JP2008294379A - 窒化物系半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】窒化物系半導体層の膜厚を均一に維持することにより特性および歩留まりの低下が防止された窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】レーザビームＬＡの照射前に、ＧａＮ基板１０の全域にわたって各位置における屈折率ｎ２および吸収係数を測定する。その測定値に基づき、スポット径Ｗ２が一定になるように、各位置における距離Ｄ、集光角θ１、およびビーム径Ｗ１を算出する。また、測定値に基づき、到達パワーＩ２が一定になるように、各位置におけるレーザビームＬＡの初期パワーを算出する。これらの算出結果に基づいて、照射条件（距離Ｄ、一次集光角θ１、ビーム径Ｗ１および初期パワーを含む。）を調整しつつレーザビームＬＡの走査を行う。
【選択図】図６
【解決手段】レーザビームＬＡの照射前に、ＧａＮ基板１０の全域にわたって各位置における屈折率ｎ２および吸収係数を測定する。その測定値に基づき、スポット径Ｗ２が一定になるように、各位置における距離Ｄ、集光角θ１、およびビーム径Ｗ１を算出する。また、測定値に基づき、到達パワーＩ２が一定になるように、各位置におけるレーザビームＬＡの初期パワーを算出する。これらの算出結果に基づいて、照射条件（距離Ｄ、一次集光角θ１、ビーム径Ｗ１および初期パワーを含む。）を調整しつつレーザビームＬＡの走査を行う。
【選択図】図６
Description
本発明は、化合物半導体層を有する窒化物系半導体素子の製造方法に関する。
近年、波長４０５ｎｍ程度の青紫色光を用いて記録および再生可能なＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）が実用化されている。このようなＤＶＤの記録および再生のために、波長４０５ｎｍ程度の青紫色光を出射する半導体レーザ素子（青紫色半導体レーザ素子）を用いたＤＶＤドライブも実用化されている。
青紫色半導体レーザ素子は、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）基板またはサファイア基板等の基板上に窒化物系半導体層を形成することにより作製される。
窒化物系半導体層を形成するための基板としては、ＧａＮ基板を用いることが好ましい。ＧａＮ基板上に窒化物系半導体層を形成する場合、サファイア基板等の他の基板上に窒化物系半導体層を形成する場合に比べて、窒化物系半導体層の形成時に窒化物系半導体層に発生する歪みおよび結晶欠陥を低減することができる。したがって、ＧａＮ基板を用いることにより、高い信頼性を有する高出力の青紫色半導体レーザ素子を得ることができる。
しかしながら、ＧａＮ基板は窒化物系半導体層を形成可能な他の基板（例えば、サファイア基板等）に比べて高価である。
そこで、特許文献１には、窒化物系半導体層の成長基板としてＧａＮ基板を繰り返し利用することができる半導体発光素子の製造方法が記載されている。この製造方法においては、成長基板としてのＧａＮ基板上に、ＧａＮ基板のバンドギャップエネルギーよりも低いバンドギャップエネルギーを有する剥離層が形成される。さらに、その剥離層上に窒化物系半導体層が形成される。その後、剥離層のバンドギャップエネルギーよりも高くＧａＮ基板のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーを有するレーザビームがＧａＮ基板を通して剥離層に照射される。これにより、ＧａＮ基板が窒化物系半導体層から分離される（レーザリフトオフ）。
このように、特許文献１の半導体発光素子の製造方法によれば、窒化物系半導体層の形成後、レーザリフトオフにより分離されたＧａＮ基板を窒化物系半導体層の成長基板として繰り返し利用することができる。したがって、特許文献１の製造方法を用いることにより、青紫色半導体レーザ素子の低コスト化が実現できる。
特開２００５−９３９８８号公報
通常、ＧａＮ基板は、ＶＡＳ（Void Assisted Separation）法またはＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with inverted-Pyramidal pits）法等によって形成される。
この場合、まず、サファイアまたはガリウム砒素等の異種基板上に規則的または不規則的に複数のＧａＮの種パターンを形成する。その複数の種パターンの各々からＧａＮ結晶を成長させ、それらを互いに一体化させる。それにより、厚膜状のＧａＮ基板が得られる。
ところで、ＧａＮ結晶は、成長過程において種々の面方位を有する。例えば、成長方向であるｃ軸に垂直なＣ面（（０００１）面）およびＣ面に対して傾斜する（１１−２２）面等のファセット面が、ＧａＮ結晶の成長面に含まれる。
この場合、Ｃ面に垂直に成長したＧａＮ結晶の領域と（１１−２２）面に垂直に成長したＧａＮ結晶の領域とでは、吸収係数および屈折率等の光学定数が互いに異なる。これは、ＧａＮ結晶の面方位によって、成長中に取り込まれる不純物の量が異なるためであると考えられる。
これにより、ＧａＮ基板の光学定数が不均一になる。そのため、ＧａＮ基板を通して剥離層にレーザビームを照射した場合、照射領域によってレーザビームのパワー密度にずれが生じる。それにより、剥離層を均一に加工することができず、ＧａＮ基板の分離時に窒化物系半導体層の表面に凹凸が形成される。
窒化物系半導体層の膜厚が不均一である場合、窒化物系半導体素子の特性が低下するとともに、歩留まりの低下を招く。
本発明の目的は、窒化物系半導体層の膜厚を均一に維持することにより特性および歩留まりの低下が防止された窒化物系半導体素子の製造方法を提供することである。
（１）第１の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、成長用基板上に剥離層を形成する工程と、剥離層上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に支持基板を貼り合わせる工程と、成長用基板を通して剥離層にレーザビームを照射する工程と、半導体層から成長用基板を分離する工程とを備え、レーザビームを照射する工程において、剥離層に２次元的に均一な条件でレーザビームが照射されるように、剥離層にレーザビームを２次元的に走査させつつ成長用基板の位置による光学定数の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御するものである。
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、成長用基板上に剥離層および半導体層が順に形成される。半導体層上には、支持基板が貼り合わされる。その状態で、レーザビームが２次元的に走査されつつ成長用基板を通して剥離層に照射される。それにより、剥離層が溶融される。その状態で、半導体層から成長用基板が分離される。
レーザビームの照射時には、剥離層に２次元的に均一な条件でレーザビームが照射されるように、成長用基板の位置による光学定数の変化に応じてレーザビームの照射条件が制御される。それにより、成長用基板の光学定数が不均一であっても、剥離層の加工状態が一定に維持される。したがって、半導体層の膜厚を一定に維持しつつ成長用基板を分離することができる。その結果、窒化物系半導体素子の特性の劣化および歩留まりの低下を防止することができる。
（２）レーザビームを照射する工程において、レーザビームの照射条件として、レーザビームのパワー、レーザビームの集光または発散の程度、レーザビームを集光または発散させる光学系と成長用基板との距離およびレーザビームの径のうち少なくとも１つを制御してもよい。
この場合、簡単な制御で剥離層の加工状態を一定に維持することができる。
（３）光学定数は屈折率であり、レーザビームを照射する工程において、屈折率の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御してもよい。この場合、成長用基板の屈折率が不均一であっても、剥離層の加工状態を一定に維持することができる。
（４）光学定数は吸収係数であり、レーザビームを照射する工程において、吸収係数の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御してもよい。この場合、成長用基板の吸収係数が不均一であっても、剥離層の加工状態を一定に維持することができる。
（５）第２の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、成長用基板上に剥離層を形成する工程と、剥離層上に半導体層を形成する工程と、半導体層上に支持基板を貼り合わせる工程と、成長用基板を通して剥離層にレーザビームを照射する工程と、半導体層から成長用基板を分離する工程と、成長用基板が分離された半導体層の一面を平坦化する工程とを備えるものである。
この窒化物系半導体素子の製造方法においては、成長用基板上に剥離層および半導体層が順に形成される。半導体層上には、支持基板が貼り合わされる。その状態で、レーザビームが２次元的に走査されつつ成長用基板を通して剥離層に照射される。それにより、剥離層が溶融される。その状態で、半導体層から成長用基板が分離される。成長用基板が分離された半導体層の一面は平坦化される。
この場合、成長用基板の分離時に半導体層の一面に凹凸が形成されても、その一面が平坦化されることにより、半導体層の膜厚を一定にすることができる。それにより、窒化物系半導体素子の特性の劣化および歩留まりの低下を防止することができる。
（６）半導体層の一面を平坦化する工程において、成長用基板が分離された半導体層の一面を研磨してもよい。この場合、半導体層の一面を容易に平坦化することができる。
（７）半導体層の一面を平坦化する工程において、成長用基板が分離された半導体層の一面をエッチングしてもよい。この場合、半導体層の損傷を防止しつつ半導体層の一面を平坦化することができる。
本発明によれば、半導体層の膜厚を一定にすることができるので、窒化物系半導体素子の特性の劣化および歩留まりの低下を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
（１）第１の実施の形態
（１−１）製造方法の概要
図１〜図４は、窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための模式的工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）を用いて剥離層１１、下地層１２および半導体素子層２０を順に結晶成長させる。次いで、半導体素子層２０上にｐ側電極層２１を形成する。
（１−１）製造方法の概要
図１〜図４は、窒化物系半導体素子の製造方法を説明するための模式的工程図である。まず、図１（ａ）に示すように、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）を用いて剥離層１１、下地層１２および半導体素子層２０を順に結晶成長させる。次いで、半導体素子層２０上にｐ側電極層２１を形成する。
具体的には、まず、ＧａＮ基板１０を約７００℃以上約１０００℃以下（例えば７７０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３（アンモニア）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）からなる原料ガスを用いて、ＧａＮ基板１０上に膜厚約２０ｎｍのアンドープＧａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ単結晶層を剥離層１１として成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０の温度を上昇させ、約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスを用いて、剥離層１１上に膜厚約１μｍのアンドープＧａＮ単結晶層を下地層１２として成長させる。
その後、下地層１２上に、複数の層からなる半導体素子層２０、およびｐ側電極層２１を順に成長させる。半導体素子層２０およびｐ側電極層２１の具体例については後述する。
一方、図１（ｂ）に示すように、約４００μｍの厚みを有するＧｅ（ゲルマニウム）基板３０上に真空蒸着法により融着層３１を形成する。融着層３１は、Ｎｉ（ニッケル）およびＡｕ（金）を順に含む積層膜からなる。ＮｉおよびＡｕの膜厚は、いずれも約１００ｎｍである。
次に、図１（ａ）に示したｐ側電極層２１と図１（ｂ）に示した融着層３１とを例えばはんだを用いた熱圧着により貼り合わせる。これにより、図２（ａ）に示すように、ＧａＮ基板１０およびＧｅ基板３０の間に複数の層が積層された貼り合わせ積層体３５が形成される。
なお、熱圧着に用いる材料としては、ＡｕおよびＳｎからなるはんだ、ＡｕおよびＧｅからなるはんだ、またはＡｇ（銀）からなる導電性ペースト等を用いることができる。
例えば、Ａｕ（８０重量％）およびＳｎ（２０重量％）からなるはんだ（Ａｕ−Ｓｎはんだ）を用いて熱圧着を行う場合、半導体素子層２０上のｐ側電極層２１と、Ｇｅ基板３０上の融着層３１とをＡｕ−Ｓｎはんだを介して接触させた状態で、約３００℃で約０．３Ｐａの雰囲気中に所定時間（例えば数十分間）保持する。これにより、半導体素子層２０上のｐ側電極層２１とＧｅ基板３０上の融着層３１とが貼り合わされる。
続いて、図２（ｂ）に示すように、貼り合わせ積層体３５に対して、ＧａＮ基板１０側からレーザビームＬＡを照射する。具体的には、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：ヤグ（イットリウムアルミニウムガーネット））またはＮｄ：ＹＶＯ４（ネオジウム：イットリウムバナデート）等のパルスレーザの第２高調波（波長：約５３２ｎｍ）を、約１００ｍＪ／ｃｍ２以上約４０００ｍＪ／ｃｍ２以下のエネルギー密度でＧａＮ基板１０を通して剥離層１１に照射する。
照射されたレーザビームＬＡが剥離層１１に吸収されることにより、レーザアブレーションによって剥離層１１のＧａＩｎＮ単結晶および下地層１２のＧａＮ単結晶がＩｎ、ＧａおよびＮ２に分離する。
剥離層１１へのレーザビームＬＡの照射後、貼り合わせ積層体３５を約２００℃に加熱し、分離したＩｎおよびＧａを溶融状態とする。そして、図３（ａ）に示すように、半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離する。
ここで、本実施の形態では、ＧａＮ基板１０の屈折率および吸収係数に応じてレーザビームＬＡの照射条件が変調される。それにより、半導体素子層２０の膜厚を一定に維持しつつＧａＮ基板１０を分離することができる。レーザビームＬＡの照射方法については後述する。
ＧａＮ基板１０の分離後、図３（ｂ）に示すように、露出する半導体素子層２０の一面（図３（ｂ）においては下面）に、ｎ側電極層１９を形成する。なお、ｎ側電極層１９の具体例については後述する。
その後、図４に示すように、Ｇｅ基板３０、融着層３１、ｐ側電極層２１、半導体素子層２０およびｎ側電極層１９からなる積層体を、ダイシング、レーザスクライブまたは選択エッチングにより複数の窒化物系半導体素子に分離する。
（１−２）レーザビームの照射方法の詳細
次に、レーザビームＬＡの照射方法の詳細について説明する。図５（ａ）は剥離層１１に照射されるレーザビームＬＡの走査を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の一部拡大図である。
次に、レーザビームＬＡの照射方法の詳細について説明する。図５（ａ）は剥離層１１に照射されるレーザビームＬＡの走査を示す平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の一部拡大図である。
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、レーザビームＬＡは剥離層１１に断続的に照射されつつ２次元的に走査され、レーザビームＬＡの照射ごとに剥離層１１に照射スポットＳＰが形成される。レーザビームＬＡは、隣接する照射スポットＳＰが重なり合うように剥離層１１の全面にわたって走査される。
図６および図７は、レーザビームＬＡの照射時に用いる光学系の一例を模式的に示す図である。図６および図７の例では、レーザビームＬＡが、対物レンズＬＥにより集光され、ＧａＮ基板１０を通して剥離層１１に照射される。なお、図６および図７においては、下地層１２の図示を省略する。
図６において、対物レンズＬＥを通過する前のレーザビームＬＡの直径（以下、初期ビーム径と呼ぶ）をＷ１とし、剥離層１１上におけるレーザビームＬＡの直径（以下、スポット径と呼ぶ）をＷ２とし、ＧａＮ基板１０に対するレーザビームＬＡの外周面の光の入射角（以下、一次集光角と呼ぶ）をθ１とし、ＧａＮ基板１０内でのレーザビームＬＡの外周面の光の屈折角（以下、二次集光角と呼ぶ）をθ２とする。また、対物レンズＬＥとＧａＮ基板１０との間の媒質（通常は空気）の屈折率をｎ１とし、ＧａＮ基板１０の屈折率をｎ２とし、対物レンズＬＥとＧａＮ基板１０との距離をＤとし、ＧａＮ基板１０の厚みをＴとする。
なお、図６および図７においては、対物レンズＬＥを通してレーザビームＬＡを集光させる場合が示されるが、対物レンズＬＥを通してレーザビームＬＡを発散させてもよい。
ここで、初期ビーム径Ｗ１、スポット径Ｗ２、一次集光角θ１、二次集光角θ２、屈折率ｎ１，ｎ２、距離Ｄおよび厚みＴの間には次式（１）および次式（２）が成立する。
Ｗ２＝Ｗ１−２Ｄｔａｎθ１−２Ｔｔａｎθ２ ・・・（１）
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・（２）
さらに、式（１）および式（２）から、次式（３）が導かれる。
ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２ ・・・（２）
さらに、式（１）および式（２）から、次式（３）が導かれる。
Ｗ２＝Ｗ１−２Ｄｔａｎθ１−２Ｔｔａｎ｛ｓｉｎ−１（ｎ１ｓｉｎθ１／ｎ２）｝・・・（３）
式（３）で表されるように、剥離層１１上のスポット径Ｗ２は、ＧａＮ基板１０の屈折率ｎ２によって変化する。スポット径Ｗ２が一定でない場合、剥離層１１上におけるレーザビームＬＡのパワー密度が増減するため、剥離層１１を均一に加工することができない。
式（３）で表されるように、剥離層１１上のスポット径Ｗ２は、ＧａＮ基板１０の屈折率ｎ２によって変化する。スポット径Ｗ２が一定でない場合、剥離層１１上におけるレーザビームＬＡのパワー密度が増減するため、剥離層１１を均一に加工することができない。
また、図７に示すように、ＧａＮ基板１０に到達する前のレーザビームＬＡのパワー（以下、初期パワーと呼ぶ）をＩ１とし、ＧａＮ基板１０を通過して剥離層１１に到達したレーザビームＬＡのパワー（以下、到達パワーと呼ぶ）をＩ２とし、ＧａＮ基板１０の吸収係数をαとし、ＧａＮ基板１０の厚みをＴとする。
ここで、初期パワーＩ１、到達パワーＩ２、吸収係数αおよび厚みＴの間には、次式（４）が成立する。
Ｉ２＝Ｉ１・ｅｘｐ（−αＴ） ・・・（４）
式（４）で表されるように、レーザビームＬＡの到達パワーＩ２は、ＧａＮ基板１０の吸収係数αによって変化する。レーザビームＬＡの到達パワーＩ２が一定でない場合、剥離層１１を均一に加工することができない。
式（４）で表されるように、レーザビームＬＡの到達パワーＩ２は、ＧａＮ基板１０の吸収係数αによって変化する。レーザビームＬＡの到達パワーＩ２が一定でない場合、剥離層１１を均一に加工することができない。
本実施の形態では、レーザビームＬＡの照射前に、ＧａＮ基板１０の全域にわたって各位置における屈折率ｎ２および吸収係数αを測定する。その測定値に基づき、スポット径Ｗ２が一定になるように、各位置における距離Ｄ、一次集光角θ１、およびビーム径Ｗ１を上式（３）から算出する。また、測定値に基づき、到達パワーＩ２が一定になるように、各位置における初期パワーＩ１を上式（４）から算出する。
これらの算出結果に基づいて、照射条件（距離Ｄ、一次集光角θ１、ビーム径Ｗ１および初期パワーＩ１を含む。）を変調しつつレーザビームＬＡの走査を行う。
これにより、ＧａＮ基板１０の屈折率ｎ２および吸収係数αが不均一であっても、剥離層１１の全域に均一なパワー密度でレーザビームＬＡが照射される。それにより、剥離層１１の加工状態を一定に維持することができる。したがって、半導体素子層２０の膜厚を均一に維持しつつＧａＮ基板１０を分離することができる。その結果、半導体素子層２０の素子特性の劣化および歩留まりの低下を防止することができる。
なお、全てのＧａＮ基板１０に対して屈折率ｎ２および吸収係数αの測定を行ってもよく、サンプルとしてのＧａＮ基板１０（以下、サンプル基板と呼ぶ）に対してのみ屈折率ｎ２および吸収係数αの測定を行ってもよい。後者の場合、サンプル基板の測定値から算出されるレーザＬＡの照射条件を、サンプル基板と同様の複数のＧａＮ基板１０に対して適用する。
また、上記の屈折率ｎ２および吸収係数α以外にも、剥離層１１の加工状態に影響を与える要因があると考えられる。そのため、より確実に剥離層１１の加工状態を一定に維持するためには、上式（３）および上式（４）に基づいてレーザビームＬＡの照射条件を算出するだけではなく、レーザビームＬＡの照射試験等によって得られた結果に基づいて、レーザビームＬＡの照射条件を決定することが好ましい。
（１−３）レーザビームの照射方法の具体例
次に、レーザビームＬＡの照射方法の具体例を示す。ＧａＮ基板１０としては、次の条件のものを用いた。ＧａＮ基板１０の直径は約２インチであり、厚みは約４００μｍである。このＧａＮ基板１０の光学特性を測定した結果、他の領域に比べて吸収係数および屈折率が高い複数のストライプ状の領域（以下、高吸収屈折領域と呼ぶ）が互いに平行にほぼ等間隔で存在する。各高吸収屈折領域の幅は約５０μｍであり、隣接する高吸収屈折領域との間隔は約４００μｍである。また、各高吸収屈折領域は、〈１−１００〉方向に延びている。
次に、レーザビームＬＡの照射方法の具体例を示す。ＧａＮ基板１０としては、次の条件のものを用いた。ＧａＮ基板１０の直径は約２インチであり、厚みは約４００μｍである。このＧａＮ基板１０の光学特性を測定した結果、他の領域に比べて吸収係数および屈折率が高い複数のストライプ状の領域（以下、高吸収屈折領域と呼ぶ）が互いに平行にほぼ等間隔で存在する。各高吸収屈折領域の幅は約５０μｍであり、隣接する高吸収屈折領域との間隔は約４００μｍである。また、各高吸収屈折領域は、〈１−１００〉方向に延びている。
なお、隣接する高吸収屈折領域の中間部には、約３０μｍの幅で〈１−１００〉方向にストライプ状に延びるように、貫通転位が集中している領域が存在する。
このＧａＮ基板１０を用いて形成した貼り合わせ積層体３５（図１〜図３参照）に、初期ビーム径Ｗ１（図６）が約７ｍｍであるレーザビームＬＡを、焦点距離５０ｍｍの対物レンズＬＥを通して照射する。
本例では、剥離層１１上におけるスポット径Ｗ２（図６）が約３０μｍとなり、かつ剥離層１１上におけるレーザビームＬＡのエネルギー密度が約２０００ｍJ／ｃｍ２となるように、対物レンズＬＥとＧａＮ基板１０との距離Ｄ（図６）およびレーザビームＬＡの初期パワーＩ１（図６）を変調する。
この場合、高吸収屈折領域以外の領域（以下、標準領域と呼ぶ）においては、レーザビームＬＡの焦点位置がＧａＮ基板１０の表面より約９００μｍ下方になるようにデフォーカスを加え、距離Ｄを約４９．１ｍｍに設定する。また、レーザビームＬＡの初期パワーＩ１を、約４５０ｍＷに設定する。
高吸収屈折領域においては、標準領域よりも距離Ｄを１０〜１００μｍ程度長くする。なお、レーザビームＬＡの初期パワーＩ１は、約４５０ｍＷに維持する。
これにより、剥離層１１の加工状態を一定に維持することができ、半導体素子層２０の膜厚を均一に維持しつつＧａＮ基板１０を分離することができる。その結果、半導体素子層２０の素子特性の劣化および歩留まりの低下を防止することができる。
（１−４）半導体素子層、ｐ側電極層およびｎ側電極層の第１の構成例
図８および図９は、半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９の第１の構成例を示す図である。図８および図９に示す半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９を用いることにより、窒化物系半導体素子として発光ダイオードが形成される。
図８および図９は、半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９の第１の構成例を示す図である。図８および図９に示す半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９を用いることにより、窒化物系半導体素子として発光ダイオードが形成される。
図８（ａ）に示すように、半導体素子層２０は、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、活性層１５、ｐ型キャップ層１６、ｐ型クラッド層１７、およびｐ型コンタクト層１８を含む。
各層１３〜１８の形成工程について具体的に説明する。上記のように下地層１２を形成した後、ＮＨ３およびＴＭＧａに加えてＳｉＨ４（シラン）からなるドーパントガスを用い、下地層１２上にＳｉがドープされた膜厚約０．５μｍのＧａＮ単結晶層をｎ型コンタクト層１３として成長させる。
なお、上記下地層１２およびｎ型コンタクト層１３の成長段階においては、ＧａＮ基板１０の温度が上昇されることにより、ＧａＮ基板１０上に形成された剥離層１１が加熱される。これにより、剥離層１１のＧａ、ＩｎおよびＮ２が分離し、後述するように、半導体素子層２０からのＧａＮ基板１０の分離が容易となる。
続いて、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持しつつ、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）からなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型コンタクト層１３上にＳｉがドープされた膜厚約０．１５μｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ単結晶層をｎ型クラッド層１４として成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０の温度を下降させ、約７００℃以上約１０００℃以下（例えば８５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスを用いて、ｎ型クラッド層１４上に膜厚約３ｎｍのアンドープＧａ０．９Ｉｎ０．１Ｎ単結晶からなる複数の井戸層、および膜厚約２０ｎｍのアンドープＧａＮ単結晶からなる複数の障壁層を交互に成長させる。これにより、複数（本例では３つ）の井戸層を含むＭＱＷ（多重量子井戸）構造の活性層１５を成長させる。
なお、本例では、ＭＱＷ構造を有する活性層１５を説明しているが、これに代えて、ＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有する活性層１５を用いてもよい。
続いて、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）からなるドーパントガスとを用いて、活性層１５上にＭｇがドープされた膜厚約２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ単結晶層をｐ型キャップ層１６として成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型キャップ層１６上にＭｇがドープされた膜厚約０．２μｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ単結晶層をｐ型クラッド層１７として成長させる。
続いて、ＧａＮ基板１０を約７００℃以上約１０００℃以下（例えば８５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型クラッド層１７上にＭｇがドープされた膜厚約５ｎｍのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ単結晶層をｐ型コンタクト層１８として成長させる。
続いて、熱処理あるいは電子線処理等を行うことによってｐ型キャップ層１６、ｐ型クラッド層１７、およびｐ型コンタクト層１８の不純物を活性化させる。
このようにして、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、活性層１５、ｐ型キャップ層１６、ｐ型クラッド層１７、およびｐ型コンタクト層１８からなる半導体素子層２０が形成される。
続いて、図８（ｂ）に示すように、半導体素子層２０上に真空蒸着法により反射性のｐ側電極層２１を形成する。ｐ側電極層２１は、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ｐｔ（白金）およびＡｕ（金）を順に含む積層膜からなる。Ｐｄ、Ａｇ、ＰｔおよびＡｕの膜厚は、それぞれ約５ｎｍ、約２００ｎｍ、約２００ｎｍおよび約５００ｎｍである。
続いて、図２（ａ）〜図３（ａ）に示したように、ｐ側電極層２１にＧｅ基板３０が貼り合わされるとともに、半導体素子層２０からＧａＮ基板１０が分離される。その後、図９（ａ）に示すように、露出する半導体素子層２０の一面、すなわちｎ型コンタクト層１３の一面（図９（ａ）においては下面）に、透光性のｎ側電極層１９を真空蒸着法により形成する。ｎ側電極層１９は、ＴｉおよびＡｌ（アルミニウム）を順に含む積層膜からなる。ＴｉおよびＡｌの膜厚は、それぞれ約１ｎｍおよび約５ｎｍである。
そして、図９（ｂ）に示すように、Ｇｅ基板３０、融着層３１、ｐ側電極層２１、半導体素子層２０およびｎ側電極層１９からなる積層体を、ダイシング、レーザスクライブまたは選択エッチングにより複数の窒化物系半導体素子に分離する。これにより、窒化物系半導体素子としての発光ダイオードが完成する。
（１−５）半導体素子層、ｐ側電極層およびｎ側電極層の第２の構成例
図１０〜図１２は、半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９の第２の構成例を示す図である。なお、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＶ矢視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ矢視図である。図１０〜図１２に示す半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９を用いることにより、窒化物系半導体素子として半導体レーザが形成される。
図１０〜図１２は、半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９の第２の構成例を示す図である。なお、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＶ矢視図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ矢視図である。図１０〜図１２に示す半導体素子層２０、ｐ側電極層２１およびｎ側電極層１９を用いることにより、窒化物系半導体素子として半導体レーザが形成される。
図１０（ａ）に示すように、半導体素子層２０は、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、ｎ型光ガイド層１４ａ、活性層１５、ｐ型キャップ層１６、ｐ型光ガイド層１６ａ、ｐ型クラッド層１７およびｐ型コンタクト層１８を含む。
各層１３〜１８の形成工程について具体的に説明する。まず、上記第１の構成例と同様に、下地層１２上にｎ型コンタクト層１３を成長させる。
続いて、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型コンタクト層１３上にＳｉがドープされた膜厚約１μｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ単結晶層をｎ型クラッド層１４として成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持しつつ、ＮＨ３、ＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、ｎ型クラッド層１４上にＳｉがドープされた膜厚約０．１μｍのＧａＮ単結晶層をｎ型光ガイド層１４ａとして成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０の温度を下降させ、約７００℃以上約１０００℃以下（例えば８５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスを用いて、ｎ型光ガイド層１４ａ上に膜厚約３．５ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ単結晶からなる複数の井戸層、および膜厚約２０ｎｍのアンドープＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ｎ単結晶からなる複数の障壁層を交互に成長させる。これにより、複数（本例では３つ）の井戸層を含むＭＱＷ構造の活性層１５を成長させる。
なお、本例では、ＭＱＷ構造を有する活性層１５を説明しているが、これに代えて、ＳＱＷ（単一量子井戸）構造を有する活性層１５を用いてもよい。
続いて、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、活性層１５上にＭｇがドープされた膜厚約２０ｎｍのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ単結晶層をｐ型キャップ層１６として成長させる。
続いて、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型キャップ層１６上にＭｇがドープされた膜厚約０．１μｍのＧａＮ単結晶層をｐ型光ガイド層１６ａとして成長させる。
次に、ＧａＮ基板１０を約１０００℃以上約１２００℃以下（例えば１１５０℃）の成長温度で保持しつつ、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型光ガイド層１６ａ上にＭｇがドープされた膜厚約０．５μｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ単結晶層をｐ型クラッド層１７として成長させる。
続いて、ＧａＮ基板１０を約７００℃以上約１０００℃以下（例えば８５０℃）の成長温度で保持する。その状態で、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスと、ＣＰ２Ｍｇからなるドーパントガスとを用いて、ｐ型クラッド層１７上にＭｇがドープされた膜厚約３ｎｍのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ単結晶層をｐ型コンタクト層１８として成長させる。
この後、熱処理あるいは電子線処理等を行うことによってｐ型キャップ層１６、ｐ型光ガイド層１６ａ、ｐ型クラッド層１７、およびｐ型コンタクト層１８の不純物を活性化させる。
続いて、フォトリソグラフィ技術およびＣｌ２系ガスを用いたＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）により、〈１−１００〉方向に延びるストライプ状の領域を除いてｐ型コンタクト層１８およびｐ型クラッド層１７の一部をエッチングすることにより、〈１−１００〉方向に延びるストライプ状のリッジ部Ｒｉを形成する。リッジ部Ｒｉは、例えば１．５μｍの幅を有する。リッジ部Ｒｉの両側におけるｐ型クラッド層１７の厚みは例えば約０．０５μｍである。
このようにして、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、ｎ型光ガイド層１４ａ、活性層１５、ｐ型キャップ層１６、ｐ型光ガイド層１６ａ、ｐ型クラッド層１７およびｐ型コンタクト層１８からなる半導体素子層２０が形成される。
次に、図１０（ｂ）に示すように、半導体素子層２０上に電流ブロック層２３、ｐ側オーミック電極２４およびｐ側パッド電極２５を順に形成する。この電流ブロック層２３、ｐ側オーミック電極２４およびｐ側パッド電極２５がｐ側電極層２１を構成する。
具体的には、ｐ型クラッド層１７およびｐ型コンタクト層１８の上面、ならびにリッジ部Ｒｉの側面にＣＶＤ法（化学気相成長法）により膜厚約０．２μｍのＳｉＯ２（酸化ケイ素）膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびＣＦ４（四フッ化炭素）を用いたＲＩＥ法により、ｐ型コンタクト層１８の上面のＳｉＯ２膜を除去する。このようにして、ＳｉＯ２膜からなる電流ブロック層２３を形成する。
続いて、ｐ型コンタクト層１８の上面部分にｐ側オーミック電極２４を真空蒸着法により形成する。ｐ側オーミック電極２４は、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＮｉを順に含む積層膜からなる。Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＮｉの膜厚は、それぞれ約１ｎｍ、約１００ｎｍ、約２４０ｎｍおよび約２４０ｎｍである。
次に、ｐ側オーミック電極２４および電流ブロック層２３上に、ｐ側パッド電極２５を形成する。ｐ側パッド電極２５は、Ｔｉ（チタン）、ＰｔおよびＡｕを含む積層膜からなる。Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕの膜厚は、それぞれ約１００ｎｍ、約１５０ｎｍおよび約３μｍである。
続いて、図２（ａ）〜図３（ａ）に示したように、ｐ側電極層２１にＧｅ基板３０が貼り合わされるとともに、半導体素子層２０からＧａＮ基板１０が分離される。その後、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、露出する半導体素子層２０の一面、すなわちｎ型コンタクト層１３の一面（図１１（ａ）においては下面）に、ｎ側オーミック電極２６を真空蒸着法により形成する。ｎ側オーミック電極２６は、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕを含む積層膜からなる。Ａｌ、ＮｉおよびＡｕの膜厚は、それぞれ約６ｎｍ、約１０ｎｍおよび約１００ｎｍである。
続いて、ｎ側オーミック電極２６の一面（図１１（ａ）においては下面）に、ｎ側パッド電極２７を形成する。ｎ側パッド電極２７は、膜厚約１０ｎｍのＮｉおよび膜厚約７００ｎｍのＡｕを順に含む積層膜からなる。ｎ側オーミック電極２６およびｎ側パッド電極２７がｎ側電極層１９を構成する。
その後、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、Ｇｅ基板３０、融着層３１、ｐ側電極層２１、半導体素子層２０、ｎ側電極層１９からなる積層体を、ダイシング、レーザスクライブまたは選択エッチングにより複数の素子に分離する。この場合、リッジ部Ｒｉに直交する（１−１００）面および（−１１００）面がレーザ共振器端面として露出する。これにより、窒化物系半導体素子としての半導体レーザが完成する。
（１−６）第１の実施の形態の効果
本実施の形態では、半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離する際に、ＧａＮ基板１０の屈折率および吸収係数に応じてレーザビームＬＡの照射条件を変調する。それにより、半導体素子層２０の膜厚を一定に維持しつつ半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離することができる。その結果、半導体素子層２０の素子特性の低下および歩留まりの低下を防止することができる。
本実施の形態では、半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離する際に、ＧａＮ基板１０の屈折率および吸収係数に応じてレーザビームＬＡの照射条件を変調する。それにより、半導体素子層２０の膜厚を一定に維持しつつ半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離することができる。その結果、半導体素子層２０の素子特性の低下および歩留まりの低下を防止することができる。
（２）第２の実施の形態
次に、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法について、上記第１の実施の形態と異なる点を説明する。図１３は、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法の一部を示す図である。
次に、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法について、上記第１の実施の形態と異なる点を説明する。図１３は、第２の実施の形態に係る窒化物系半導体素子の製造方法の一部を示す図である。
本実施の形態では、レーザビームＬＡの照射によって半導体素子層２０からＧａＮ基板１０を分離する際に（図２（ｂ）参照）、レーザビームＬＡの照射条件を一定に維持する。この場合、ＧａＮ基板１０の吸収係数および屈折率が不均一であることにより、剥離層１１が均一に加工されない。
それにより、図１３（ａ）に示すように、ＧａＮ基板１０を分離した際に、半導体素子層２０の表面に凹凸が形成される。
本実施の形態では、ＧａＮ基板１０の分離後、半導体素子層２０の表面に、ＣＭＰ（ケミカルメカニカルポリッシング）処理を施す。ＣＭＰ処理の具体例として、粒径０．０８μｍのシリカおよび水素イオン濃度（ｐＨ）が約１１であるＮａ２ＣＯ３（炭酸ナトリウム）からなる研磨液を用いて、０．１ＭＰａの圧力を加えつつ２０ｒｐｍの回転速度で半導体素子層２０の表面を約１時間研磨する。これにより、図１３（ｂ）に示すように、半導体素子層２０の表面を平坦化することができる。
したがって、半導体素子層２０の表面の凹凸に起因する窒化物系半導体素子の特性の低下および歩留まりの低下を防止することができる。
（３）他の実施の形態
上記実施の形態では、主として半導体素子層２０の活性層１５から放出される光を利用する発光ダイオードおよび半導体レーザの製造方法について示したが、本発明はこれに限らず、トランジスタ、ダイオード、受光素子等の種々の半導体素子の製造に適用することができる。また、本発明は活性層からの放出光を励起光とする蛍光体を備えた発光素子の製造にも適用可能である。また、本発明は、多波長の半導体レーザおよび窒化物半導体基板の製造にも応用可能である。
上記実施の形態では、主として半導体素子層２０の活性層１５から放出される光を利用する発光ダイオードおよび半導体レーザの製造方法について示したが、本発明はこれに限らず、トランジスタ、ダイオード、受光素子等の種々の半導体素子の製造に適用することができる。また、本発明は活性層からの放出光を励起光とする蛍光体を備えた発光素子の製造にも適用可能である。また、本発明は、多波長の半導体レーザおよび窒化物半導体基板の製造にも応用可能である。
また、上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて半導体素子層２０の各層を結晶成長させたが、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法またはガスソースＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法等を用いて半導体素子層２０の各層を結晶成長させてもよい。また、半導体素子層２０の結晶構造は、ウルツ鉱型であっても閃亜鉛鉱型構造であってもよい。また、結晶成長の面方位は[０００１]であってもよく、あるいは［１１−２０］または［１−１００］であってもよい。
また、上記実施の形態では、ＩｎＧａＮ結晶を成長させて剥離層１１を形成したが、これに限らず、ＩｎＡｌＮまたはＩｎＧａＡｌＮを用いて剥離層１１を形成してもよい。また、剥離層１１は多層構造であってもよい。
また、レーザビームＬＡとして、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ４の基本波を用いてもよい。また、Ｔｉサファイアレーザを用いた超短パルスのフェムト秒パルスレーザを用いてもよい。その場合、レーザビームＬＡの照射時に、半導体素子層２０が発熱によって歪むことが抑制され、半導体素子層２０，５０の素子特性の低下が防止される。
また、Ｇｅ基板３０の代わりに、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）等の導電性半導体、金属、Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｗ（タングステン）、Ｃｕ−Ｍｏ（モリブデン）等の複合金属、またはＣｕ−ＣｕＯ等の金属−金属酸化物の複合材料を用いてもよい。
また、半導体素子層２０には、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｔｌ（タリウム）およびＢ（ホウ素）のうち少なくとも一つを含む１３族元素の窒化物を用いることができる。具体的には、窒化物系半導体層１０として、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮまたはこれらの混晶からなる窒化物系半導体を用いることができる。
（４）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態では、ＧａＮ基板１０が成長用基板の例であり、Ｇｅ基板３０が支持基板の例であり、半導体素子層２０が半導体層の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
本発明は、光ピックアップ装置、表示装置、光源等の製造に有効に利用できる。
１０ ＧａＮ基板
１１ 剥離層
１２ 下地層
１９ ｎ側電極層
２０ 半導体素子層
２１ ｐ側電極層
３０ Ｇｅ基板
３５ 貼り合わせ基板
ＬＡ レーザビーム
１１ 剥離層
１２ 下地層
１９ ｎ側電極層
２０ 半導体素子層
２１ ｐ側電極層
３０ Ｇｅ基板
３５ 貼り合わせ基板
ＬＡ レーザビーム
Claims (7)
- 成長用基板上に剥離層を形成する工程と、
前記剥離層上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に支持基板を貼り合わせる工程と、
前記成長用基板を通して前記剥離層にレーザビームを照射する工程と、
前記半導体層から前記成長用基板を分離する工程とを備え、
前記レーザビームを照射する工程において、前記剥離層に２次元的に均一な条件でレーザビームが照射されるように、前記剥離層にレーザビームを２次元的に走査させつつ前記成長用基板の位置による光学定数の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御することを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記レーザビームを照射する工程において、前記レーザビームの照射条件として、レーザビームのパワー、レーザビームの集光または発散の程度、レーザビームを集光または発散させる光学系と前記成長用基板との距離およびレーザビームの径のうち少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記光学定数は屈折率であり、
前記レーザビームを照射する工程において、前記屈折率の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御することを特徴とする請求項１または２記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記光学定数は吸収係数であり、
前記レーザビームを照射する工程において、前記吸収係数の変化に応じてレーザビームの照射条件を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 - 成長用基板上に剥離層を形成する工程と、
前記剥離層上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上に支持基板を貼り合わせる工程と、
前記成長用基板を通して前記剥離層にレーザビームを照射する工程と、
前記半導体層から前記成長用基板を分離する工程と、
前記成長用基板が分離された前記半導体層の一面を平坦化する工程とを備えることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記半導体層の一面を平坦化する工程において、前記成長用基板が分離された前記半導体層の一面を研磨することを特徴とする請求項５記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記半導体層の一面を平坦化する工程において、前記成長用基板が分離された前記半導体層の一面をエッチングすることを特徴とする請求項５または６記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
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