JPH10114600A - 発光素子および発光素子用ウエハならびにその製造方法 - Google Patents
発光素子および発光素子用ウエハならびにその製造方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】 この発光素子では、GaAs基板(8)
の上に窒化ガリウム化合物(9)を形成した後、GaA
s基板(8)の少なくとも一部を除去することにより発
光素子を形成する。これにより、GaAs基板(8)が
除去された分だけ、GaAs基板(8)が全体に形成さ
れている場合に比べて光の吸収量が低減され、それによ
り、青色発光輝度の高い発光素子が得られる。
Description
発光素子用ウエハならびにその製造方法に関し、より特
定的には、窒化ガリウム(GaN)系半導体を使用した
青色および青緑色を呈する、発光素子および発光素子用
ウエハならびにその製造方法に関する。
ている。その中でも特にサファイア基板を用いた発光素
子が工業化されつつある。しかしながら、サファイア基
板は絶縁性の基板であるので、基板下部に金属電極を形
成することは困難である。そのため、サファイア基板上
部の窒化物混晶をエッチングにより引き出して、金属電
極を形成しなければならないなど、製造工程の複雑化と
コスト高を引き起こしていた。
で、レーザダイオードへの応用を考えると、劈開面から
なる反射鏡を形成することができないという欠点を有す
る。そこで、このような欠点を有するサファイア基板に
代えて、ガリウム砒素(GaAs)基板を使用した発光
素子が従来提案されている。これらは、たとえば、特開
平8−181070号公報に開示されている。
うなGaAs基板を用いた発光素子では、青色に相当す
る短波長の光に対し光の吸収が大きい。このため、Ga
As基板を通過する光が吸収され、その結果、発光素子
としての全体の発光輝度が低下するという問題があっ
た。一般に、発光素子の発光輝度を決定する要因の1つ
として、発光素子の光取出し口から、空気中に光を取出
した場合の光の取出し効率がある。この光取出し効率
は、結晶内の光反射に基づく要因と光の結晶中への吸収
による要因とによって決まる。ところが、GaAs基板
を用いた場合、後者の要因である光吸収係数(cm-1)
が、1.48eV以上のエネルギの光に対して10,0
00以上の値となり、通常のサファイア基板の100倍
以上の値となる。このため、GaAs基板を用いた場
合、サファイア基板を用いた場合に比べて大きな吸収を
示すという不都合が生じる。
高い発光素子および発光素子用ウエハを提供することで
ある。
ウエハの製造方法において、より発光輝度の高い発光素
子用ウエハを容易に製造することである。
る発光素子用ウエハの製造方法では、ガリウム砒素(G
aAs)基板上に窒化ガリウム化合物を形成する。そし
て、その窒化ガリウム化合物を形成した後、上記ガリウ
ム砒素基板の少なくとも一部を除去する。このように、
ガリウム砒素基板の少なくとも一部を除去することによ
って、ガリウム砒素基板を全体に形成した場合に比べ
て、ガリウム砒素基板によって吸収される光の量が減少
される。その結果、より発光輝度の高い発光素子用ウエ
ハを容易に製造することが可能となる。
ァ層とGaNエピタキシャル層とを含み、上記GaAs
基板のすべてが除去されるようにしてもよい。この場
合、上記GaNバッファ層と上記GaNエピタキシャル
層との合計の膜厚は70μm以上400μm以下にする
のが好ましく、GaNバッファ層とGaNエピタキシャ
ル層とはGaN基板を構成する。
工除去手段、塩素(Cl2 )ガスを用いたリアクティブ
イオンエッチングによる除去手段、アンモニアと過酸化
水素とを用いたウエットエッチングによる除去手段、お
よび、高温の塩化水素(HCl)ガスの雰囲気中での分
解除去手段のうち少なくとも1つの手段を用いて行なう
ように構成してもよい。また、上記の窒化ガリウム化合
物は、窒化ガリウム(GaN)バッファ層と、第1のG
aNエピタキシャル層と、第1のアルミニウムガリウム
窒素(AlGaN)エピタキシャル層と、インジウムガ
リウム窒素(InGaN)を含む発光層と、第2のアル
ミニウムガリウム窒素(AlGaN)エピタキシャル層
と、第2のGaNエピタキシャル層とを含んでいてもよ
い。この場合の窒化ガリウム化合物は、70μm以上2
00μm以下の膜厚を有し、ガリウム砒素基板のすべて
が除去されるようにしてもよい。また、窒化ガリウム化
合物を1μm以上70μm以下の膜厚を有するように構
成するとともに、ガリウム砒素基板の一部を除去するよ
うにしてもよい。
を、GaAs基板上に絶縁膜からなるストライプパター
ンを形成する工程と、その後、GaAs基板およびスト
ライプパターン上にGaNおよびAlNのいずれかから
なるバッファ層を形成する工程と、そのバッファ層上に
GaNエピタキシャル層を形成する工程とを含むように
構成するとともに、上記GaAs基板の少なくとも一部
を除去する工程をGaAs基板のすべてを除去する工程
を含むように構成してもよい。このように、絶縁膜から
なるストライプパターンを用いることによって、形成さ
れるバッファ層およびGaNエピタキシャル成長層の結
晶性を向上させることができる。なお、上記絶縁膜は、
二酸化シリコンおよび窒化シリコンのうちのいずれかで
あるのが好ましい。また、上記絶縁膜は、3μm以上2
0μm以下の幅と、0.05μm以上0.5μm以下の
厚みとを有するのが好ましい。
ハは、GaNバッファ層とGaNエピタキシャル層とを
含むGaN基板を備えている。そして、上記GaNバッ
ファ層と上記GaNエピタキシャル層との合計の膜厚
は、70μm以上400μm以下である。このようにこ
の他の局面による発光素子用ウエハでは、GaNバッフ
ァ層とGaNエピタキシャル層とを含むGaN基板を設
けることによって、このGaN基板をさまざまな用途に
使用可能である。たとえば、レーザダイオード用の基板
としても有効である。この場合、GaNバッファ層の下
に別種の基板が存在しないため、レーザのチップ端面で
の劈開による反射面を非常に平滑化でき、その結果、レ
ーザ特性を向上させることが可能となる。
は、ガリウム砒素基板と、窒化ガリウム化合物とを備え
ている。ガリウム砒素基板は主表面を有している。窒化
ガリウム化合物は、ガリウム砒素基板の主表面上に形成
されており、青色および青緑色の発光層を含んでいる。
この窒化ガリウム化合物は、窒化ガリウムバッファ層
と、第1のGaNエピタキシャル層と、第1のアルミニ
ウムガリウム窒素エピタキシャル層と、インジウムガリ
ウム窒素を含む発光層と、第2のアルミニウムガリウム
窒素エピタキシャル層と、第2のGaNエピタキシャル
層とを含んでいる。また、ガリウム砒素基板の一部が除
去されて上記窒化ガリウム化合物の表面が露出されてい
る。このようにこのさらに他の局面による発光素子で
は、ガリウム砒素基板の一部を除去することにより窒化
ガリウム化合物の表面を露出することによって、ガリウ
ム砒素基板が全体に形成されている場合に比べて、青色
に相当する短波長の光の吸収量が減少し、これにより、
より発光輝度の高い発光素子を得ることが可能となる。
この場合の発光素子の窒化ガリウム化合物の厚みは、1
μm以上70μm以下に設定するのが好ましい。
に基づいて説明する。
の実施の形態による発光素子を示した概略図であり、図
1(a)は断面図であり、図1(b)は図1(a)の底
面図である。図1(a)および図1(b)を参照して、
本発明の第1の実施の形態では、GaAs基板8の一方
の表面上に、窒化ガリウム化合物である窒化物混晶9が
形成されており、GaAs基板8の他方の表面上には金
属電極7bが形成されている。また、窒化物混晶9の上
部表面上には金属電極7aが形成されている。
n型GaNエピタキシャル層2と、n型AlGaNエピ
タキシャル層3と、InGaN発光層4と、p型AlG
aNエピタキシャル層5と、p型GaNエピタキシャル
層6との6つの層を含んでいる。なお、窒化物混晶9
は、InGaN発光層4の両面が、クラッド層としての
AlGaNエピタキシャル層3および5によって挟み込
まれたダブルヘテロ構造を有している。また、n型Ga
Nエピタキシャル層2とp型GaNエピタキシャル層6
とはエッチング工程における保護膜としての機能を有し
ている。これは、n型GaNエピタキシャル層2とp型
GaNエピタキシャル層6とが、クラッド層としてのn
型AlGaNエピタキシャル層3およびp型AlGaN
エピタキシャル層5と比較すると、耐食性に優れている
からである。
As基板8の一部が除去されており、その除去された部
分でGaNバッファ層1の表面が露出されている。な
お、金属電極7bはGaAs基板の除去されていない部
分10の表面に形成されている。 このように、この第
1の実施の形態では、GaAs基板8の一部を除去する
ことによって、従来のGaAs基板8が全面に形成され
ていた発光素子に比べて、GaAs基板8によって吸収
される光の量が少なくなり、その結果、従来に比べてよ
り発光輝度の高い発光素子を提供することができる。
物混晶9の膜厚は、1μm以上70μm以下に設定す
る。このように窒化物混晶9を比較的薄く形成するの
は、GaAs基板8の残余している部分10により強度
を保持することができるからである。このため、この第
1の実施の形態では、コスト的に安価な比較的薄い窒化
物混晶9を用いた発光素子を提供することができる。な
お、GaAs基板8の残余している部分10は、なるべ
く面積が小さくかつ発光部に障害にならないように形成
する必要がある。
2および6以外の各層は、0.1〜0.2μmと薄い厚
みを有する。したがって、実際には、窒化物混晶9の厚
みは、GaNエピタキシャル層2および6の合計の厚み
とほぼ同じである。したがって、窒化物混晶9の厚みを
大きくするためには、GaNエピタキシャル層2および
6の厚みを大きくすることが考えられる。また、InG
aN発光層4を挟むクラッド層となるn型AlGaNエ
ピタキシャル層3とp型AlGaNエピタキシャル層5
との厚みを大きくすることも強度を増加させる上で有効
となる場合がある。
(a)および図1(b)に示した第1の実施の形態によ
る発光素子に用いるエピタキシャル半導体ウエハの製造
プロセスについて説明する。まず、図6を参照して、有
機金属クロライド気相エピタキシャル法(MOCVPE
法)を用いたエピタキシャルウエハの製造に用いられる
気相成長装置について説明する。この装置は、第1のガ
ス導入口51と第2のガス導入口52と排気口53とを
有する反応チャンバ54と、この反応チャンバ54の外
部から反応チャンバ54全体を加熱するための抵抗加熱
ヒータ55とから構成される。このような装置を用いて
図2に示すようなエピタキシャルウエハの作製を行な
う。具体的には、まず、石英からなる反応チャンバ54
内に塩化水素(HCl)系のエッチング液により前処理
されたGaAs(111)A面基板8を設置する。Ga
As(111)A面基板とは、GaAs(111)面で
のGa面を有する基板のことを意味する。
ンバ54全体を外部から加熱して基板8を500℃に保
持した状態にする。この状態で、第1のガス導入口51
から、III族原料としてトリメチルガリウム(TM
G)および塩化水素(HCl)をそれぞれ、分圧8×1
0-4atmおよび8×10-4atmで導入する。その一
方、第2のガス導入口52からV族原料としてアンモニ
アガス(NH3 )を分圧5.6×10-1atmで導入す
る。このような条件下で、15分間エピタキシャル成長
をさせることによって、30nmの厚みを有するGaN
バッファ層1をGaAs基板8上に形成する。
GaAs基板8を抵抗加熱ヒータ55によって加熱する
ことにより、850℃まで上昇させる。この後、TM
G、HClおよびNH3 の分圧をそれぞれ、8×10-4
atm、8×10-4atm、および、1.6×10-1a
tmに設定し、その条件下で、100分間エピタキシャ
ル成長させる。これにより、GaNバッファ層1上に六
方晶のn型GaNエピタキシャル層2を形成する。
ータ55を用いて800〜850℃の温度に維持しなが
ら、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、HC
lおよびNH3 を、TMGとTMAとの分圧が等しくな
る条件下で導入して、10分間エピタキシャル成長させ
る。それにより、n型Al0.1 Ga0.9 Nからなるエピ
タキシャル層3が形成される。
熱ヒータ55によって500℃〜700℃の範囲に降温
する。この後、TMG、TMI、HClおよびNH
3 を、TMIの分圧がTMGの分圧の20倍となる条件
下で導入して、10分間エピタキシャル成長させる。そ
れにより、In0.3 Ga0.7 Nからなる発光層4が形成
される。
ピタキシャル層3を形成した条件に戻し、同様にp型A
l0.1 Ga0.9 Nからなるエピタキシャル層5を形成す
る。このエピタキシャル層3および5は、発光層4を挟
むクラッド層となる。
上記のn型GaNエピタキシャル層2の形成条件と同じ
形成条件下で、p型GaNエピタキシャル層6を成長す
る。なお、GaN層に導入するドーパントとしては、n
型ではシリコン(Si)または硫黄(S)を、p型につ
いてはマグネシウム(Mg)を用いる。また、InGa
N発光層4は元々n型を示している。この時点でエピタ
キシャル成長は完了し、一旦基板を炉から取出す。そし
て、GaAs基板8の上記エピタキシャル成長層が形成
される側とは反対側の表面を、グラインダによって研削
する。この研削によって、600μmの厚みを有するG
aAs基板8を約100μmの厚みに減少させる。
みを有するSiO2 膜をプラズマ化学気相成長法(プラ
ズマCVD法)により形成する。そして、そのSiO2
膜を写真製版(フォトリソグラフィ)技術を用いてパタ
ーニングする。このパターニングされたSiO2 膜はマ
スキングのために用いる。
(図示せず)を用いてSiO2 膜によってマスキングさ
れていない部分のGaAs基板8を除去する。ここで、
リアクティブエッチング装置では、一般に、高周波電源
に接続された平面電極と、この平面電極に対向する対向
電極とが設置されている。このリアクティブエッチング
装置は、反応性ガスを導入するガス導入系と、エッチン
グチャンバ内の圧力を一定に保つための排気系とを備え
ている。エッチングを行なう場合には、高周波電力が印
加される平面電極上にウエハを配置して、平面電極と対
向電極との間にプラズマを発生させる。反応性ガスのイ
オンが電極間の垂直な電界に沿ってウエハ表面上に垂直
に入射し、その垂直方向にウエハ表面のエッチングが進
行する。
流す。この場合全圧を1.3×10 -3atm、プラズマ
を発生させるための高周波電力(周波数が13.56M
Hz)を150Wに設定し、GaAs基板8をエッチン
グする。
リアクティブイオンエッチング装置を用いてGaAs基
板8の一部を除去する。この後、SiO2 膜を除去し、
GaAs基板8のSiO2 膜を除去した部分の表面にオ
ーミック性の金属電極7bを蒸着する。これと同時に、
p型GaNエピタキシャル層6の表面にも金属電極7a
を蒸着する。このようにして、図1(a)および図1
(b)に示した第1の実施の形態によるダブルヘテロ型
の発光素子を製造する。
照して、第2の実施の形態について説明する。まず、こ
の第2の実施の形態の発光素子の構造としては、図1
(a)に示した第1の実施の形態の発光素子と異なり、
図3に示すように、GaAs基板8が完全に除去されて
いる。具体的には、窒化物混晶9の裏面には直接金属電
極7bが形成されており、窒化物混晶9の上面の所定部
分にも金属電極7aが形成されている。
て、窒化物混晶9は、図1(a)に示した第1の実施の
形態の構造と同様、GaNバッファ層1と、n型GaN
エピタキシャル層2と、n型AlGaNエピタキシャル
層3と、InGaN発光層4と、p型AlGaNエピタ
キシャル層5と、p型GaNエピタキシャル層6との6
つの層を含んでいる。ただし、この図3に示した実施の
形態2の発光素子では、第1の実施の形態と異なり、G
aAs基板8が完全に除去されているので、窒化物混晶
9の強度を増加させる必要がある。このため、この第2
の実施の形態では、窒化物混晶9の膜厚を70μm以上
200μm以下に設定するのが好ましい。70μm未満
であると強度的にも弱くまた、200μmより大きいと
コスト的にも高くなり過ぎるからである。
以外の窒化物混晶9の各層は、0.1〜0.2μmと非
常に薄い。したがって、実際には、窒化物混晶9の厚み
は、GaNエピタキシャル層2および6の合計の厚みと
ほぼ同じになる。したがって、窒化物混晶9の厚みを増
加させるためには、GaNエピタキシャル層2および6
の厚みを増加させるのは有効である。また、InGaN
発光層4を両側から挟み込むクラッド層となるn型Al
GaNエピタキシャル層3とp型AlGaNエピタキシ
ャル層5との厚みを大きくすることも強度を増加させる
上で有効となる場合もある。
素子では、GaAs基板8を完全に除去することによっ
て、GaAsによる発光時の光吸収を防止することがで
きる。その結果、第1の実施の形態の発光素子に比べ
て、より発光輝度の高い発光素子を提供することができ
る。
素子の製造プロセスを以下に説明する。上述した第1の
実施の形態の製造プロセスと同様に、図2に示すよう
に、GaAs(111)A面基板8上にGaNバッファ
層1を形成する。このGaNバッファ層1の厚みは、1
μm以下と非常に薄い。したがって、このGaNバッフ
ァ層1は窒化物混晶9の厚みにはあまり寄与しない。次
に、GaNバッファ層1が形成されたGaAs基板8の
温度を抵抗加熱ヒータ55によって850℃まで加熱す
る。この後、TMG、HClおよびNH3 の分圧を、そ
れぞれ、8×10 -4atm、8×10-4atmおよび
1.6×10-1atmに設定し、その条件下で、エピタ
キシャル成長させる。これにより、厚さ約40μmの六
方晶のn型GaNエピタキシャル層2が形成される。
ータ55によって800〜850℃の温度にする。そし
て、TMG、トリメチルアルミニウム(TMA)、HC
l、およびNH3 を、TMGとTMAとの分圧が等しく
なる条件下で導入する。この状態で10分間エピタキシ
ャル成長させる。その結果、n型Al0.1 Ga0.9 Nか
らなるエピタキシャル層3が形成される。
熱ヒータ55によって500℃〜700℃の範囲に降温
する。この後、TMG、TMI、HClおよびNH
3 を、TMIの分圧がTMGの分圧の20倍となる条件
下で導入し、10分間エピタキシャル成長させる。それ
により、In0.3 Ga0.7 Nからなる発光層4が形成さ
れる。
エピタキシャル層3を形成した条件に戻して、同様にp
型Al0.1 Ga0.9 Nからなるエピタキシャル層5を形
成する。このn型AlGaNエピタキシャル層3とp型
AlGaNエピタキシャル層5とは発光層4を挟むクラ
ッド層として機能する。
上記のn型GaNエピタキシャル層2と同様の成長条件
を用いてp型GaNエピタキシャル層6を成長させる。
この段階でエピタキシャル成長は完了し、一旦、GaA
s基板8を炉から取出す。そして、GaAs基板8のエ
ピタキシャル層が形成される側とは反対側をグラインダ
によって研削する。この研削によって、600μmのG
aAs基板8の厚みを約100μmの厚みに減少させ
る。
炉にセットする。そのエッチング専用炉では、水素ガス
をキャリアガスとして、常圧で、基板温度を800℃と
し、塩化水素10sccmを流す。これにより、GaA
s基板8をプラズマなしの熱分解によるエッチングによ
ってすべて除去する。なお、10sccmとは、0℃1
気圧で1分間に10ccの流量を意味する。
チング除去され、その結果窒化物混晶9のみからなるエ
ピタキシャルウエハが形成される。なお、上記のように
GaAs基板8を除去する際に、グラインダを用いて予
めGaAs基板8の厚みを約100μmに減少させた後
にエッチングを行なうことにより、エッチング時間を短
縮することが可能となる。これにより、エッチングによ
り窒化物混晶9が受ける損傷を減少させることができ
る。
オーミック性の金属電極7を蒸着した後、エピタキシャ
ルウエハを発光素子の大きさに切断する。これにより、
図3に示されるような、AlGaNエピタキシャル層3
および5をクラッド層とする第2の実施の形態によるダ
ブルヘテロ型の発光素子を製造することができる。な
お、図3に示した窒化物混晶9の全体の厚みは200μ
m程度に形成する。これにより、強度的にも安定した発
光素子を提供することができる。
以下のようなリアクティブイオンエッチングを用いた方
法も考えられる。具体的には、図2に示した状態の発光
素子用ウエハを形成した後、そのウエハをリアクティブ
イオンエッチング装置にセットする。リアクティブエッ
チング装置では、反応性ガスとしてCl2 ガスを流し、
全圧を1.3×10-3atm、プラズマを発生させるた
めの高周波電力を13.56MHzで150Wに設定し
て、GaAs基板8をエッチングする。その後、図3に
示すように、GaAs基板の上面と下面に、オーミック
性の金属電極7aおよび7bをそれぞれ蒸着する。そし
て、エピタキシャルウエハを発光素子の大きさに切断す
ることによって、ダブルヘテロ型の発光素子を形成す
る。
件は、Cl2 とH2 との混合ガスでも同様の効果を得る
ことができる。この場合のガスの全圧は1.3×10-4
atm、プラズマを発生させるための高周波電力は1
3.56MHzで50〜300Wで効果的にエッチング
を行なうことができる。
5を用いて第3の実施の形態について説明する。まず、
図5を参照して、この第3の実施の形態の発光素子で
は、上述した第1および第2の実施の形態とは異なり、
窒化物混晶9を、GaNバッファ層1と、n型GaNエ
ピタキシャル層2と、InGaN発光層4と、p型Ga
Nエピタキシャル層6との4つの層によって構成する。
そして、そのような窒化物混晶9の上面と下面とにそれ
ぞれ金属電極7aおよび7bを形成する。この第3の実
施の形態の発光素子においても、後述する製造プロセス
においてGaAs基板8が完全に除去されるので、Ga
As基板8によって光が吸収されることがない。このた
め、図1(a)に示した第1の実施の形態の発光素子に
比べて、より発光輝度の高い発光素子を提供することが
できる。なお、この第3の実施の形態における窒化物混
晶9の厚みは70μm程度に設定する。
施の形態の発光素子の製造プロセスについて説明する。
おいて説明した図6に示す気相成長装置を用いて、図4
に示すようなエピタキシャルウエハの形成を行なう。具
体的には、図6に示すように、石英からなる反応チャン
バ54内に塩化水素(HCl)系のエッチング液で前処
理されたGaAs(111)A面基板8を設置する。
ら反応チャンバ54の全体を加熱してGaAs基板8を
500℃に保持する。この状態で、第1のガス導入口5
1から、III族原料としてトリメチルガリウム(TM
G)および塩化水素(HCl)とをそれぞれ分圧8×1
0-4atmおよび8×10-4atmで導入する。その一
方、第2のガス導入口52からV族原料としてアンモニ
アガス(NH3 )を分圧5.6×10-1atmで導入す
る。このような条件下で15分間エピタキシャル成長さ
せる。これにより、30nmの膜厚を有するGaNバッ
ファ層1をGaAs基板8の表面上に形成する。
aAs基板8の温度を抵抗加熱ヒータ55によって85
0℃まで加熱する。この後、TMG、HClおよびNH
3 の分圧を、それぞれ、8×10-4atm、8×10-4
atmおよび1.6×10-1atmに設定し、その条件
下で、100分間エピタキシャル成長させる。これによ
り、5μmの厚みを有する六方晶のn型GaNエピタキ
シャル層2を成長させる。
Nエピタキシャル層2が形成されたGaAs基板8の温
度を抵抗加熱ヒータ55によって500℃〜700℃の
範囲に降温する。この後、TMG、トリメチルインジウ
ム(TMI)、HClおよびNH3 を、TMIの分圧が
TMGの分圧の10倍となる条件で導入し、10分間エ
ピタキシャル成長させる。これにより、In0.3 Ga
0.7 Nからなる発光層4が形成される。
成した条件と同じ条件下で、p型GaNエピタキシャル
層6を形成する。このようにして、図4に示すような発
光素子用のエピタキシャルウエハが形成される。
ウエハを取出してエッチング専用炉にセットする。エッ
チング専用炉では、水素(H2 )ガスをキャリアガスと
して、常圧で、基板温度を800℃、HClを10sc
cmで流す。これにより、GaAs基板8をエッチング
により完全に除去する。その結果、GaAs基板8が完
全に除去された窒化物混晶9からなるエピタキシャルウ
エハが形成される。
の上面と下面とに、オーミック性の金属電極7aおよび
7bを蒸着する。そして、そのエピタキシャルウエハを
発光素子の大きさに切断する。これにより、図5に示さ
れるような、InGaN発光層4がn型GaNエピタキ
シャル層2とp型GaNエピタキシャル層6とによって
挟まれた構造を有する第3の実施の形態によるダブルヘ
テロ型発光素子が形成される。この場合、窒化物混晶9
の厚みは70μm程度であるので、強度的にはあまり強
くない。しかし、上記のように形成した第3の実施の形
態によるダブルヘテロ型発光素子に実際に電流を流した
ところ、GaAs基板8を用いた発光素子よりも明るい
青色の発光が得られることを確認した。
Nエピタキシャル層2およびp型GaNエピタキシャル
層6と、発光層4とのエネルギギャップが小さく弱い発
光である。しかし、発光を吸収するGaAs基板8が完
全に除去されているので、その分だけ青色発光が得られ
ていると考えられる。
態では、まず、GaAs(111)A面基板8を前処理
した後、図6に示す反応チャンバ54内にそのGaAs
(111)A面基板8を設置する。そして、そのGaA
s(111)A面基板8を抵抗加熱ヒータ55によって
加熱し、GaAs基板8を500℃に保持する。この状
態で、第1のガス導入口51からトリメチルガリウム
(TMG)および塩化水素をそれぞれ分圧8×10-4a
tmおよび8×10-4atmで導入する。一方、第2の
ガス導入口52からアンモニアガス(NH3 )を分圧5
×10-1atmで導入する。この条件で15分間成長さ
せることによって、約30nmのGaNバッファ層をG
aAs基板8上に成長させる。さらに、このGaAs基
板8を抵抗加熱ヒータ55によって加熱することにより
920℃まで昇温する。この後、TMG、HCL、NH
3のそれぞれの分圧を、2×10-3atm、2×10-3
atm、2×10-1atmに設定し、10時間成長させ
る。その結果、GaNバッファ層上に約100μmのG
aNエピタキシャル層を成長させる。実際に製造したこ
のGaNエピタキシャル層にはクラックが発見された
が、そのGaNエピタキシャル層は、鏡面状の表面を有
しており、六方晶系GaNの単結晶厚膜であることをX
線結晶回析から確認した。
比で2対1にしたエッチャント中で約30分間ウェット
エッチングすることにより、GaAs基板をすべて除去
する。このようにして、GaNバッファ層とGaNエピ
タキシャル層とからなるGaN基板が製作できる。これ
は、単体のGaN基板として、さまざまな用途に使用可
能である。
も有効である。このGaN基板ではGaN層の下に別種
の基板が存在しないため、レーザのチップ端面での劈開
による反射面を非常に平滑化でき、これによりレーザ特
性を著しく向上させることができる。
に、実施の形態1と同様の方法によって、下記のように
さらにヘテロエピ成長を実施した。すなわち、GaN基
板を構成するGaNエピタキシャル層上に、まずNH3
を1.6×10-1atm、TMG、TMAを共に6×1
0-4atm程度導入し、850℃で約10分間成長させ
る。これにより、AlGaN層を形成する。その後、8
00℃で、NH3 の流量は上記と同量にして、TMIを
4×10-4atm、TMGを2×10-5atmの分圧で
流すことによって、AlGaN層上に、InGaNから
なるエピタキシャル成長層を形成する。さらに、InG
aNエピタキシャル成長層上に、AlGaN層を上記の
AlGaN層の成長条件と同じ条件で成長させる。この
ようにして、GaN基板上にダブルヘテロ構造を形成す
ることができる。次に、このGaN基板の裏側からダイ
ヤモンドペンでスクライブ線を入れて劈開を行なった。
その結果、鏡面状の劈開面が得られ、レーザダイオード
の反射鏡としての平坦性および平行度が十分であること
が確認された。
射鏡を設け、端面発光を基本としている。この場合、基
板の劈開性すなわちその端面の平坦性がその特性を決定
すると言われている。通常のサファイア基板を用いる
と、サファイア基板とGaNとの劈開面の違いによりう
まく劈開できないという不都合が生じる。しかし、本発
明によれば、GaN以外の基板は存在しないため、基板
およびエピ層共にGaN系となり、大変好ましい劈開が
可能となる。
シャル層とからなるGaN基板は、70μm以上400
μm以下の厚みを有するように形成するのが好ましい。
上限を400μmと大きくしたのは、基板単体として使
用するので厚い膜厚が好ましいからである。
態では、まず、GaAs(111)A面基板8上に反応
性スパッタリングを用いてSiO2 の薄膜を100nm
程度の厚みで形成する。その後、フォトリソグラフィ法
を用いてSiO2 膜上に5μm程度の幅のストライプ状
のレジストパターンを形成する。その後、そのレジスト
パターンをマスクとして、リアクティブイオンエッチン
グ(RIE)によりレジストのストライプ状の窓から露
出しているSiO2 膜をエッチング除去する。その後、
そのレジストを除去することによって、100nm程度
の厚みを有するSiO2 からなる、5μm程度のピッチ
のストライプパターンを有するGaAs(111)A面
基板8を作成する。
As(111)A面基板8上にGaNを成長させる。具
体的には、HCl系のエッチング液によりGaAs(1
11)A面基板8を前処理した後、そのGaAs(11
1)A面基板8を反応チャンバ54内に設置する。そし
て、抵抗加熱ヒータ55によってGaAs(111)A
面基板8を加熱して、上記した実施の形態と同様、Ga
As(111)A面基板8を500℃程度に保持する。
この状態で、第1のガス導入口51からトリメチルガリ
ウム(TMG)および塩化水素を、それぞれ分圧8×1
0-4atmおよび8×10-4atmで導入した。一方、
第2のガス導入口52からアンモニアガス(NH3 )を
分圧5×10-1atmで導入する。この条件で15分間
成長させることにより約30nmのGaNバッファ層を
GaAs(111)A面基板8上に成長させる。さら
に、GaAs(111)A面基板8を抵抗加熱ヒータ5
5によって加熱することにより920℃まで昇温する。
この後、TMG、HCl、NH3 のそれぞれの分圧を、
2×10-3atm、2×10-3atm、2×10 -1at
mに設定し、10時間成長させる。その結果、GaNバ
ッファ層上に約100μmのGaNエピタキシャル層を
成長させる。
期においては、選択成長が生じ、ASiO2 膜上には全
く成長されずに、GaAs(111)A面基板8上にの
み成長する。しかし、成長が進むに従って、GaNエピ
タキシャル成長層の厚みが増加し、それに伴って、Si
O2 膜上にもGaNエピタキシャル層の横方向成長(la
teral growth)が生じる。これにより、SiO2 膜上で
両側から成長してきたGaNエピタキシャル層がつなが
り、それらが一体化する。このようにして形成された約
100μmの厚みを有するGaNエピタキシャル層は、
全くクラックが見られず、鏡面状の表面を有しており、
六方晶系GaNの単結晶厚膜であることがX線結晶解析
から確認された。
1にしたエッチャント中で約30分間ウェットエッチン
グすることにより、GaAs(111)A面基板8をす
べて除去する。このようにして、GaNバッファ層とG
aNエピタキシャル層とからなる100μm程度の厚み
を有するGaN基板が作成できる。これは、単体のGa
N基板として、さまざまな用途に使用可能である。たと
えば、レーザダイオード用基板としても有効である。こ
のGaN基板ではGaN層の下に別種の基板が存在しな
いため、レーザのチップ端面での劈開による反射面を非
常に平滑化でき、これによりレーザ特性を著しく向上さ
せることができる。
に、実施の形態1と同様の方法によって、下記のように
さらにヘテロエピ成長を実施した。すなわち、GaN基
板を構成するGaNエピタキシャル層上に、まずNH3
を1.6×10-1atm、TMG、TMAをともに6×
10-4atm程度導入し、850℃で約10分間成長さ
せる。これにより、AlGaN層を形成する。その後、
800℃で、NH3 の流量は上記と同量にして、TMI
を4×10-4atm、TMGを2×10-5atmの分圧
で流すことによって、AlGaN層上に、InGaNか
らなるエピタキシャル成長層を形成する。さらに、その
InGaNエピタキシャル成長層上に、AlGaN層を
上記のAlGaN層の成長条件と同じ条件で成長させ
る。このようにして、GaN基板上にダブルヘテロ構造
を形成することができる。次に、このGaN基板の裏側
からダイヤモンドペンでスクライブ線を入れて劈開を行
なった。その結果、鏡面状の劈開面が得られ、レーザダ
イオードの反射鏡としての平坦性および平行度が十分で
あることが確認された。
態では、クラッド層として、Ga、AlおよびNの3元
系のAlGaNエピタキシャル層3および5を用いた
が、本発明はこれに限らず、Ga、Al、InおよびN
の4元系のエピタキシャル層をクラッド層として用いる
ことも可能である。このような3元系および4元系のク
ラッド層は、いずれも、InGaN発光層4と比較して
エネルギバンドギャップが大きいので、InGaN発光
層4が発光すると考えられる。
s基板の上に窒化ガリウム化合物を形成した後、GaA
s基板の少なくとも一部を除去することにより発光素子
を形成する。これにより、GaAs基板が除去された分
だけ、GaAs基板が全体に形成されている場合に比べ
て光の吸収量が低減され、それにより、青色発光輝度の
高い発光素子が得られる。
した概略図である。
光素子に用いるエピタキシャルウエハの製造プロセスを
説明するための断面図である。
した断面図である。
いるエピタキシャルウエハの製造プロセスを説明するた
めの断面図である。
した断面図である。
に用いる気相成長装置の構成を示した概略図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 GaAs基板上に窒化ガリウム化合物を
形成する工程と、 前記窒化ガリウム化合物を形成した後、前記GaAs基
板の少なくとも一部を除去する工程とを備えた、発光素
子用ウエハの製造方法。 - 【請求項2】 前記窒化ガリウム化合物は、GaNバッ
ファ層とGaNエピタキシャル層とを含み、 前記GaAs基板のすべてが除去される、請求項1に記
載の発光素子用ウエハの製造方法。 - 【請求項3】 前記GaNバッファ層と前記GaNエピ
タキシャル層との合計の膜厚は、70μm以上400μ
m以下であり、 前記GaNバッファ層と前記GaNエピタキシャル層と
はGaN基板を構成する、請求項2に記載の発光素子用
ウエハの製造方法。 - 【請求項4】 前記GaAs基板の除去は、機械加工除
去手段、塩素ガスを用いたリアクティブイオンエッチン
グによる除去手段、アンモニアと過酸化水素とを用いた
ウエットエッチングによる除去手段、および、高温の塩
化水素ガスの雰囲気中での分解除去手段のうち、少なく
とも1つの手段により行なう、請求項1に記載の発光素
子用ウエハの製造方法。 - 【請求項5】 前記窒化ガリウム化合物は、GaNバッ
ファ層と、第1のGaNエピタキシャル層と、第1のA
lGaNエピタキシャル層と、InGaNを含む発光層
と、第2のAlGaNエピタキシャル層と、第2のGa
Nエピタキシャル層とを含む、請求項1に記載の発光素
子用ウエハの製造方法。 - 【請求項6】 前記窒化ガリウム化合物は、70μm以
上200μm以下の膜厚を有し、 前記GaAs基板のすべてが除去される、請求項5に記
載の発光素子用ウエハの製造方法。 - 【請求項7】 前記窒化ガリウム化合物は、1μm以上
70μm以下の膜厚を有し、 前記GaAs基板の一部が除去される、請求項5に記載
の発光素子用ウエハの製造方法。 - 【請求項8】 前記窒化ガリウム化合物を形成する工程
は、 前記GaAs基板上に、絶縁膜からなるストライプパタ
ーンを形成する工程と、 前記ストライプパターンの形成後、前記GaAs基板お
よび前記ストライプパターン上に、GaNおよびAlN
のいずれかからなるバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層上にGaNエピタキシャル層を形成する
工程とを含み、 前記GaAs基板の少なくとも一部を除去する工程は、
前記GaAs基板のすべてを除去する工程を含む、請求
項1に記載の発光素子用ウエハの製造方法。 - 【請求項9】 前記絶縁膜は、二酸化シリコンおよび窒
化シリコンのうちのいずれかである、請求項8に記載の
発光素子用ウエハの製造方法。 - 【請求項10】 前記絶縁膜は、3μm以上20μm以
下の幅と、0.05μm以上0.5μm以下の厚みとを
有する、請求項8に記載の発光素子用ウエハの製造方
法。 - 【請求項11】 GaNバッファ層とGaNエピタキシ
ャル層とを含むGaN基板を備え、 前記GaNバッファ層と前記GaNエピタキシャル層と
の合計の膜厚は、70μm以上400μm以下である、
発光素子用ウエハ。 - 【請求項12】 主表面を有するGaAs基板と、 前記GaAs基板の主表面上に形成された、青色および
青緑色の発光層を含む窒化物ガリウム化合物とを備え、 前記窒化ガリウム化合物は、GaNバッファ層と、第1
のGaNエピタキシャル層と、第1のAlGaNエピタ
キシャル層と、InGaNを含む発光層と、第2のAl
GaNエピタキシャル層と、第2のGaNエピタキシャ
ル層とを含み、 前記GaAs基板の一部が除去されて前記窒化ガリウム
化合物の表面が露出されている、青色および青緑色の発
光素子。 - 【請求項13】 前記窒化物ガリウム化合物は、1μm
以上70μm以下の膜厚を有する請求項12に記載の発
光素子。
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