JP4644955B2 - 窒化物系半導体素子の作製方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体素子の作製方法に関し、更に詳細には、良好な光共振面を備えた窒化物系半導体素子を作製する作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
青色から紫外域に至る短波長域の光をレーザ発振し得る半導体材料の一つとして、Ｉｎ_X Ａｌ_Y Ｇａ_1-X-Y Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）として組成が示される窒化ガリウム系化合物半導体が、知られている。
特に、最近、窒化ガリウム系化合物半導体よりなるダブルヘテロ構造の発光ダイオードが実用化されたことにより、短波長域の光を発光する発光素子として、窒化ガリウム系化合物半導体を使った半導体レーザダイオードが注目されるようになっている。
【０００３】
従来から研究の進展に伴い、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた種々の構造の半導体レーザダイオードが提案されている。
例えば特開平６−２８３８２５号公報では、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ／Ｓｉドープｎ型ＧａＮ／Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮダブルヘテロ構造のレーザダイオードが開示されており、また、ＵＳＰ５，１４６，４６５には、ＡｌＧａＮを活性層として、ＡｌＧａＮの多層膜で光共振面を形成したレーザダイオードが開示されている。
【０００４】
半導体レーザ素子は、基本的には、例えばＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ等の窒化物系化合物半導体層の活性層／クラッド層の組み合わせで形成されたダブルヘテロ接合構造を備えている。
少なくともインジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とを含む窒化ガリウム系化合物半導体、例えばＩｎＧａＮを活性層とすることにより、ＩｎＧａＮのバンド間発光のみで発光波長を例えば３７０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲で変化させることができる。
以下、少なくともＧａ、Ｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体層の積層構造を有する半導体レーザ素子をＧａＮ系半導体レーザ素子と言う。
【０００５】
半導体レーザ素子として好適なダブルヘテロ接合構造は、ノンドープＩｎ_X Ａｌ_Y Ｇａ_1-X-Y Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる活性層を、導電型が互いに異なり活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きい窒化ガリウム系化合物半導体で挟んだダブルヘテロ接合構造である。
例えばｎ型ドーパント及びｐ型ドーパントをそれぞれドープしたｎ型及びｐ型Ｉｎ_X Ａｌ_Y Ｇａ_1-X-Y Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で活性層を挟んだダブルヘテロ接合構造である。
【０００６】
ここで、図３を参照して、ＧａＮ系半導体レーザ素子の基本的構造及び作製方法を説明する。図３はＧａＮ系半導体レーザ素子の基本的構成を示す模式的断面図である。
ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、メサストライプ型の半導体レーザ素子が多く、図３に示すように、例えばＧａＮ基板１２のＣ面上に、ｎ型ＧａＮ系化合物半導体の第一のクラッド層１４と、ＧａＮ系化合物半導体の活性層１６と、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体の第二のクラッド層１８との積層構造からなるダブルへテロ構造を備えている。
【０００７】
第二のクラッド層１８上には、ストライプ状の正電極２０が、ＧａＮ基板１２の裏面には、負電極２２が形成されている。尚、負電極２２は、ＧａＮ基板１２の裏面を研磨して所定の厚さに調整した後、形成されている。
本半導体レーザ素子１０では、正電極２０を１μｍ〜２０μｍ程度の幅で形成してストライプ状光導波路を構成することにより、ストライプ状光導波路に沿ってレーザ発振を起こすことができる。
【０００８】
ＧａＮ系化合物半導体層は、通常、下地のＧａＮ系化合物半導体又は窒化ガリウム基板の（０００１）面（以下、この面をＣ面という。図４参照）上にエピタキシャル成長法により成膜される。尚、図４は、ＧａＮ系半導体の面方位を表すユニットセル図である。
上述の半導体レーザ素子１０の作製では、ＧａＮ基板１２のＣ面上にＧａＮ系化合物半導体をＣ軸方向の配向で例えばＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等の気相成長法により成長させて、積層構造を形成している。
尚、ＧａＮ基板のＣ面が（０００１）面に完全に一致していることが最も望ましいが、（０００１）面に対しておよそ±２°以内の範囲でオフ角を有するＣ面であってもよい。また、ＧａＮ基板に代えて、サファイア基板のＣ面上にＧａＮ系化合物半導体層をエピタキシャル成長させることも多い。
【０００９】
以上の工程までは、ウエハプロセス工程であって、ストライプ状の正電極２０は、ウエハ上に所定間隔で並列に、図５（ａ）に示すように、劈開性を考慮してＧａＮ基板１２のＡ面（１１−２０）に平行（破線で示す方向）に配列されている。
Ｍ面（１−１００）面に平行な面でＧａＮ基板１２及びその上の積層構造を所定の幅で帯状に分割する際、その分割面のＧａＮ系化合物半導体層が光共振面になるので、ＧａＮ系化合物半導体層の積層構造の分割面に対してストライプが垂直となるようにストライプ状の正電極２０を形成する。
【００１０】
次いで、ＧａＮ基板のＭ面（１−１００）面でＧａＮ基板１２及びその上の積層構造を所定幅の帯状に分割して、図５（ｂ）に示すように、ストライプ状の正電極２０を幅方向に並列させたバー２４を形成する。バー状に分割する際には、図６に示すように、ウエハ面にけがき線２５を入れ、けがき線２５に沿って劈開性を利用して分割する。帯状に分割する際の幅Ｗは、半導体レーザ素子１０の共振器長Ｌとする。
次に、図５（ｃ）に示すように、ＧａＮ基板１２のＡ面（１１００）面に平行な面でバー２４を分割して、それぞれ、所定の幅の半導体レーザチップ２６に形成する。
なお、以上の説明では、ＧａＮ基板を例にしてＧａＮ系半導体レーザ素子の作製を説明したが、サファイア基板を基板としても良い。尚、サファイア基板を基板とする場合には、負電極２２は基板の裏面ではなく、基板に関し正電極２０と同じ側に形成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体レーザ素子の重要な構成要素である光共振面は、ストライプ状の正電極に直交した面で、かつ平滑面であることが必要があって、光共振面がストライプ状正電極に対して直交せず、また平滑な面でないと、半導体レーザ素子のレーザ特性が低下する。
しかし、従来の方法では、ウエハプロセス工程を終了して、ウエハをバー化して光共振面を形成し、次いでバーをチップ化する際に、正電極に直交し、平滑な光共振面を形成することが難しく、歩留りが著しく低下するという問題があった。
【００１２】
以上の説明では、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体層の積層構造を有するＧａＮ系半導体レーザ素子を例に挙げているが、この問題は、これに限らずサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体レーザ素子、更には窒化物系半導体素子全般に該当する問題である。更には、利得導波路型のメサストライプ構造、或いは埋め込みヘテロ型のストライプ構造を有する半導体レーザ素子にも該当する問題である。
そこで、本発明は、このような事情を鑑みて成されたものであって、その目的は、窒化物系半導体基板又はサファイア基板上に、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を歩留り良く作製する方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の問題の解決に当たり、ＧａＮ基板及びその上に形成されるＧａＮ系化合物半導体層の積層構造の劈開性に注目した。
例えば、赤外／赤色半導体レーザ素子に使用されるＧａＡｓ系の半導体材料は、立方晶系であって、劈開性に優れているので、半導体結晶の劈開面からなる半導体レーザの共振面はストライプ状構造に直交する平滑な面になる。
一方、サファイア基板には劈開性が無く、ＧａＮ基板等の窒化物系半導体基板もＧａＡｓ基板程の優れた劈開性を有していない。また、窒化物系化合物半導体層の積層構造もＧａＡｓ系の積層構造に比べて劈開性が劣る。
以上の劈開性の問題から、本発明者は、光共振面で劈開してバーを形成する従来の方法では、光共振面となる良好な劈開面を歩留まり良く得ることが難しく、また、劈開面の違いから光共振面がストライプ状構造に対して斜め方向に逸れ易く、直交面になり難いことに気が付いた。
【００１４】
更に説明すると、サファイア基板は劈開性が無く、ＧａＮ基板等の窒化物系半導体基板はＧａＡｓ基板ほどの強い劈開性ではないため、基板の薄膜化を行っても光共振面の劈開は容易ではない。
また、割れ易くするための案内溝を溝入れする際も、あまり深い溝を形成すると、その影響を受けて光共振面の平坦度が悪くなると言う問題が生じる。
更には、チップ化する前に、光共振面が露出しているので、光共振面が汚染されたり、損傷したりすることも多かった。
【００１５】
そこで、本発明者は、極力、光共振面に損傷を与えないようにしてバー化するために従来の方法とは逆に、先ず、Ａ面（１１−２０）面でウエハを分割してバー化し、次いでバーを折る要領でＭ面（１−１００）面で劈開を行ってチップ化することを着想した。
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明に係る窒化物系半導体素子の作製方法は、窒化物系半導体基板上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を有する窒化物系半導体素子の作製方法において、
基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成する工程と、
窒化物系化合物半導体層の積層構造の上部を加工して、又は積層構造上に、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を基板のＡ面に平行に形成する工程と、
基板のＡ面で基板及び積層構造をストライプ状構造毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向に有するバーを形成する工程と、
基板のＭ面でバーを分割して、それぞれ、ストライプ状構造を有する所定の長さのチップを形成する工程と
を備えていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る窒化物系半導体素子の作製方法は、基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成しつつ積層構造内に、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を基板のＡ面に平行に埋め込み形成する場合にも適用できる。
バーを形成する工程の前に、基板の裏面を研磨して所定の厚さ、例えば２００μｍ以下、更に好ましくは１００μｍ以下の厚さに基板を調整することが望ましい。
【００１８】
本発明方法で、Ａ面とは図４（ユニットセル図）の（１１２０）面を意味し、Ｍ面とは図４に示す（０１−１０）面等を言う。
本発明方法は、ストライプ状構造を有する限り窒化物系半導体素子の構成に制約無く適用でき、例えば半導体レーザ素子、光増幅器、光変調器、発光ダイオード等に適用できる。また、窒化物系化合物半導体層の組成に制約なく適用できる。
【００１９】
Ａ面でウエハを分割してバー化する際には、分割面が光共振面ではないので、スクライバーやダイサーを用いて分割しても良く、更には、スクライバーやダイサーの刃を基板裏面下まで入れて完全に切断することもできる。
【００２０】
Ｍ面で劈開してチップ化する際には、浅い案内溝を形成し、次いでブレーキング装置やローラーを使って押し割る方法を適用しても良く、溝無しで折り割る方法を適用することも可能である。
また、バーからの劈開に際し、積層構造側に案内溝を入れるときには、ストライプ状構造の間に点線状に離隔した案内溝を設けても良い。バーからの劈開であれば、点線状に離隔した案内溝であっても、直線的に高い歩留まりで割ることができる。
【００２１】
本発明方法では、劈開性の弱い窒化物系化合物半導体層の積層構造及び窒化物系半導体基板を出来るだけ割り易いバー形状にすることにより、Ｍ面で安定してバーを割ってチップ化することができる。
更には、図４の斜線部で示すように、窒化ガリウムのＭ面は、必ず対向するもう一方のＭ面を有するので、それらの双方のＭ面でバーを割ることによって、相互に対向する光共振面を容易に形成できる。
【００２２】
また、窒化物系半導体基板及び窒化物系化合物半導体層の積層構造のＭ面は、他の面方位、例えばＣ面やＡ面等に比べて、割れやすい性質があることを利用して、その割れた面（劈開面）が鏡面のような状態の光共振面となる。
そのため、割れ難いＡ面切断によるバー化と、Ｍ面劈開によるチップ化とを組み合わせることにより、機械的な切断負荷をＡ面に集約して、光共振面となるＭ面へのダメージを軽減することできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的にかつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る窒化物系半導体素子の作製方法の実施形態の一例で、図１は本実施形態例の方法で作製した窒化物系半導体素子の構成を示す断面図、及び図２は基板（ウエハ）上のストライプ状正電極の長手方向配列を示す平面図である。
基板として、Ｃ面を主面とし、Ｍ面とＡ面とがオリエンテーションフラットされた例えば基板厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＮ基板３０を使用する。
【００２４】
先ず、ＧａＮ基板３０の主面（Ｃ面）上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、順次、膜厚３００ÅのＧａＮバッファ層３１、膜厚４μｍのＳｉドープしたｎ型ＧａＮ下地層３２、膜厚１．３μｍのＳｉドープしたｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３３、膜厚５００Åのｎ型ＩｎＧａＮ層よりなる活性層３４、膜厚０．６μｍのＭｇドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３５、及び膜厚０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層よりなるｐ型コンタクト層３６をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００２５】
次いで、最上層のｐ型コンタクト層３６上に正電極形成用の多層金属膜（図示せず）をスパッタ法等によって堆積させ、続いて、図２（ａ）に示すように、ウエハのオリエンテーションフラット面、つまりＡ面に平行な方向（実線で示す方向）に延在する所定のストライプ形状のマスクを多層金属膜上に形成し、多層金属膜をエッチングしてｐ型コンタクト層３６上に２μｍの幅でストライプ状の正電極３７を形成する。
次に、ＧａＮ系化合物半導体層を形成していない側のＧａＮ基板３０の基板面（裏面）を研磨して基板厚さを８０μｍに調整し、研磨後、裏面に負電極３８を形成する。
負電極３８は、基板３０の裏面全面に形成しても良く、又はウエハ分割のための案内溝を形成する領域を避けて形成しても良い。
【００２６】
負電極３８を形成した後、ウエハをスクライバーにセットして、ＧａＮ基板３０の裏面を図２の実線で示す分断線に沿ってＡ面に平行な方向にスクライブして、図２（ｂ）に示すように、バー３９を形成する。
次いで、バー３９をＡ面に直交するＭ面に平行な方向（点線で示す方向）にスクライブしてまたはブレーキング刃にて圧して割って、それぞれ、図１に示す積層構造を有するＧａＮ系半導体レーザ素子・チップ４０を形成する。
【００２７】
共振器長が２００μｍ以上１０００μｍ以下の場合、バー３９の幅は例えば３００μｍである。次いで、バー３９を共振器長７００μｍのチップ４０に分割する。
このチップ４０は、図１に示すようなＧａＮ系半導体レーザ素子の構造を有しており、Ａ面に直交するＭ面（１−１００）面がＧａＮ系半導体レーザ素子の光共振面となっている。
【００２８】
上述した本実施形態例の作製方法に従って、図１に示す積層構造を有するＧａＮ系半導体レーザ素子試料を作製し、チップ４０をヒートシンクに設け、正電極３７及び負電極３８を接続端子にワイヤーボンドした後、室温でレーザ発振を試みたところ、しきい値電流密度１５ｋＡ／ｃｍ² で発振波長４００ｎｍのレーザ発振が確認され、良好なレーザ特性を有することが判った。
【００２９】
本実施形態例では、ＧａＮ基板を使ったＧａＮ系半導体レーザ素子の作製を例にして説明したが、ＧａＮ基板に代えてサファイア基板を使った場合にも本発明方法を適用することができる。
その場合には、基板に関し正電極３７と同じ側で同じ方向にストライプ状に負電極を形成することにより、本発明方法を適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明方法によれば、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を基板のＡ面に平行に形成し、次いで基板のＡ面でストライプ状構造毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向に有するバーを形成し、更に基板のＭ面でバーを分割して、それぞれ、ストライプ状構造を有する所定の長さのチップに形成することにより、従来の方法に比べて、歩留まりが高く、平坦性の良い光共振面を備え、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の方法で作製したＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例の方法でＧａＮ系半導体レーザ素子を作製する際のバー化、及びチップ化の工程を説明する図である。
【図３】ＧａＮ系半導体レーザ素子の典型的構成を示す斜視図である。
【図４】ＧａＮの面方位を表すユニットセル図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の方法でＧａＮ系半導体レーザ素子を作製する際のバー化、及びチップ化の工程を説明する図である。
【図６】けがき線を設けた状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０……ＧａＮ系半導体レーザ素子、１２……ＧａＮ基板、１４……第一のクラッド層、１６……活性層、１８……第二のクラッド層、２０……正電極、２２……負電極、２４……バー、２６……チップ、３０……ＧａＮ基板、３１……ｎ型ＧａＮバッファ層、３２……ｎ型ＧａＮ下地層、３３……ｎ型クラッド層、３４……活性層、３５……ｐ型クラッド層、３６……ｐ型コンタクト層、３７……正電極、３８……負電極、３９……バー、４０……チップ。

Claims (7)

1. 窒化物系半導体基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成する工程と、
   窒化物系化合物半導体層の積層構造の上部を加工して、又は積層構造上に、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を窒化物系半導体基板のＡ面に平行に形成する工程と、
   窒化物系半導体基板のＡ面で窒化物系半導体基板及び積層構造をストライプ状構造毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向に有するバーを形成する工程と、
   窒化物系半導体基板のＭ面でバーを劈開により分割して、それぞれ、ストライプ状構造を有する所定の長さのチップを形成するとともに、Ｍ面からなる劈開面を形成する工程と
   を備えている窒化物系半導体素子の作製方法。
2. 窒化物系半導体基板の（０００１）面上に窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成しつつ積層構造内に、ストライプ状電流注入領域等のストライプ状構造を窒化物系半導体基板のＡ面に平行に埋め込み形成する工程と、
   窒化物系半導体基板のＡ面で窒化物系半導体基板及び積層構造をストライプ状構造毎に所定幅の帯状に分割して、ストライプ状構造を長手方向に有するバーを形成する工程と、
   窒化物系半導体基板のＭ面でバーを劈開により分割して、それぞれストライプ状構造を有する所定の長さのチップを形成するとともに、Ｍ面からなる劈開面を形成する工程と
   を備えている窒化物系半導体素子の作製方法。
3. バーを形成する工程の前に、窒化物系半導体基板の裏面を研磨して所定の厚さの窒化物系半導体基板に調整する請求項１又は２に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。
4. 窒化物系半導体基板として窒化ガリウム基板を使用し、窒化物系化合物半導体層の積層構造としてＧａＮ系化合物半導体層の積層構造を形成する請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。
5. 窒化ガリウム基板に代えてサファイア基板を使用する請求項４に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。
6. バーを形成する工程では、ウエハを切削し、ダイシングし、又はスクライビングしてバー化する請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。
7. チップを形成する工程では、ブレーキング装置によってバーを分割する請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子の作製方法。

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