JP3659056B2

JP3659056B2 - 窒化物半導体レーザ素子の製造方法

Info

Publication number: JP3659056B2
Application number: JP9802099A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐野; 康宣杉本
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2019-04-05
Also published as: JP2000174380A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなるレーザ素子の製造方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなる青色、青緑色のレーザダイオードが実用化されたり実用可能となっている。この窒化物半導体素子は現在のところ窒化物半導体と完全に格子整合する基板が未だ開発されていないために、格子定数が異なるサファイアなどの異種基板の上に窒化物半導体層を強制的に成長させて形成されている。そのため、サファイアなどの異種基板上に成長された窒化物半導体の結晶には、非常に多くの結晶欠陥が発生する。
【０００３】
そこで現在は、異種基板上に従来の結晶欠陥が非常に多い窒化ガリウム層を薄く成長させ、その上にＳｉＯ₂などの保護膜を部分的に形成し、その保護膜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、窒化ガリウムの横方向への成長を利用し、再度窒化ガリウムを成長させることにより結晶欠陥の少ない窒化ガリウム基板を成長させている。この方法は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（ｌａｔｅｒａｌｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＬＯＧ）と呼ばれている。
【０００４】
上記方法において、結晶欠陥が少なくなった窒化ガリウム基板を用いることにより性能の向上が見られたものの、上記窒化物半導体素子の基板とされているサファイアは、非常に硬く劈開性がないために、レーザ素子の形成において基板の劈開性を用いて窒化物半導体の劈開面を共振面としにくく、共振面の形成に時間と手間がかかる。
【０００５】
そこで従来は、サファイア基板を薄くなるまで研磨する方法や、サファイア基板を完全に除去する方法などがとられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしサファイア基板を完全に除去するためにはその上に積層する窒化物半導体からなる下地層をかなり厚く成長させる必要があり、かなりの時間がかかり、生産性の面であまり良い方法とは言えない。また、サファイア基板を薄くなるまで研磨する方法では、その上の窒化物半導体からなる下地層がラテラル成長である場合、ある程度膜厚が大きいために、サファイア基板を研磨により薄くしていくと、サファイアと窒化物半導体との格子定数差により、応力が発生し、基板に反りが生じてしまい、その後のスクライブによるチップ化が非常に困難となり、チップ化しても良好な共振面が得られにくかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的とするところは、ラテラル成長した窒化ガリウムを有する窒化物半導体レーザ素子において、サファイア基板を研磨によって薄くした際の、ウエハの反り、割れ、及び欠けなどの発生を緩和し、容易にウエハをチップ化できると共に、鏡面に近い共振面を得ることができる窒化物半導体レーザ素子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】
そこで、本発明は異種基板上に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、前記異種基板上に少なくともラテラル成長した窒化ガリウムからなる下地層を成長させ、その上に前記ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に成長させることで前記異種基板上に形成される前記下地層を含めた半導体層の膜厚を１０μｍ以上とする工程と、前記ｎ型窒化物半導体層表面にｎ電極、及び前記ｐ型窒化物半導体層表面にｐ電極を形成する工程と、前記窒化物半導体層の一部を異種基板が露出するまで格子状、電極と平行にストライプ状、又は電極と垂直にストライプ状にエッチングする工程と、前記異種基板の裏面から研磨をする工程と、前記エッチングした窒化物半導体レーザ素子の共振面となる面のうち少なくともレーザ出射側を前記半導体層の劈開により形成する工程とを備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法とする。これにより基板の反りを緩和することができ、容易にウェハをチップ化できるようになる。また出射面を鏡面に近い共振面とすることができる。
【０００９】
更に、前記異種基板を研磨した後、異種基板の研磨面をスクライビングする工程を有する。その他には、前記エッチングの幅Ｗは２０〜６５０μｍとする。また前記異種基板は、サファイア、スピネル、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯから成る群から選ばれることを特徴とする。また前記劈開により窒化ガリウムのＭ面が劈開面となることを特徴とする。
【００１０】
更に、その共振面となる面のすべてを、窒化ガリウムの劈開により形成することで、鏡面に近い共振面となり、レーザとしての特性が向上するだけでなく、チップを有効に、無駄なく得ることができる。
【００１１】
更に、劈開する際に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを含む半導体層と異種基板の厚さの総和が１４０〜１８０μｍの範囲となるように、異種基板の厚さが調節されていることにより、チッピングなどの発生を抑えた良好な劈開がなされる。このため、劈開により破壊されるチップの数を大幅に減少させることができるため、歩留まりが向上する。
【００１２】
更に本発明では、窒化物半導体の一部を異種基板が露出するまでエッチングをしているために、チップ化する際のレーザ出射面または、共振面となる面以外をスクライブにより切断する際、異種基板のみの部分をスクライブすれば、窒化物半導体層を傷つけることなくチップ化することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図１〜図６を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造工程の一実施の形態を示した窒化物半導体ウエハの平面図である。まず図１の斜線部に示すように、異種基板上にラテラル成長した窒化ガリウムからなる下地層、その上に順に、ｎ型窒化物半導体、活性層、ｐ型窒化物半導体を成長させ、ｐ層表面にｐ電極２２、ｎ層表面にｎ電極２３が形成されたウエハの一部を、異種基板が露出するまでエッチングを行った。
【００１５】
異種基板は窒化物半導体以外の材料であれば特に限定されるものではなく、サファイア（Ａ面、Ｒ面を含む。）以外にスピネル、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ等を用いてもよい。
【００１６】
また本発明において、異種基板は図６に示すように、ステップ上にオフアングル（傾斜）した基板を用いてもよい。この場合、共振面はステップに沿う方向（段差方向）に対して垂直となるように形成する。サファイア基板の場合、サファイアのＡ面に対して垂直にステップに沿う方向（段差方向）が形成された基板を用意し、その基板上に窒化物半導体を積層した後、共振面を劈開すれば、さらに特性のよい素子が得られる。
窒化ガリウムをラテラル成長させるときの保護膜の材料としてはその保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択し、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チタン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護膜を部分的（＝選択的）に形成するためには、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相製膜することにより、所定の形状を有する保護膜を形成できる。保護膜の形状は特に問うものではなく、例えばドット、ストライプ、基盤面上の形状で形成でき、好ましくはストライプ状の形状で形成することが望ましい。
【００１７】
保護膜をストライプ状に形成する場合、保護膜の露出部分（窓部）の幅は１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下、最も好ましくは３μｍ以下に調整する。１０μｍよりも広いと保護膜上部に成長させる結晶欠陥の数が多くなる傾向にある。更に結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板を得るためには、窓部の幅（Ｗ_W）と保護膜の幅（Ｗ_S）の比Ｗ_S／Ｗ_Wは、１より大きく２０以下とすることが望ましく、好ましくは１０以下とする。
【００１８】
エッチングには、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、例えばドライエッチングとして、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（ＥＣＲ）等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングすることができる。
【００１９】
図１に示すエッチングの幅Ｗは２０〜６５０μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍとする。２０μｍより小さくなると、スクライビングによるチップ化の際に、チッピングが発生しやすく、窒化物半導体の素子を傷つけてしまう。スクライビングの幅は大きければ大きいほど、異種基板と窒化物半導体基板との格子定数差による応力は緩和され、ウエハの反りが少なくなり、チップ化し易くなるが、大きくしすぎると逆に歩留の点で悪くなってしまう。
【００２０】
次に図２に示すように、エッチングを行ったウエハをチップ化する。レーザの出射側となるＩ−Ｉは窒化ガリウムの劈開により、ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩはスクライブによって切断する。好ましくはＩ−Ｉから行うが、劈開及びスクライブによる切断の順序はどちらからでも良い。Ｉ−Ｉの劈開の方法は、まず裏面から薄く研磨された異種基板を窒化ガリウムの劈開面に沿うようにスクライビングする。ある程度までスクライビングにより削られてきたら、窒化ガリウムの劈開面で自然と割れ、鏡面に近い共振面が得られる。自然と割れない場合は、次にブレーキングにより外力を与えてやることで、同様の劈開による鏡面に近い共振面を得ることができる。
本発明では、上記劈開時にウェーハの厚さを調節しておくことが好ましい。詳しくは、異種基板の一部が露出するまでエッチングした後、異種基板の厚さを、異種基板と窒化物半導体が積層された半導体層との厚さの総和を、１４０〜１８０μｍの範囲に調節することである。具体的には、異種基板の窒化物半導体層が積層されていない裏面を研磨などにより、上記厚さの総和が上記範囲の厚さになるように、薄く調節する。なぜなら、１８０μｍより厚いと、劈開性に劣り、スクライブ工程が煩雑になり、チップに割れや欠けが発生し易くなり、１４０μｍより薄いと、異種基板が薄くなりすぎ、異種基板上に形成した窒化物半導体による反りの影響が深刻なものとなり、研磨
・スクライブ・劈開時にチップが破損する割合が高くなる。更に好ましくは、１５０〜１６０μｍの範囲に厚さを調節することで、更に安定した劈開による共振面の形成が可能であり、歩留まりも向上する。
【００２１】
また、この時異種基板の上に形成される窒化物半導体を含む半導体層は、少なくとも１０μｍ以上の膜厚で形成されており、具体的には素子を形成するための窒化物半導体基板として少なくとも１０μｍ程度形成しているためである。
【００２２】
具体的に劈開する方法は、例えば異種基板がサファイアである場合、Ｃ面を主面とするサファイア上に窒化ガリウムなどの窒化物半導体層を積層していき、サファイア基板を研磨した後、サファイア基板をＡ面に沿ってスクライビングしていく。劈開性を有する窒化ガリウムのＭ面はサファイアのＡ面とほぼ並行に成長しているため、サファイア基板をＡ面に沿ってスクライビングをしていくと、窒化ガリウムのＭ面で劈開が起こるようになる。
【００２３】
また、レーザ出射側と反対となる反射面は、ＩＩ−ＩＩのように、エッチングによって窒化物半導体が削り取られた異種基板のみの部分をスクライブによって切断するが、別に窒化物半導体上でＩ−Ｉと同様に窒化ガリウムの劈開によって切断する方法でも良い。前者の異種基板のみをスクライブにより切断する方法によって得られる共振面は、異種基板が露出するまで行ったエッチングの際に形成されたものであり、これによっても良好な共振面を得ることができるが、後者の窒化ガリウムの劈開によって切断する方法をとれば、さらに鏡面に近い共振面が得られることからレーザとしての特性は向上する。
【００２４】
【実施例】
［実施例１］
以下に本発明の実施例について説明する。
【００２５】
図５は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法の一実施例によって得られる構造であり、まずこのように積層していく。ただし素子の構造はこれに限らず、層構成、チップの形状等が違っていても窒化物半導体レーザ素子であれば適用できる。
【００２６】
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）を用い、ＧａＮ（窒化ガリウム）よりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストローム成長させ、さらに温度を変えてＧａＮよりなる下地層２を４μｍ成長させる。
【００２７】
下地層２成長後、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ₂よりなる第１の保護膜２０を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２８】
第１の保護膜２０形成後、ＧａＮ基板３を１５μｍの膜厚で成長させる。このような方法によってラテラル成長したＧａＮ基板３が得られる。
【００２９】
次にＧａＮ基板３の上に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層５（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６、ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層７、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層９、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層１１、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を順に積層する。
【００３０】
次にｐ側コンタクト層の一部をエッチングしてｎ側コンタクト層を露出させる。更にｐ側層をｐ側クラッド層までＲＩＥによりエッチングしてリッジを形成し、リッジ上に絶縁性の優れたＴｉＯ₂などの第２の保護膜２１とそれぞれのコンタクト層上にｐ電極２２、ｎ電極２３を形成する。
【００３１】
次にレーザ素子として必要な部分をマスクして、他の取り除く部分をＲＩＥによりサファイア基板が露出するまでエッチングする。エッチングした部分は図１の斜線部に該当する。
【００３２】
エッチングが終わると、続いて窒化物半導体のついていないサファイア基板側から研磨を行う。この時、サファイア基板と窒化物半導体含む半導体層との厚さの総和は、１５０μｍである。
【００３３】
次に、レーザ出射面側を窒化ガリウムの劈開により切断する。図２のＩ−Ｉの方向でサファイア基板側からスクライビングする。ある程度までスクライビングにより削られてきたら、窒化ガリウムの劈開面で自然と割れる。割れない場合は、次にブレーキングによる外力を与えて、劈開による鏡面に近い共振面を得る。
【００３４】
続けてＩＩ−ＩＩの方向にスクライビングして切断し、バー状のウエハにする。
【００３５】
バー状になったウエハを今度はＩＩＩ−ＩＩＩの方向にスクライビングして切断し、チップ化する。
【００３６】
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。
【００３７】
［実施例２］
実施例１のレーザ素子の一部を、図１のようにサファイア基板が露出するまでエッチングして、電極まで形成した後、共振面となる方向はレーザ出射面および反射面、どちらもＩ−Ｉのように、窒化ガリウムの劈開によって切断する他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１と同様の結果が得られた。
【００３８】
［実施例３］
実施例１のレーザ素子の一部を、サファイア基板が露出するまでエッチングするとき、そのエッチング部を図３の斜線部に示すようにストライプ状にする。また、チップ化する際、共振面となる方向はＩ−Ｉのように、すべて窒化ガリウムの劈開により切断する。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と同様の結果が得られた。
【００３９】
図３のように、エッチングを素子の電極と平行にストライプ状に行うと、図１のようにエッチングしたときほどウエハの反りを小さくすることはできないが、共振面となる方向は、レーザ出射面およびレーザ出射側と反対の反射面、共に窒化ガリウムの劈開により切断することができ、良好な共振面が得られると共に、ウエハを無駄にする部分が少なくなり、歩留が向上する。
【００４０】
［実施例４］
実施例１のレーザ素子の一部を、サファイア基板が露出するまでエッチングするとき、そのエッチング部を図４の斜線部に示すようにストライプ状にする。また、チップ化する際、まず共振面となる方向をＩ−Ｉのように、すべて窒化ガリウムの劈開により切断する。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と同様の結果が得られた。
【００４１】
図４のように、エッチングを素子の電極と垂直にストライプ状に行うと、図３と同様に、図１のようにエッチングしたときほどウエハの反りを小さくすることはできないが、共振面となる方向を、レーザ出射面および反射面、共に窒化ガリウムの劈開により切断することができ、良好な共振面が得られる。
【００４２】
［実施例５］
２インチφ、Ｃ面を主面とする、図６のようなサファイア基板のＡ面に対して垂直にステップの沿う方向（段差方向）が形成されたサファイア基板を用意する。具体的には図６に示すオフ角θが０．１０°以上０．２０°以下、好ましくは０．１５°であり、またステップ段差（高さ）約１原子層、テラス幅Ｗが約４０オングストロームのステップを有するサファイア基板とする。
【００４３】
このサファイア基板上に、下地層２成長後のＳｉＯ₂よりなるストライプ状の第１の保護膜２０をステップに沿う方向（段差方向）に対して垂直に形成する他は、実施例１と同様に積層してレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同じかさらに特性のよい結果が得られた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、異種基板上にラテラル成長した窒化ガリウムを有し、その上に窒化物半導体層を成長させた窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、その窒化物半導体層の一部を異種基板が露出するまでエッチングすることで、基板の反りを緩和することができ、容易にウエハがチップ化できるようになる。
【００４５】
更に、そのエッチングした窒化物半導体レーザ素子の共振面となる面のうち、少なくともレーザ出射側を、窒化ガリウムの劈開により形成することで、レーザ出射面を鏡面に近い共振面とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造工程の一実施の形態を示した窒化物半導体ウエハの平面図である。
【図２】図２は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造工程の一実施の形態を示した窒化物半導体ウエハの平面図である。
【図３】図３は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の製造工程の一実施の形態を示した窒化物半導体ウエハの平面図である。
【図４】図４は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の製造工程の一実施の形態を示した窒化物半導体ウエハの平面図である。
【図５】図５は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法により得られる窒化物半導体レーザ素子の一実施の形態を示した模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の製造工程に用いられる基板の一部を拡大して示した模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・異種基板
２・・・ＧａＮ下地層
２・・・ＧａＮ基板
３・・・ｎ側コンタクト層
４・・・クラック防止層
５・・・ｎ側クラッド層
６・・・ｎ側光ガイド層
７・・・活性層
８・・・ｐ側キャップ層
９・・・ｐ側光ガイド層
１０・・・ｐ側クラッド層
１１・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・第１の保護膜
２１・・・第２の保護膜
２２・・・ｐ電極
２３・・・ｎ電極

Claims

異種基板上に、ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを有する窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
前記異種基板上に少なくともラテラル成長した窒化ガリウムからなる下地層を成長させ、その上に前記ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を順に成長させることで前記異種基板上に形成される前記下地層を含めた半導体層の膜厚を１０μｍ以上とする工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層表面にｎ電極、及び前記ｐ型窒化物半導体層表面にｐ電極を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の一部を異種基板が露出するまで格子状、電極と平行にストライプ状、又は電極と垂直にストライプ状にエッチングする工程と、
前記異種基板の裏面から研磨をする工程と、
前記エッチングした窒化物半導体レーザ素子の共振面となる面のうち少なくともレーザ出射側を前記半導体層の劈開により形成する工程とを備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
前記異種基板を研磨した後、異種基板の研磨面をスクライビングする工程を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
前記異種基板が第１の主面と第２の主面とを有し、該第１の主面上に前記ｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを含む半導体層が形成されたものであって、前記劈開の際に、前記異種基板の厚さと半導体層の厚さとの総和が１４０〜１８０μｍの範囲となるように、異種基板の厚さが調節されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
前記エッチングの幅Ｗは２０〜６５０μｍとすることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
前記異種基板は、サファイア、スピネル、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
前記劈開により窒化ガリウムのＭ面が劈開面となることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。