JP2010212738A - 窒化物系共振器半導体構造の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器(DBR)を設ける。
【解決手段】第1の分布型ブラッグ反射器122を有する窒化物系共振器半導体構造140がサファイア基板上に設けられ、第1の分布型ブラッグ反射器122に第2の基板128が結合され、レーザアシスト・エピタキシャル・リフトオフによってサファイア基板が除去され、VCSEL構造の、第1の分布型ブラッグ反射器122とは反対側に、第2のブラッグ反射器142が設けられる。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般的には、窒化物系半導体構造に関し、詳細には、半導体構造を第1の基板から第2の基板へと移し、窒化物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器(DBR)を設けることを可能にするための、レーザアシスト・エピタキシャル・リフトオフによる、窒化物系共振器半導体構造の製造方法に関する。
平面多層半導体構造は、分布型ブラッグ反射器を構成する半導体層が両側に結合された、1つ以上の活性半導体層を有することが可能である。活性半導体層の両側の分布型ブラッグ反射器は、ミラーとして機能する、交互する高屈折率と低屈折率の1/4波長の厚さの半導体又は誘電層から構成される。両側の分布型ブラッグ反射器の間に活性半導体層を含む多層半導体層は、半導体構造内で光を放出及び吸収する共振器を構成する。共振器内の活性半導体層は、発光ダイオード(LED)若しくは垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)として光を放出、または光検出器(PD)として光を吸収する。
この構造において、活性層の一方の側の半導体層には、移動電子が過剰となるように不純物がドーピングされている。過剰な電子を有するこれらの層は、n型(即ちネガティブ)と呼ばれる。この構造において、活性層の他方の側の半導体層には、移動電子が欠乏するように不純物がドーピングされており、正孔と呼ばれる、正に荷電された過剰なキャリアが生じる。過剰な正孔を有するこれらの層は、p型(即ちポジティブ)と呼ばれる。
層構造のp側とn側との間に、順方向にバイアスされた電位が電極を介して与えられることにより、正孔または電子、または両方を、平面層に対して垂直な方向に駆動してp−nジャンクションを横断させることで、それらを活性層に"注入"し、そこで電子が正孔と再結合して発光する。発光ダイオードは、共振器から、DBRの1つを通り半導体構造の上面又は下面を通して光を放出する。レーザでは、両側のDBRによって与えられる光学フィードバックにより、放出された光の一部を共振器内で共振させ、DBRの1つを通り半導体レーザ構造の上面又は下面を通して、コヒーレントな"レージング"の増幅された誘導放出を可能にする。
光検出器では、層構造のp側とn側との間に、逆方向にバイアスされた電位が電極を介して与えられる。光検出器は、共振器の活性層に光を吸収することにより、活性層からの電子/正孔の対が集められて光電流を構成する。
III族窒化物半導体、又はIII-V族半導体としても知られる窒化物系半導体は、周期表のIII族から選択されるAl、Ga及びIn等の元素と、V族の元素Nとを有する。窒化物系半導体は、窒化ガリウム(GaN)等の二元性化合物であってもよく、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)または窒化アルミニウムインジウム(InGaN)の三元合金、及び窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)等の四元合金であってもよい。これらの材料を基板上に付着させて、光電子デバイス用途の発光器として使用可能な積層半導体構造を製造する。窒化物系半導体は、緑−青−紫−紫外スペクトルの短波長の可視光の発光に必要な広いバンドギャップを有する。
多くの用途では、半導体構造に用いられる従来の基板材料は、シリコン又はガリウム砒素であろう。しかし、GaN結晶構造は、GaNの成長温度が高いと、高品質の窒化物半導体材料をSiやGaAs等の半導体基板上に直接付着させるのが非常に困難になる。
現在のところ、窒化物系半導体構造は、サファイアや炭化ケイ素等の異種基板上に薄膜GaN層をヘテロエピタキシャル成長させることを要する。
最もよく用いられる成長基板であるサファイアは、GaNとサファイアとの間の格子及び熱膨張係数の不整合により、GaN層の品質に依然として制約を課す。これらの2つの材料の特性が全く異なることにより、薄膜GaN層/サファイア基板の境界面に、転位や積層欠陥等の欠陥が高密度で広がる。
湿式ケミカルエッチング、化学的−機械的研磨、又はレーザアシスト・リフトオフを含む、多くの基板分離技術を使用できる。湿式ケミカルエッチング及び化学的−機械的研磨は、元来時間がかかるプロセスであり、元の成長基板を除去するためには、材料の選択性が高い必要がある。GaN薄膜/サファイア基板系では、レーザアシスト・リフトオフ処理は、薬品を用いる方法と比べて幾つかの長所がある。レーザ処理は光学的な選択が可能であり、空間的な制御を有すると共に、比較的迅速なリフトオフ技術である。
基体分離技術を良好に実施するためには、技術そのものが、処理されるGaN層の品質を劣化させてはならない。レーザ処理は、パルス照射中の急激な加熱及び冷却により、GaN層に熱弾性応力を与え、それによってGaN層を破壊することがある。薄膜の破壊は、二方向の応力がかかったGaN内の微視亀裂から生じる場合もあれば、GaN層全体への微視亀裂の伝搬を開始させる熱衝撃から生じる場合もある。
ヘテロエピタキシによってサファイア又はGaAs上に厚膜GaN層を付着させる場合に特有の問題は、基板分離技術に関わらず、GaN膜と基板との間の熱係数の不整合によって、サファイアでは圧縮応力、GaAsでは引張応力が内在することである。
GaN基板を作るための成長基板の除去の成功は、部分的には、成長したGaN層の品質に左右される。ヘテロエピタキシに関係する難点のため、基板に必要な類の厚膜GaN層は、一般的に、レーザ・リフトオフ処理中に伝搬して増える可能性がある微視亀裂を有する。固有の残留応力とレーザ処理の熱弾性応力が組合わさると、GaNウェハ領域全体にわたる亀裂の伝搬を生じさせる。亀裂が伝搬すると、GaNに無制御の壊滅的な機械的不具合を生じるか、又は、少なくとも、輪郭のはっきりしない低品質のGaN基板を生じる。
GaNのVCSELの製造に特有の別の問題は、VCSELのコヒーレント光の誘導放出に必要な、反射率の高いAlGaN系分布型ブラッグ反射器(DBR)を成長させるのが困難なことであり、VCSELでは、DBRにおけるAlGaN層のアルミニウムの最小含有量が光の自己吸収によって制限され、アルミニウムの最大含有量が格子の整合の制約によって制限される。
同様の問題が、長波長リン化インジウムVCSELにも害を及ぼすが、リン化物系レーザ構造の問題は、エッチングによって基板を貫通する孔を設け、誘電材料を気化してDBRを構成することで解決できる。残念ながら、窒化物系構造に通常用いられる基板、即ちサファイアは、ドライエッチングやウェットエッチングが困難であるので、窒化物系レーザ構造の製造にこのバックエッチングの手順を用いることはできない。
特開2000−228563号公報 特開平7-202162号公報
本発明の目的は、窒化物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器(DBR)を設けることである。
本発明によれば、第1の分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共振器半導体構造がサファイア基板上に設けられ、第1の分布型ブラッグ反射器に第2の基板が結合され、レーザアシスト・エピタキシャル・リフトオフによってサファイア基板が除去され、VCSEL構造の、第1の分布型ブラッグ反射器とは反対側に、第2のブラッグ反射器が設けられる。窒化物系共振器半導体構造は、VCSEL、LED、若しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組み合わせたものの、いずれであってもよい。
以下、図面を参照する。図面には、本発明による、活性層の両側に分布型ブラッグ反射器(DBR)を有する窒化物系共振器半導体構造が示されている。この窒化物系共振器半導体構造は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)、発光ダイオード(LED)、若しくは光検出器、又はこれらのデバイスを組み合わせたものの、いずれであってもよい。当該技術分野で周知の、有機金属気相エピタキシ(OMVPE)や水酸化物気相エピタキシ(HVPE)等の技術により、サファイア基板上に窒化ガリウム半導体層を成長させる。
図1では、OMVPE成長は、一般的にサファイア基板100上で行われる。基板100は、C−面(0001)又はA−面(1120)配向のサファイア(Al23)基板であってもよい。サファイア基板100は、片面又は両面のエピタキシャル研磨が施され、一般的に厚さが200μm〜1000μm程度の、標準的な仕様のものである。
まず、サファイア基板100上に、窒化ガリウム核生成層102を成長させる。次に、核生成層102上に、窒化ガリウム層104を成長させる。
成長中の基板の温度は、一般的に、約200Åの薄膜GaN核生成層102については550℃であり、GaN層104については1000℃〜1200℃である。付着速度は、一般的に1μm/時間〜20μm/時間程度である。厚膜GaN層104の深さは、一般的に60μm〜300μmの間である。更に、反応炉の圧力は、50Torr〜1500Torr(667〜199984Pa)の間に制御されてもよい。有機金属の前駆物質としては、III族の元素にはTMGa(トリメチルガリウム)又はTEGa(トリエチルガリウム)を用いてもよく、窒素源としてはNH3(アンモニア)を用いてもよい。有機金属源のキャリアガスとしては、水素及び/又は窒素が用いられる。
当該技術分野で周知の、厚膜GaN層を成長させるための別の付着技術は、HVPEである。HVPE成長も、一般的にサファイア基板上で行われる。基板100は、C−面(0001)又はA−面(1120)配向のサファイア(Al23)基板であってもよい。しかし、他の配向の基板を用いてもよい。成長中の基板の温度は、一般的に、薄膜GaN核生成層102については500℃〜600℃であり、厚膜GaN層104については1000℃〜1200℃である。付着速度は、一般的に10μm/時間〜数百μm/時間程度である。III族の元素源としてはGaClが用いられ、これは液体ガリウム上にHClガスを流すことによって生成される。窒素源としてはNH3(アンモニア)が用いられる。キャリアガスとしては、水素及び/又は窒素が用いられる。
原理的には、分子ビームエピタキシ(MBE)のような他の付着方法を用いることもできるが、MBEの付着速度が比較的低いため、厚膜GaN層を成長させるのは困難となろう。上述した付着技術を組み合わせて用いてもよい。例えば、約1〜2μmの深さを有する高品質のGaN核生成層102を成長させるのに、OMVPEを用い、次に、核生成層102上に非常に厚いGaN層104を成長させるのに、HVPEを用いてもよい。
次に、GaNバッファ層104上に、InGaNレーザ吸収層106を成長させる。犠牲層106の厚さは、一般的に1500Å〜4000Åの間である。
レーザ吸収層106上に、III-V窒化物コンタクト層108が形成される。III-V窒化物層108は、横方向n型コンタクト兼電流拡散層として作用するn型GaN:Si層である。コンタクト兼電流拡散層108の厚さは、一般的に約1μm〜約20μmである。
コンタクト層108上には、III-V窒化物クラッド層110が形成される。III-V窒化物層110は、n型AlGaN:Siクラッド層である。クラッド層110の厚さは、一般的に約0.2μm〜約2μmである。
III-V窒化物クラッド層110上には、III-V窒化物導波層112が形成され、次に、III-V窒化物量子井戸活性領域114が形成される。n型GaN:Si導波層112の厚さは、一般的に約50nm〜約200nmである。量子井戸活性領域114は、少なくとも1つのInGaN量子井戸を有する。多量子井戸活性領域の場合には、個々の量子井戸の厚さは一般的に約10Å〜約100Åであり、一般的に約10Å〜約200Åの厚さを有するInGaNまたはGaN障壁層によって隔てられている。
量子井戸活性領域114上には、III-V窒化物導波層116が形成される。p型GaN:Mg層116は、導波層として作用し、約50nm〜約200nmの厚さを有する。
導波層116上には、III-V窒化物クラッド層118が形成される。p型AlGaN:Mg層118は、クラッド及び電流閉込め層として作用する。III-V窒化物クラッド層118の厚さは、一般的に約0.2μm〜約1μmである。
クラッド層118上には、III-V窒化物コンタクト層120が形成される。p型GaN:Mg層120は、レーザヘテロ構造100のp側と接触する最小抵抗金属電極用のp型コンタクト層を構成する。III-V窒化物コンタクト層120の厚さは、一般的に約10nm〜200nmである。
p型コンタクト層120上には、第1の分布型ブラッグ反射器122が形成される。第1の分布型ブラッグ反射器122は、6対の厚さが1/4波長の交互する二酸化シリコン(SiO2)及び五酸化タンタル(Ta25)の誘電層を有する。或いは、DBRは、SiO2/TiO2若しくはGaN/AlGaNの交互層、又はアルミニウム含有量が異なるAlGaNの交互層を有してもよい。より高い反射率が望まれる場合は、DBRは6対を超える又は6対未満の交互層を有してもよい。しかし、光検出器の場合には、光の抽出を高めるために、対の数が少ない方が望ましいことがある。
第1の分布型ブラッグ反射器122上には、金Au層124が形成される。金の上層124の厚さは、一般的に20nm〜200nmである。
金の上層124の上面126は、接着ボンド130を用いてシリコン(Si)基板128に接着される。接着剤130は、シアノアクリレート系接着剤であってもよい。或いは、支持基板は、ガリウム砒素(GaAs)、銅、又は任意の硬質材料であってもよい。接着剤は、薄膜接着剤、スピン・オン・ガラス(spin-on glass)、又は任意の適切なはんだであってもよい。金層124に接着される支持基板128として銅又は他の金属を用いると、良好な熱伝導性が得られる。
光の散乱を最小限にするために、サファイア基板100の下面132は、非常に滑らかな表面仕上げになるまで研磨される。研磨は、一続きのダイヤモンドパッド(図示せず)を用いて機械的に行われる。研磨手順の間、ダイヤモンドのグリットのサイズは、約30μmから0.1μmまで徐々に小さくされる。研磨後の一般的な二乗平均(rms)粗さは、約20〜50Åである。研磨は、支持基板への接着前に行われてもよい。
次に、図2に示されるように、紫外線エキシマレーザ134がレーザビーム136を放出し、レーザビーム136はサファイア基板100を透過して、GaNバッファ層104とInGaNレーザ吸収層106との境界面138に達する。サファイア及び窒化ガリウムは、レーザが発する光の波長に対して透明である。エキシマレーザを適切に調節することにより、GaNバッファ層104とInGaN犠牲層106との境界面138で、薄膜InGaNレーザ吸収層106を分解させることができる。
InGaN層106は、サファイア基板及び窒化ガリウム層を通ったレーザビームの放射エネルギーにより、インジウム及びガリウムの金属並びに気体窒素へと分解される。InGaN層106はレーザ吸収層であり、光ビーム136の波長はインジウムの分解に一致する。
ホモジナイザー(図示せず)は、レーザによって放出されるガウス波形のビームを、平らなプラトー状のレーザビームに変換し、それにより、ビームの均一性が向上する。
静止したビームを照射するのではなく、境界面を横断するようにレーザビームを走査させることにより、InGaNレーザ吸収層のより大きな表面積を照射してもよい。エキシマレーザは、一般的に5〜10Hzのパルス状であり、GaN層の分解を達成するには、一般的には1パルスで十分である。サファイア基板100の下面132は研磨されているので、エキシマレーザはInGaN層106を均一に照射できる。
サファイア基板100並びに窒化ガリウム層102及び104を、窒化物系共振器半導体構造140から分離した後、GaNコンタクト層108の表面142上に残存しているインジウム又はガリウムの金属を、塩酸(HCL)及び水の溶液(HCL:H2O=1:1)に含浸することにより除去する。
サファイア基板100は、次の窒化物系半導体構造の製造に再利用できる。基板100はサファイアである必要はなく、レーザ134からの光ビーム136の波長を透過させ、表面でGaN層を成長させるのに適した、光学的に透明な任意の材料であってよい。
次に、図3に示されるように、半導体構造140は、シリコン(Si)基板128及びp型ドープ層が下になり、n型コンタクト層108が上になるように裏返される。
Ar/Cl2/BCl3の混合気体中における、CAIBE(chemical assistedion beam etching)又はRIE(reactive ion beam etching)を用いたドライエッチングにより、n型コンタクト層108、n型クラッド層110、n型導波層112、InGaN活性領域114、p型導波層116、及びp型クラッド層118を貫通して、それらの下のGaN:Mg電流拡散及びp型コンタクト層120が露出されるように、半導体構造140をエッチングする。
n型コンタクト層108の中央部の上に、第2の分布型ブラッグ反射器142が形成される。第2の分布型ブラッグ反射器142は、6対の厚さが1/4波長の交互する二酸化シリコン(SiO2)及び五酸化タンタル(Ta25)の誘電層を有する。或いは、DBRは、SiO2/TiO2若しくはGaN/AlGaNの交互層、又はアルミニウム含有量が異なるAlGaNの交互層を有してもよい。具体的なデバイスに応じて、DBRは6対を超える又は6対未満の交互層を有してもよい。
半導体構造140の、横方向コンタクト層として機能するエッチングされて露出されたp型電流拡散層120上に、p型Ni/Au電極144が形成される。
半導体構造140の露出されたn型コンタクト層118上に、第2のDBR142を囲むn型Ti/Al電極146が形成される。
半導体構造140の、第1のDBR122と第2のDBR142との間の共振器148は、n型コンタクト層108と、n型クラッド層110と、n型導波層112と、InGaN活性領域114と、p型導波層116と、p型クラッド層118と、p型コンタクト層120とで構成される。
窒化物系共振器半導体構造140は、垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)、発光ダイオード(LED)、若しくは光検出器(PD)、又はこれらのデバイスを組み合わせたものの、いずれであってもよい。
窒化物系共振器半導体構造は、放出又は吸収される光の波長に対して基板が透明であり、下のDBRの反射率が上のDBRの反射率よりも低い場合には、VCSEL若しくはLEDとして光を放出、又は光検出として光を吸収することができる。
第1のサファイア基板のレーザアシスト・エピタキシャル・リフトオフを用いることで、窒化物系共振器半導体構造の両側に分布型ブラッグ反射器を設けるために、窒化物系半導体層の裏側にアクセスできる。
本発明の第1実施形態による、サファイア基板上の、第1の分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共振器半導体構造の側面図である。 図1の第1の分布型ブラッグ反射器を有する窒化物系共振器半導体構造から、サファイア基板を除去するための、レーザリフトオフ処理の側面図である。 第2の分布型ブラッグ反射器を有する、図1の窒化物系共振器半導体構造の上下を逆にした側面図である。
100 サファイア基板
106 レーザ吸収層
114 活性領域
122 第1の分布型ブラッグ反射器
128 支持基板
134 紫外線エキシマレーザ
136 レーザビーム
140 窒化物系共振器半導体構造
142 第2の分布型ブラッグ反射器

Claims (8)

  1. 透明基板上に生成層を付着させる工程と、
    前記生成層上に比較的厚い窒化ガリウム層を付着させる工程と、
    前記比較的厚い窒化ガリウム層上にレーザ吸収層を付着させる工程と、
    前記レーザ吸収層上に第1のコンタクト層を付着させる工程と、
    前記第1のコンタクト層上に第1のクラッド層を付着させる工程と、
    前記第1のクラッド層上に第1の導波層を付着させる工程と、
    前記第1の導波層上にIII-V窒化物半導体活性領域を付着させる工程と、
    前記III-V窒化物半導体活性領域上に第2の導波層を付着させる工程と、
    前記第2の導波層上に第2のクラッド層を付着させる工程と、
    前記第2のクラッド層上に第2のコンタクト層を付着させる工程と、
    前記第2のコンタクト層上に第1の分布型ブラッグ反射器を付着させる工程と、
    前記第1の分布型ブラッグ反射器上に金層を付着させる工程と、
    前記金層上に支持基板を接着剤、はんだ、又はスピン・オン・グラスの何れかで接着させる工程と、
    前記透明基板を透過させ前記レーザ吸収層を分解させるようにレーザビームを照射し前記透明基板、前記生成層、前記比較的厚い窒化ガリウム層、前記レーザ吸収層を除去する工程と、
    前記第1のコンタクト層上に第2の分布型ブラッグ反射器を付着させる工程と、
    前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層各々を露出させるためにエッチングする工程と、
    前記第1のコンタクト層及び前記第2のコンタクト層の露出された部分上に、前記III-V窒化物半導体活性領域をバイアスするための電極を形成する工程と、
    を有する、窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  2. 前記支持基板は、ガリウム砒素、銅、又は硬質材料の何れかで作られていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  3. 前記共振器から前記半導体レーザ構造の表面を通るレージングを生じさせるために十分な順方向バイアスが前記活性領域に与えられることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  4. 前記窒化物系共振器半導体構造が発光ダイオードであることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  5. 前記共振器から前記半導体レーザ構造の表面を通る発光を生じさせるために十分な順方向バイアスが前記活性領域に与えられることを特徴とする、請求項4に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  6. 前記窒化物系共振器半導体構造が光検出器であることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  7. 前記共振器の光の吸収を生じさせるために十分な逆方向バイアスが前記活性領域に与えられることを特徴とする、請求項6に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
  8. 複数の共振器が形成され、該複数の共振器が、垂直共振器型面発光レーザ、発光ダイオード及び光検出器のうち少なくとも2つであることを特徴とする、請求項1に記載の窒化物系共振器半導体構造の製造方法。
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