溝を入れ、あとは少しの外力を加えるだけできれいに劈開でき、オリフラ面を得ることができる。また、サファイアやスピネルなどの劈開性の弱い基板の場合、劈開したい面に沿ってスクライビングやハーフダイシングをすることによって、端から端まで全体的に切溝を入れ、その後に外力を加えると切溝の範囲内において劈開が起こり、オリフラ面を得ることができる。
【００１４】
また本発明において、基板はステップ状にオフアングル（傾斜）した基板を用いてもよい。この場合、共振器方向はステップに沿う方向（段差方向）に対して平行となるように形成する。このことはサファイア基板の場合、ステップに沿う方向（段差方向）は第２のオリフラ面に対して平行となる基板を用いることを意味する。さらにオフアングルのオフ角を０．１°〜０．２°の範囲にすることで良好なレーザ素子が得られる。
また、本発明では劈開性は弱いが、劈開性を有するサファイアのＭ面で劈開を行うことで、新たに第２のオリフラ面を設け、これを基準面として保護膜またはＧａＮをストライプ状に形成し、共振器方向を決定していく。すなわち、劈開によって得たサファイアのＭ面に対して、ストライプ状の保護膜またはＧａＮを平行に形成し、また共振器方向も平行となるように素子構造を形成することで、共振器方向とレーザ出射面との間のずれをなくし、歩留を向上させ、良好なレーザ素子を得る。
【００１５】
また本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体レーザ素子に限るものではない。
【００１６】
【実施例】
［実施例１］
図４は本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図であり、具体的にはレーザ素子の構造を示している。以下、図１及び図４を元に実施例１について説明する。
図１に示すようにあらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
【００１７】
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる第１の窒化物半導体層を形成する。
【００１８】
次に第１の窒化物半導体層を成長させた後、第１の窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向は第２のオリフラ面に対して平行に形成する。
【００１９】
ストライプ状の保護膜形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板２を得る。
【００２０】
次に得られた窒化物半導体基板２の上に素子となる構造を形成していく。まずＧａＮまたはＡｌＧａＮよりなるｎ側コンタクト層３、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（これは省略が可能である。）、ＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮとの超格子からなるｎ側クラッド層４、ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層５、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層７、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層８、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層９、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０を順に積層する。
【００２１】
次にｐ側コンタクト層１０の一部をドライエッチングしてｎ側コンタクト層３を露出させる。更にｐ側層をｐ側クラッド層９までＲＩＥによりエッチングしてリッジを形成し、リッジ上に保護膜としてＴｉＯ2などの絶縁膜３０とそれぞれのコンタクト層上にｐ電極２０とｐパッド電極２１、ｎ電極２２とｎパッド電極２３を形成する。
最後にウエハーをＧａＮのＭ面方向で劈開して共振器を形成し、チップ化する。
【００２２】
以上のようにして得られたレーザチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対抗した状態）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、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００２３】
［実施例２］
あらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１において、サファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で図２のように両側の２カ所で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
以上のようにして得られた素子を室温で連続発振を試みたところ、実施例１と同様に閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示し、さらに歩留をあげることができた。
【００２４】
［実施例３］
あらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１において、さらにステップ状にオフアングルされ、そのオフ角が０．１３°、ステップに沿う方向（段差方向）がＡ面に垂直に形成された基板を用いる。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
以上のようにして得られたレーザ素子は実施例１とほぼ同等の特性を示した。
【００２５】
［実施例４］
図１に示すようにあらかじめＡ面が第１のオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる窒化物半導体層を形成する。
【００２６】
次に窒化物半導体層を成長させた後、窒化物半導体層表面にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成する。このとき、ストライプ方向は第２のオリフラ面に対して平行に形成する。
続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分のＧａＮをサファイア基板が露出されるまでエッチングして凹凸を形成することで、ＧａＮをストライプ状にし、最後に凸部上部のＳｉＯ2を除去する。
【００２７】
ストライプ状のＧａＮを形成後、ウエハーを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させる。以上のようにして窒化物半導体基板２を得る。
その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を示した。
【００２８】
［実施例５］
図１に示すようにあらかじめＡ面が第１のオリフラ面として形成されているＣ面を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に以下のように素子構造を形成していく。
【００２９】
まず、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２００オングストロームと、続けて１０５０℃にてアンドープのＧａＮよりなる層を２．５μｍの、総膜厚が約２．５μｍとなる第１の窒化物半導体層を形成する。
以上のように作製したサファイア基板１上にｎ側コンタクト層３、ｎ側クラッド層４、ｎ側光ガイド層５、多重量子井戸構造からなる活性層６、ｐ側キャップ層７、ｐ側光ガイド層８、ｐ側クラッド層９、ｐ側コンタクト層１０までを積層する。
【００３０】
次にｐ側コンタクト層１０上にｐ電極２０とｐパッド電極２１を、またエッチングにより露出させたｎ側コンタクト層３上にｎ電極２２とｎパッド電極２３を形成させる際、両電極をサファイアのＭ面と平行となるように第２のオリフラ面に対して平行に、バー状で形成する。
最後にウエハーをＧａＮのＭ面方向で劈開して共振器を形成し、チップ化する。
【００３１】
以上のようにして得られたレーザ素子は、実施例１よりは少し劣るが室温で閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００３２】
［実施例６］
図５は本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図であり、具体的にはレーザ素子の構造を示している。以下、図１及び図５を元に実施例６について説明する。
図１に示すようにあらかじめＡ面｛１１２−０｝が第１のオリフラ面として形成されているＣ面｛０００１｝を主面とするサファイア基板１を用意する。まずサファイアの劈開性を用いて、Ａ面とほぼ垂直な方向で劈開をし、サファイアのＭ面｛１１−００｝を露出させる。これを第２のオリフラ面として、Ｃ面上に実施例１と同様に素子構造を形成していく。
【００３３】
ＳｉＯ2からなる保護膜および第２の窒化物半導体を成長させるまでは実施例１と同様にして、次に得られた窒化物半導体基板をサファイア側からアンドープのＧａＮからなる下地層、または第１の窒化物半導体層が露出するまで研磨してＧａＮのみの窒化物半導体基板２を得る。この窒化物半導体基板２をＭ面で劈開することで、第２のオリフラ面を形成する。
【００３４】
次に窒化物半導体基板２上に素子構造を形成していくが、ＧａＮの場合、ＧａＮのＭ面が第２のオリフラ面に該当するため、素子の共振器方向を第２のオリフラ面に対して垂直に形成する。
最後にｐ電極２０をｐ側コンタクト層上に形成し、ｎ電極２２を研磨して得られた窒化物半導体表面上に形成して、チップ化する。
【００３５】
以上のようにして得られたレーザ素子は、実施例１とほぼ同等の、室温で閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ2、２０ｍＷの出力において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によると、あらかじめ第１のオリフラ面が設けられている基板平面上に気相成長法を用いて窒化物半導体をエピタキシャル成長させる窒化物半導体素子の製造方法において、素子構造となる窒化物半導体を積層させる前に、前記基板を、劈開することにより、第２のオリフラ面を少なくとも１つ形成することで、共振器方向とレーザ出射面との間のずれをなくし、歩留を向上させ、良好なレーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造工程の一実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図２】本発明の製造工程の他の実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図３】本発明の製造工程の他の実施の形態を示したサファイア基板をＣ面の方向から見た図。
【図４】本発明の一実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図５】本発明の他の実施の形態にかかる窒化物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図。
Claims (4)
- Ｃ面を主面とし、Ａ面及びＭ面をオリフラ面とするサファイア基板上にストライプ状の保護膜を前記サファイア基板の M 面に対して平行方向にパターン形成し、その上にＧａＮを選択成長させて窒化物半導体層を形成し、前記窒化物半導体層からサファイア基板及びストライプ状の保護膜を除去してＧａＮのみの窒化物半導体基板とする第１の工程と、
前記窒化物半導体基板を、Ｍ面で劈開することにより、第２のオリフラ面を少なくとも１つ形成する第２の工程と、
前記窒化物半導体基板上に、窒化物半導体を積層させると共に、前記第２のオリフラ面に対して共振器方向が垂直となるように素子構造を形成する第３の工程と、
前記窒化物半導体基板をチップ化する第４の工程と、を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。 - 前記第３の工程後、前記窒化物半導体基板を GaN の M 面方向で劈開して共振器を形成し、その後、前記第４の工程において、前記窒化物半導体基板をチップ化することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第２の工程において、前記窒化物半導体基板の一部に切溝を入れ、外力を加えることにより劈開を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記第３の工程の後、前記窒化物半導体基板のサファイア基板を除去した側の表面にｎ電極を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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