JP3525061B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
半導体発光素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子の製
造方法に関する。より具体的には、本発明は、窒化物系
半導体を用いた半導体光発光素子に関し、サファイア基
板を容易且つ確実に分離することにより高品質の結晶が
得られる半導体発光素子の製造方法に関する。
造方法に関する。より具体的には、本発明は、窒化物系
半導体を用いた半導体光発光素子に関し、サファイア基
板を容易且つ確実に分離することにより高品質の結晶が
得られる半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、家庭電化製品、ＯＡ機器、通信機
器、工業計測器などさまざまな分野で発光ダイオード
（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子が利用
されている。例えば、多くの分野で用いられることにな
るであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応
用を目的として、短波長の半導体レーザの開発が注力さ
れている。
器、工業計測器などさまざまな分野で発光ダイオード
（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子が利用
されている。例えば、多くの分野で用いられることにな
るであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応
用を目的として、短波長の半導体レーザの開発が注力さ
れている。
【０００３】現在は赤色半導体レーザが用いられてお
り、それまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上
した。この赤色の半導体レーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系の
材料を用いた６００ｎｍ帯での発光素子であり、光ディ
スクの読み取りと書き込みのどちらも可能なレベルにま
で特性改善され、すでに実用化されている。
り、それまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上
した。この赤色の半導体レーザは、ＩｎＧａＡｌＰ系の
材料を用いた６００ｎｍ帯での発光素子であり、光ディ
スクの読み取りと書き込みのどちらも可能なレベルにま
で特性改善され、すでに実用化されている。
【０００４】しかし、この材料系による赤色の半導体レ
ーザは、次世代の光ディスク記録等への応用に対しては
結晶欠陥の低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な
問題が数多く存在する。また、発振波長は短いものでも
４６０ｎｍ程度であり、システムから要求される４２０
ｎｍ台での発振は物性からいって困難である。
ーザは、次世代の光ディスク記録等への応用に対しては
結晶欠陥の低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な
問題が数多く存在する。また、発振波長は短いものでも
４６０ｎｍ程度であり、システムから要求される４２０
ｎｍ台での発振は物性からいって困難である。
【０００５】一方で、さらなる記録密度の向上を目指し
て青色半導体レーザの開発が進められている。すでに、
II-VI 族系材料を用いた半導体レーザは発振動作が確認
されている。しかしながら、その信頼性は１００時間程
度にリミットされるなど実用化への障壁は多く、また発
振波長を４８０ｎｍ以下とすることも困難であるなど、
次世代の光ディスクシステム等への応用には材料的なリ
ミットが数多く存在する。
て青色半導体レーザの開発が進められている。すでに、
II-VI 族系材料を用いた半導体レーザは発振動作が確認
されている。しかしながら、その信頼性は１００時間程
度にリミットされるなど実用化への障壁は多く、また発
振波長を４８０ｎｍ以下とすることも困難であるなど、
次世代の光ディスクシステム等への応用には材料的なリ
ミットが数多く存在する。
【０００６】これに対して、ＧａＮ（窒化ガリウム）を
含む窒化物系半導体レーザは、原理的には３５０ｎｍ以
下までの短波長化が可能であり、４００ｎｍでの発振動
作が報告されている。信頼性に関しても、ＬＥＤにおい
て１万時間以上の信頼性が確認されている。また、室温
でのレーザ発振も最近、確認された。このように、窒化
物半導体系は、次世代の光ディスク記録用光源などの種
々の用途において必要とされる条件を満たす優れた特性
を持つ材料である。
含む窒化物系半導体レーザは、原理的には３５０ｎｍ以
下までの短波長化が可能であり、４００ｎｍでの発振動
作が報告されている。信頼性に関しても、ＬＥＤにおい
て１万時間以上の信頼性が確認されている。また、室温
でのレーザ発振も最近、確認された。このように、窒化
物半導体系は、次世代の光ディスク記録用光源などの種
々の用途において必要とされる条件を満たす優れた特性
を持つ材料である。
【０００７】なお、本願において「窒化物系半導体」と
は、Ｂx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ(1-x-y-z) Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、
Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）なる化学式で表されるIII −
Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、
Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混
晶も含むものとする。
は、Ｂx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ(1-x-y-z) Ｎ（Ｏ≦ｘ≦１、
Ｏ≦ｙ≦１、Ｏ≦ｚ≦１）なる化学式で表されるIII −
Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、
Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混
晶も含むものとする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化物系半導
体を用いた従来の発光素子は、以下に詳述する種々の問
題を有する。
体を用いた従来の発光素子は、以下に詳述する種々の問
題を有する。
【０００９】すなわち、窒化物系半導体を用いた従来の
発光素子は、サファイア基板の上にエピタキシャル成長
させることが一般的であった。しかし、サファイア基板
と窒素化物系半導体とは格子定数が顕著に異なるため、
成長結晶に結晶欠陥が多数発生する。このような結晶欠
陥が、本質的に、種々の素子特性や素子寿命の改善に対
する阻害要因となっている。
発光素子は、サファイア基板の上にエピタキシャル成長
させることが一般的であった。しかし、サファイア基板
と窒素化物系半導体とは格子定数が顕著に異なるため、
成長結晶に結晶欠陥が多数発生する。このような結晶欠
陥が、本質的に、種々の素子特性や素子寿命の改善に対
する阻害要因となっている。
【００１０】また、絶縁性のサファイア基板上に形成す
るため、ｎ側電極とｐ側電極のいずれも、エピタキシャ
ル成長面側に形成する必要がある。そのために、ｐ型層
と活性層とｎ型層の一部をエッチング除去し、ｎ側電極
をｎ型層の上に形成している。しかし、この構造では実
際に素子として動作する部分は厚いサファイア基板上に
形成されており、レーザに必要な共振器面を作成するた
めのへき開が困難である。
るため、ｎ側電極とｐ側電極のいずれも、エピタキシャ
ル成長面側に形成する必要がある。そのために、ｐ型層
と活性層とｎ型層の一部をエッチング除去し、ｎ側電極
をｎ型層の上に形成している。しかし、この構造では実
際に素子として動作する部分は厚いサファイア基板上に
形成されており、レーザに必要な共振器面を作成するた
めのへき開が困難である。
【００１１】また、素子の放熱性を向上させるために
は、通常はヒートシンクに素子を密着させるが、この構
造ではサファイア側をヒートシンクに密着させても、サ
ファイアの熱伝導率が低いために十分な放熱を確保する
ことができない。逆に、電極側をヒートシンクに密着さ
せた場合には、熱抵抗は減少するが電極を基板に対して
同じ方向に設置しているこの素子では作成が難しく歩留
まりが悪い。
は、通常はヒートシンクに素子を密着させるが、この構
造ではサファイア側をヒートシンクに密着させても、サ
ファイアの熱伝導率が低いために十分な放熱を確保する
ことができない。逆に、電極側をヒートシンクに密着さ
せた場合には、熱抵抗は減少するが電極を基板に対して
同じ方向に設置しているこの素子では作成が難しく歩留
まりが悪い。
【００１２】また、ヒートシンクと接していない側には
サファイア基板がついており、やはり放熱性が悪い。
サファイア基板がついており、やはり放熱性が悪い。
【００１３】さらに、サファイア基板がついている限り
は、電極から注入した電流を素子の横方向に流す必要が
あり、素子抵抗が大きくなる。
は、電極から注入した電流を素子の横方向に流す必要が
あり、素子抵抗が大きくなる。
【００１４】また、ｐ側電極とｎ側電極との間の幾何学
的にもっとも近い経路は素子の表面となり、リーク電流
が多く生じる。
的にもっとも近い経路は素子の表面となり、リーク電流
が多く生じる。
【００１５】一方、ＨＣｌ（塩酸）を輸送担体として用
いるハイドライド化学堆積法( Ｈ−ＣＶＥ法) により、
窒化物系半導体の結晶を厚膜で成長する方法が最近行わ
れはじめている。しかし、成長基板としてサファイア基
板を用いているため、成長した結晶には結晶欠陥が多く
含まれ、その上に作成した発光素子の素子特性の向上を
阻害する要因のひとつなっている。
いるハイドライド化学堆積法( Ｈ−ＣＶＥ法) により、
窒化物系半導体の結晶を厚膜で成長する方法が最近行わ
れはじめている。しかし、成長基板としてサファイア基
板を用いているため、成長した結晶には結晶欠陥が多く
含まれ、その上に作成した発光素子の素子特性の向上を
阻害する要因のひとつなっている。
【００１６】また、この際に、石英で局所的にマスクを
つくり成長を行うラテラル成長方法が行われはじめてい
るが、石英マスク上に成長した部分に小径角粒界や欠陥
やボイドの発生が見られる。
つくり成長を行うラテラル成長方法が行われはじめてい
るが、石英マスク上に成長した部分に小径角粒界や欠陥
やボイドの発生が見られる。
【００１７】一方、上述したような種々の問題を避ける
ために、サファイヤ基板上にＧａＮを１００μｍ程度形
成し、サファイヤ基板を除去し、得られたＧａＮ膜を擬
似基板として利用する技術が提案されている。しかし、
硬いサファイヤ基板を除去するために通常用いられる研
磨法ではスループットが悪く、また研磨時に異常割れな
どが発生するという問題があった。
ために、サファイヤ基板上にＧａＮを１００μｍ程度形
成し、サファイヤ基板を除去し、得られたＧａＮ膜を擬
似基板として利用する技術が提案されている。しかし、
硬いサファイヤ基板を除去するために通常用いられる研
磨法ではスループットが悪く、また研磨時に異常割れな
どが発生するという問題があった。
【００１８】本発明は係る種々の問題点に鑑みてなされ
たものである。すなわち、その目的は、再現性良く容易
且つ確実にサファイア基板を分離することにより、良好
なへき開性、放熱性、リーク耐圧性などを有する窒化物
系半導体の半導体発光素子の製造方法を提供することに
ある。
たものである。すなわち、その目的は、再現性良く容易
且つ確実にサファイア基板を分離することにより、良好
なへき開性、放熱性、リーク耐圧性などを有する窒化物
系半導体の半導体発光素子の製造方法を提供することに
ある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
の製造方法は、基板の表面に凹部を設ける工程と、前記
凹部を塞ぐように前記基板の上に窒化物系半導体からな
る層を設ける工程と、前記基板と前記窒化物系半導体か
らなる層とを分離する工程と、を備えたことを特徴とす
る。
の製造方法は、基板の表面に凹部を設ける工程と、前記
凹部を塞ぐように前記基板の上に窒化物系半導体からな
る層を設ける工程と、前記基板と前記窒化物系半導体か
らなる層とを分離する工程と、を備えたことを特徴とす
る。
【００２０】ここで、前記分離する工程は、温度を変化
させることにより行うことを特徴とする。
させることにより行うことを特徴とする。
【００２１】または、前記分離する工程は、超音波を印
加することにより行うことを特徴とする。
加することにより行うことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ説明する。 まず、本発明の第１の
実施の形態として「リフトオフ層」を用いて基板を剥離
する方法について説明する。
て図面を参照しつつ説明する。 まず、本発明の第１の
実施の形態として「リフトオフ層」を用いて基板を剥離
する方法について説明する。
【００２３】図１は、本発明の第１の実施の形態にかか
る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図であ
る。すなわち、同図は、窒化物系半導体を用いた半導体
レーザの製造方法を表す。
る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図であ
る。すなわち、同図は、窒化物系半導体を用いた半導体
レーザの製造方法を表す。
【００２４】まず、図１（ａ）に示したように、サファ
イヤ基板１１の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）
によりＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層
１４を成長する。ここで、基板１１とＧａＮ層１２との
間には、図示しないバッファ層を設けても良い。各層の
成長時の圧力は常圧とし、バッファ層以外のＧａＮ層１
２、１４及びＡｌＧａＮ層１３は、基本的には窒素、水
素、アンモニアを混合した雰囲気において１０００℃か
ら１１００℃の温度範囲内で成長した。
イヤ基板１１の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）
によりＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１３、ｎ型ＧａＮ層
１４を成長する。ここで、基板１１とＧａＮ層１２との
間には、図示しないバッファ層を設けても良い。各層の
成長時の圧力は常圧とし、バッファ層以外のＧａＮ層１
２、１４及びＡｌＧａＮ層１３は、基本的には窒素、水
素、アンモニアを混合した雰囲気において１０００℃か
ら１１００℃の温度範囲内で成長した。
【００２５】ここで、ＡｌＧａＮ層１３のＡｌ組成は３
０％前後とし、成長層の全面にクラックが入るように層
厚を厚くする。このように欠損部を有したＡｌＧａＮ層
１３は、後に詳述するように基板１１を剥離するための
「リフトオフ層」として作用する。
０％前後とし、成長層の全面にクラックが入るように層
厚を厚くする。このように欠損部を有したＡｌＧａＮ層
１３は、後に詳述するように基板１１を剥離するための
「リフトオフ層」として作用する。
【００２６】次に、図１（ｂ）に示したように、ｎ型Ｇ
ａＮ層１５を８０μｍ前後の層厚に成長し、さらに、半
導体レーザの要部となるダブルヘテロ構造などを含む多
層構造部１６を成長する。ここで、ｎ型ＧａＮ層１５を
層厚８０μｍ前後の層厚に成長するためには、ＭＯＣＶ
Ｄ法よりも成長速度が大きいハイドライドＶＰＥ（Vapo
r Phase Epitaxy ）法を用いることが望ましい。一方、
多層構造部１６の成長に際しては、従来と同様にＭＯＣ
ＶＤ法を用いることができる。
ａＮ層１５を８０μｍ前後の層厚に成長し、さらに、半
導体レーザの要部となるダブルヘテロ構造などを含む多
層構造部１６を成長する。ここで、ｎ型ＧａＮ層１５を
層厚８０μｍ前後の層厚に成長するためには、ＭＯＣＶ
Ｄ法よりも成長速度が大きいハイドライドＶＰＥ（Vapo
r Phase Epitaxy ）法を用いることが望ましい。一方、
多層構造部１６の成長に際しては、従来と同様にＭＯＣ
ＶＤ法を用いることができる。
【００２７】次に、図１（ｃ）に示したように、基板１
１を剥離する。具体的には、フォトリソグラフィ法など
を用いて半導体レーザのメサストライフ部などを形成し
た後、レーザの多層構造部１６を下にして治具１７にワ
ックスなどで貼り付ける。そして、基板１１の側面また
は裏面に対して治具をあてて刷動させるなどの方法によ
り応力を加えることで、簡単に基板１１を剥離すること
ができる。ここで、剥離は、「リフトオフ層」すなわち
ＡｌＧａＮ層１３の前後の界面付近において生ずる。
１を剥離する。具体的には、フォトリソグラフィ法など
を用いて半導体レーザのメサストライフ部などを形成し
た後、レーザの多層構造部１６を下にして治具１７にワ
ックスなどで貼り付ける。そして、基板１１の側面また
は裏面に対して治具をあてて刷動させるなどの方法によ
り応力を加えることで、簡単に基板１１を剥離すること
ができる。ここで、剥離は、「リフトオフ層」すなわち
ＡｌＧａＮ層１３の前後の界面付近において生ずる。
【００２８】基板１１を剥離したら、図１（ｄ）に示し
たように、ｐ側電極１８とｎ側電極１９を形成する。さ
らに、へき開によりレーザ端面を形成してチップ化す
る。
たように、ｐ側電極１８とｎ側電極１９を形成する。さ
らに、へき開によりレーザ端面を形成してチップ化す
る。
【００２９】なお、レーザの多層構造部１６は、基板１
１を剥離した後に形成しても良い。すなわち、ｎ型Ｇａ
Ｎ層１５をハイドライドＶＰＥにより成長した後に、図
１（ｃ）に示したように基板１１を剥離し、得られたｎ
型ＧａＮ層１５を新たな基板として多層構造部１５を成
長し、電極１８、１９を形成しても良い。
１を剥離した後に形成しても良い。すなわち、ｎ型Ｇａ
Ｎ層１５をハイドライドＶＰＥにより成長した後に、図
１（ｃ）に示したように基板１１を剥離し、得られたｎ
型ＧａＮ層１５を新たな基板として多層構造部１５を成
長し、電極１８、１９を形成しても良い。
【００３０】本実施形態において、基板１１を剥離でき
るメカニズムについて以下に説明する。 図２は、図１
のＧａＮ１２、ＡｌＧａＮ層１３、ＧａＮ層１４の部分
を表す要部拡大断面図である。本実施形態においては、
ＡｌＧａＮ層１３を成長する時にＡｌ（アルミニウム）
がもたらす格子歪によってクラック２０Ａが発生する。
特に、Ａｌの組成を３０％以上とすることでクラック２
０Ａは高密度化する。本発明者の実験によれば、このク
ラック２０Ａを平面的に観察すると６角形状に発生する
場合が多いことが分かった。
るメカニズムについて以下に説明する。 図２は、図１
のＧａＮ１２、ＡｌＧａＮ層１３、ＧａＮ層１４の部分
を表す要部拡大断面図である。本実施形態においては、
ＡｌＧａＮ層１３を成長する時にＡｌ（アルミニウム）
がもたらす格子歪によってクラック２０Ａが発生する。
特に、Ａｌの組成を３０％以上とすることでクラック２
０Ａは高密度化する。本発明者の実験によれば、このク
ラック２０Ａを平面的に観察すると６角形状に発生する
場合が多いことが分かった。
【００３１】このようにＡｌＧａＮ層１３を成長した後
にその成長温度においてウェーハを一旦保持すると、ク
ラック２０Ａの下部にあるＧａＮ層１２の一部が成長雰
囲気に含まれる水素によってエッチングされ、空隙２０
Ｂが生ずる。この上にｎ型ＧａＮ層１４を成長すると、
２次元成長モードによりクラック２０Ａの上が埋められ
て平坦化し、これより上の成長には悪影響は生じない。
にその成長温度においてウェーハを一旦保持すると、ク
ラック２０Ａの下部にあるＧａＮ層１２の一部が成長雰
囲気に含まれる水素によってエッチングされ、空隙２０
Ｂが生ずる。この上にｎ型ＧａＮ層１４を成長すると、
２次元成長モードによりクラック２０Ａの上が埋められ
て平坦化し、これより上の成長には悪影響は生じない。
【００３２】こうして形成されたクラック２０Ａや空隙
２０Ｂにより、「リフトオフ層」すなわちＡｌＧａＮ層
１３の界面は、物理的に脆弱となる。そこに例えば上述
したように応力を与えることで、クラック２０Ａや空隙
２０Ｂをきっかけとして基板１１を剥離することができ
る。本実施形態において、基板１１の剥離を容易に生じ
させるためには、「リフトオフ層」であるＡｌＧａＮ層
１３のＡｌ組成は、１０〜３０％の範囲内とすることが
望ましい。また、その層厚は、０．１〜１μｍの範囲内
とすることが望ましい。Ａｌ組成がこれよりも低く、ま
たは層厚が薄いと、クラックが不足して基板１１の剥離
が容易でなく、また、Ａｌ組成がこれよりも高く、また
は層厚がこれよりも厚いと、この上に成長する窒化物系
半導体層の結晶性が劣化する傾向が顕著となるからであ
る。
２０Ｂにより、「リフトオフ層」すなわちＡｌＧａＮ層
１３の界面は、物理的に脆弱となる。そこに例えば上述
したように応力を与えることで、クラック２０Ａや空隙
２０Ｂをきっかけとして基板１１を剥離することができ
る。本実施形態において、基板１１の剥離を容易に生じ
させるためには、「リフトオフ層」であるＡｌＧａＮ層
１３のＡｌ組成は、１０〜３０％の範囲内とすることが
望ましい。また、その層厚は、０．１〜１μｍの範囲内
とすることが望ましい。Ａｌ組成がこれよりも低く、ま
たは層厚が薄いと、クラックが不足して基板１１の剥離
が容易でなく、また、Ａｌ組成がこれよりも高く、また
は層厚がこれよりも厚いと、この上に成長する窒化物系
半導体層の結晶性が劣化する傾向が顕著となるからであ
る。
【００３３】応力を負荷する方法としては、治具を用い
て加える方法の他にも、多層構造部１６の成長後に、降
温を急峻に行うことでも基板は剥離する。また、サファ
イア基板１１の裏面側にダイサーなどで一部に「けが
き」を入れるような方法を用いても剥離することができ
る。さらに、超音波洗浄機にウェーハを投入しても剥離
することができる。また、後に詳述するように、サファ
イア基板１１の裏面側から紫外線領域の波長のレーザ光
を照射し、窒化物系半導体層での光吸収により局所的な
熱を発生させ、窒化物系半導体を蒸発させて剥離するこ
ともできる。
て加える方法の他にも、多層構造部１６の成長後に、降
温を急峻に行うことでも基板は剥離する。また、サファ
イア基板１１の裏面側にダイサーなどで一部に「けが
き」を入れるような方法を用いても剥離することができ
る。さらに、超音波洗浄機にウェーハを投入しても剥離
することができる。また、後に詳述するように、サファ
イア基板１１の裏面側から紫外線領域の波長のレーザ光
を照射し、窒化物系半導体層での光吸収により局所的な
熱を発生させ、窒化物系半導体を蒸発させて剥離するこ
ともできる。
【００３４】本実施形態における層１３、すなわち基板
１１を剥離するための「リフトオフ層」としては、高組
成のＡｌＧａＮ以外にも、格子歪みを生ずる各種の材料
を用いることができる。 図３は、「リフトオフ層」と
してＩｎＧａＮを用いた場合を例示する要部断面図であ
る。すなわち、同図に示した構成においては、ＧａＮ層
１２とｎ型ＧａＮ層１４との間にＩｎＧａＮ層２１が設
けられている。ここで、ＩｎＧａＮ層２１のＩｎ（イン
ジウム）の組成は２０％前後とすることができる。Ｉｎ
ＧａＮ層２１を挿入した場合、Ｉｎの相分離が原因と考
えられる高密度のピット２０Ｃが成長中に形成される。
このピット２０Ｃは、ＩｎＧａＮ層２１を貫通する微細
な孔であり、１０7 〜１０9 ／ｃｍ2 程度の密度で形成
される場合が多い。このピットにより、ＩｎＧａＮ層２
１は物理的には脆弱な層となり、基板１１を容易に剥離
することができる。
１１を剥離するための「リフトオフ層」としては、高組
成のＡｌＧａＮ以外にも、格子歪みを生ずる各種の材料
を用いることができる。 図３は、「リフトオフ層」と
してＩｎＧａＮを用いた場合を例示する要部断面図であ
る。すなわち、同図に示した構成においては、ＧａＮ層
１２とｎ型ＧａＮ層１４との間にＩｎＧａＮ層２１が設
けられている。ここで、ＩｎＧａＮ層２１のＩｎ（イン
ジウム）の組成は２０％前後とすることができる。Ｉｎ
ＧａＮ層２１を挿入した場合、Ｉｎの相分離が原因と考
えられる高密度のピット２０Ｃが成長中に形成される。
このピット２０Ｃは、ＩｎＧａＮ層２１を貫通する微細
な孔であり、１０7 〜１０9 ／ｃｍ2 程度の密度で形成
される場合が多い。このピットにより、ＩｎＧａＮ層２
１は物理的には脆弱な層となり、基板１１を容易に剥離
することができる。
【００３５】ここで、基板１１の剥離を容易に生じさせ
るためには、「リフトオフ層」であるＩｎＧａＮ層１３
のＩｎ組成は、１０％以上とすることが望ましく、２０
％以上とすることがさらに望ましい。但し、ＭＯＣＶＤ
法を用いる場合には、Ｉｎ組成が高いほど成長が容易で
ない傾向がある。また、その層厚は、０．１〜１μｍの
範囲内とすることが望ましい。Ｉｎ組成がこれよりも低
く、または層厚が薄いと、ピットが不足して基板１１の
剥離が容易でなく、また、ＩｎＧａＮ層の層厚がこれよ
りも厚いと、この上に成長する窒化物系半導体層の結晶
性が劣化する傾向が顕著となるからである。
るためには、「リフトオフ層」であるＩｎＧａＮ層１３
のＩｎ組成は、１０％以上とすることが望ましく、２０
％以上とすることがさらに望ましい。但し、ＭＯＣＶＤ
法を用いる場合には、Ｉｎ組成が高いほど成長が容易で
ない傾向がある。また、その層厚は、０．１〜１μｍの
範囲内とすることが望ましい。Ｉｎ組成がこれよりも低
く、または層厚が薄いと、ピットが不足して基板１１の
剥離が容易でなく、また、ＩｎＧａＮ層の層厚がこれよ
りも厚いと、この上に成長する窒化物系半導体層の結晶
性が劣化する傾向が顕著となるからである。
【００３６】ＩｎＧａＮはハイドライドＶＰＥ法でも成
長が可能である。したがって、成長条件を最適化すれば
サファイヤ基板１１の上に直接ＧａＮ層１２からハイド
ライドＶＰＥ法により成長することもできる。
長が可能である。したがって、成長条件を最適化すれば
サファイヤ基板１１の上に直接ＧａＮ層１２からハイド
ライドＶＰＥ法により成長することもできる。
【００３７】一方、本実施形態における「リフトオフ
層」として用いることができるものは、前述したような
クラックやピットなどの空間的な空隙を有するものの他
にも、例えば、転位などの結晶欠陥を他の部分と比べて
著しく高密度に有する層でも良い。具体的には、欠陥密
度が１０8 ／ｃｍ2 以上であり、層厚が１０ｎｍ以上の
半導体層であれば、「リフトオフ層」として作用させる
ことが可能である。また、以上説明したようなリフトオ
フ層は、サファイア基板の上に直接設けても良い。
層」として用いることができるものは、前述したような
クラックやピットなどの空間的な空隙を有するものの他
にも、例えば、転位などの結晶欠陥を他の部分と比べて
著しく高密度に有する層でも良い。具体的には、欠陥密
度が１０8 ／ｃｍ2 以上であり、層厚が１０ｎｍ以上の
半導体層であれば、「リフトオフ層」として作用させる
ことが可能である。また、以上説明したようなリフトオ
フ層は、サファイア基板の上に直接設けても良い。
【００３８】あるいは、結晶成長によりリフトオフ層を
設けなくても、ＧａＮ層１２の上にＳｉＯ2 などの誘電
体膜をストライプ状などの形状にパターニングし、ＭＯ
ＣＶＤやハイドライドＶＰＥによる成長時に横方向の成
長モードを加速させて上方向への転位を終端させる方法
もある。この場合には、ＳｉＯ2 層の部分を基板の剥離
のための「リフトオフ層」として利用できる。また、こ
の場合に、成長後に弗酸などでＳｉＯ2 をサイドエッチ
ングし、空隙を形成しても良い。
設けなくても、ＧａＮ層１２の上にＳｉＯ2 などの誘電
体膜をストライプ状などの形状にパターニングし、ＭＯ
ＣＶＤやハイドライドＶＰＥによる成長時に横方向の成
長モードを加速させて上方向への転位を終端させる方法
もある。この場合には、ＳｉＯ2 層の部分を基板の剥離
のための「リフトオフ層」として利用できる。また、こ
の場合に、成長後に弗酸などでＳｉＯ2 をサイドエッチ
ングし、空隙を形成しても良い。
【００３９】図４は、本実施形態により作製した半導体
レーザを例示する概略断面図である。図中１５は、ハイ
ドライドＶＰＥ成長によるｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓ
ｉドープ、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）であり、
図１（ｃ）に関して前述したように、サファイア基板上
に成長した後に剥離して新たな基板として用いられるも
のである。また、図中２４は、ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ
クラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、層厚Ｏ．
８μｍ）、２５はＧａＮ光導波層、２６は多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）からなる活性層部、２７はＧａＮ光導波
層（Ｍｇドープ、１×１０19ｃｍ-3、Ｏ．１μｍ）であ
る。
レーザを例示する概略断面図である。図中１５は、ハイ
ドライドＶＰＥ成長によるｎ型ＧａＮコンタクト層（Ｓ
ｉドープ、ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）であり、
図１（ｃ）に関して前述したように、サファイア基板上
に成長した後に剥離して新たな基板として用いられるも
のである。また、図中２４は、ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ
クラッド層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、層厚Ｏ．
８μｍ）、２５はＧａＮ光導波層、２６は多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）からなる活性層部、２７はＧａＮ光導波
層（Ｍｇドープ、１×１０19ｃｍ-3、Ｏ．１μｍ）であ
る。
【００４０】ここで、活性層部２６のＭＱＷの井戸層は
３ｎｍ厚のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなり、バリア層は
厚さ６ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる。また、井戸
層は５層である。また、活性層部２６は、ＭＱＷとｐ型
光導波層２７との間に、層厚２ｎｍのｐ型Ａｌ0.20Ｇａ
0.80Ｎキャップ層を有する。
３ｎｍ厚のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層からなり、バリア層は
厚さ６ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなる。また、井戸
層は５層である。また、活性層部２６は、ＭＱＷとｐ型
光導波層２７との間に、層厚２ｎｍのｐ型Ａｌ0.20Ｇａ
0.80Ｎキャップ層を有する。
【００４１】さらに、図中２８はｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92
Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０19ｃｍ-3、０．８
μｍ）、３０はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、
８×１０19ｃｍ-3、Ｏ．５μｍ）であり、最上部はＭｇ
を２×１０20ｃｍ-3まで高濃度化した。２９はｎ型Ｉｎ
ＧａＮからなる電流狭窄層、３１はＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／
Ａｕをこの順に積層したｐ側電極、３２はｎ側電極であ
る。紙面に対して平行方向に設けられる端面のレーザミ
ラーは、へき開により形成する。
Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、５×１０19ｃｍ-3、０．８
μｍ）、３０はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、
８×１０19ｃｍ-3、Ｏ．５μｍ）であり、最上部はＭｇ
を２×１０20ｃｍ-3まで高濃度化した。２９はｎ型Ｉｎ
ＧａＮからなる電流狭窄層、３１はＰｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／
Ａｕをこの順に積層したｐ側電極、３２はｎ側電極であ
る。紙面に対して平行方向に設けられる端面のレーザミ
ラーは、へき開により形成する。
【００４２】図４のレーザは、図１に関して前述した通
りである。すなわち、図示しないサファイア基板上にリ
フトオフ層を介してハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）
法によりｎ型ＧａＮ層１５を結晶成長する。そして、リ
フトオフ層の部分からサファイア基板を剥離することに
より得られたｎ型ＧａＮ層１５を基板として層２４〜３
０をＭＯＣＶＤ法より成長することにより製造される。
あるいは、サファイア基板上において、リフトオフ層を
介して層１５〜３０を成長した後に、サファイア基板を
剥離しても良い。
りである。すなわち、図示しないサファイア基板上にリ
フトオフ層を介してハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）
法によりｎ型ＧａＮ層１５を結晶成長する。そして、リ
フトオフ層の部分からサファイア基板を剥離することに
より得られたｎ型ＧａＮ層１５を基板として層２４〜３
０をＭＯＣＶＤ法より成長することにより製造される。
あるいは、サファイア基板上において、リフトオフ層を
介して層１５〜３０を成長した後に、サファイア基板を
剥離しても良い。
【００４３】また、電流狭窄層２９を用いたリッジ構造
は、感光レジストを用いた光リソグラフィー技術と反応
性塩素系イオンによるドライエッチング技術を用いて形
成することができる。すなわち、選択再成長法を用いて
電流狭窄層２９を成長し、その上にコンタクト層３０を
成長する。
は、感光レジストを用いた光リソグラフィー技術と反応
性塩素系イオンによるドライエッチング技術を用いて形
成することができる。すなわち、選択再成長法を用いて
電流狭窄層２９を成長し、その上にコンタクト層３０を
成長する。
【００４４】本実施形態によれば、サファイア基板を剥
離することができるので、レーザの端面を形成するため
のへき開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、
従来の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面
を安定して形成することができ、レーザの発振特性を大
きく改善することができる。
離することができるので、レーザの端面を形成するため
のへき開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、
従来の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面
を安定して形成することができ、レーザの発振特性を大
きく改善することができる。
【００４５】また、サファイア基板上に形成した従来の
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
【００４６】さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
【００４７】例えば、本実施形態によれば、リッジの幅
が底面で４μｍの場合に、しきい値６５ｍＡで室温にお
いて連続発振した。また、ｐ側電極３１をヒートシンク
にマウントして測定した結果、発振波長は４０５ｎｍで
あり、動作電圧は約４．５Ｖであった。ビーム特性は単
峰性であり、非点隔差は約１０μｍと十分小さな値が得
られた。また、最高光出力は連続発振で１０ｍＷまで得
られ、最高連続発振温度は６０℃であった。信頼性に関
しても室温で１０００時間以上安定に動作した。すなわ
ち、本実施形態によれば、サファイア基板から容易且つ
確実にエピタキシャル成長層を剥離することにより、極
めて高性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を製造
することができるようになる。
が底面で４μｍの場合に、しきい値６５ｍＡで室温にお
いて連続発振した。また、ｐ側電極３１をヒートシンク
にマウントして測定した結果、発振波長は４０５ｎｍで
あり、動作電圧は約４．５Ｖであった。ビーム特性は単
峰性であり、非点隔差は約１０μｍと十分小さな値が得
られた。また、最高光出力は連続発振で１０ｍＷまで得
られ、最高連続発振温度は６０℃であった。信頼性に関
しても室温で１０００時間以上安定に動作した。すなわ
ち、本実施形態によれば、サファイア基板から容易且つ
確実にエピタキシャル成長層を剥離することにより、極
めて高性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を製造
することができるようになる。
【００４８】しかも、剥離したサファイア基板は基板剥
離によってもほとんどダメージを受けないので、これを
再利用して次の結晶成長に用いることができる。これに
より、欠陥の少ない良質な窒化物系半導体のエピタキシ
ャル結晶を多量にコストも安く生産することが可能とな
る。
離によってもほとんどダメージを受けないので、これを
再利用して次の結晶成長に用いることができる。これに
より、欠陥の少ない良質な窒化物系半導体のエピタキシ
ャル結晶を多量にコストも安く生産することが可能とな
る。
【００４９】本実施形態は、発光ダイオードの製造にも
適用することができる。 図５は、図４と同様な製造方
法により作製した発光ダイオードを表す概略断面図であ
る。同図中１５はハイドライドＶＰＥ法によるｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3）、３
４はｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、
１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、３５は多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）活性層である。ここでＭＱＷの井戸層は
３ｎｍ厚のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ層からなり、バリヤ層は
厚さ６ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.08Ｎから構成される。井戸
層は３層である。
適用することができる。 図５は、図４と同様な製造方
法により作製した発光ダイオードを表す概略断面図であ
る。同図中１５はハイドライドＶＰＥ法によるｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3）、３
４はｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ、
１×１０18ｃｍ-3、０．３μｍ）、３５は多重量子井戸
構造（ＭＱＷ）活性層である。ここでＭＱＷの井戸層は
３ｎｍ厚のＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ層からなり、バリヤ層は
厚さ６ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.08Ｎから構成される。井戸
層は３層である。
【００５０】また、３６はｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラ
ッド層（Ｍｇドープ、５×１０19ｃｍ-3、０．１μ
ｍ）、３７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、８
×１０19ｃｍ-3、０．１μｍ）であり、最上部はＭｇを
２×１０20ｃｍ-3まで高濃度化した。また、３８はＰｔ
／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極、３９はｎ側電
極、４０はチップキャリヤである。
ッド層（Ｍｇドープ、５×１０19ｃｍ-3、０．１μ
ｍ）、３７はｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、８
×１０19ｃｍ-3、０．１μｍ）であり、最上部はＭｇを
２×１０20ｃｍ-3まで高濃度化した。また、３８はＰｔ
／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極、３９はｎ側電
極、４０はチップキャリヤである。
【００５１】本具体例によれば、ｐ側電極３８を光反射
層として作用させることができ、また全面コンタクトを
取ることが可能で、光取り出し効率の向上と動作電圧の
低減が可能である。また、ｐ側とｎ側の電極をそれぞれ
チップの上下に設けることができるので、サファイア基
板の上に形成した従来の窒化物系ＬＥＤよりもチップサ
イズを小型化できる。
層として作用させることができ、また全面コンタクトを
取ることが可能で、光取り出し効率の向上と動作電圧の
低減が可能である。また、ｐ側とｎ側の電極をそれぞれ
チップの上下に設けることができるので、サファイア基
板の上に形成した従来の窒化物系ＬＥＤよりもチップサ
イズを小型化できる。
【００５２】本具体例では、印加電圧２．８Ｖで２０ｍ
Ａの電流が得られ、４５０ｎｍの青色波長帯において１
０ｍＷの光出力が得られた。
Ａの電流が得られ、４５０ｎｍの青色波長帯において１
０ｍＷの光出力が得られた。
【００５３】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。本実施形態においては、サファイアなどの基
板の表面に予め加工を施した後に窒化物系半導体層をエ
ピタキシャル成長させ、基板を容易且つ確実に剥離す
る。
説明する。本実施形態においては、サファイアなどの基
板の表面に予め加工を施した後に窒化物系半導体層をエ
ピタキシャル成長させ、基板を容易且つ確実に剥離す
る。
【００５４】図６は、本発明の第２実施形態を説明する
ための概念図である。すなわち、同図は基板部分の工程
断面図であり、１０１はサファイア基板、１０２は空
隙、１０３はＧａＮエピタキシャル層、１０４は多結晶
化したＧａＮをそれぞれ表す。
ための概念図である。すなわち、同図は基板部分の工程
断面図であり、１０１はサファイア基板、１０２は空
隙、１０３はＧａＮエピタキシャル層、１０４は多結晶
化したＧａＮをそれぞれ表す。
【００５５】本実施形態においては、まず、図６（ａ）
に示したように、サファイア基板１０１の表面に凹部を
形成する。具体的には、サファイア基板１０１に図示し
ないマスクをつけ、ドライエッチング法を用いて例えば
幅２μｍで深さ３μｍを溝を形成する。
に示したように、サファイア基板１０１の表面に凹部を
形成する。具体的には、サファイア基板１０１に図示し
ないマスクをつけ、ドライエッチング法を用いて例えば
幅２μｍで深さ３μｍを溝を形成する。
【００５６】次に、マスクを除去し、図６（ｂ）に示し
たように、ハイドライドＶＰＥ法を用いてＧａＮ層１０
３をエピタキシャル成長する。ガリウム（Ｇａ）の原料
としては金属ガリウム、窒素（Ｎ）の原料としてはアン
モニアを用い、ガリウムの輸送担体としては塩化水素
（ＨＣｌ）を用い、結晶成長温度を約９５０℃として８
時間成長することにより、約１００μｍのＧａＮ層１０
３をエピタキシャル成長させることができる。このエピ
タキシャル成長により、基板１０１の凹部の上が塞がれ
て、空隙１０２が形成される。また、この際に、基板１
０１の空隙１０２の底面には、多結晶状のＧａＮ１０４
が堆積する。
たように、ハイドライドＶＰＥ法を用いてＧａＮ層１０
３をエピタキシャル成長する。ガリウム（Ｇａ）の原料
としては金属ガリウム、窒素（Ｎ）の原料としてはアン
モニアを用い、ガリウムの輸送担体としては塩化水素
（ＨＣｌ）を用い、結晶成長温度を約９５０℃として８
時間成長することにより、約１００μｍのＧａＮ層１０
３をエピタキシャル成長させることができる。このエピ
タキシャル成長により、基板１０１の凹部の上が塞がれ
て、空隙１０２が形成される。また、この際に、基板１
０１の空隙１０２の底面には、多結晶状のＧａＮ１０４
が堆積する。
【００５７】エピタキシャル成長の後に、室温まで降温
すると、図６（ｃ）に示したように、エピタキシャル成
長したＧａＮ層１０３から基板１０１が剥離する。これ
は、降温時に、基板１０１とＧａＮ層１０３との間に、
熱収縮率の差による歪みに起因してクラックが発生する
ためであると考えられる。本実施形態によれば、空隙１
０２を設けることにより、このようなクラックの発生を
促進させ、基板１０１の容易且つ確実に剥離することが
できる。
すると、図６（ｃ）に示したように、エピタキシャル成
長したＧａＮ層１０３から基板１０１が剥離する。これ
は、降温時に、基板１０１とＧａＮ層１０３との間に、
熱収縮率の差による歪みに起因してクラックが発生する
ためであると考えられる。本実施形態によれば、空隙１
０２を設けることにより、このようなクラックの発生を
促進させ、基板１０１の容易且つ確実に剥離することが
できる。
【００５８】また、基板１０１を剥離するには、エピタ
キシャル成長温度から冷却する方法の他にも、熱的ある
いは機械的な衝撃を印加するあらゆる方法を用いること
ができる。例えば、エピタキシャル成長後に室温まで冷
却して基板１０１が剥離しない場合には、ＲＴＡ（Rapi
d Thermal Annealing ）のような方法により急加熱・急
冷を施すことにより、基板１０１とＧａＮ層１０３との
間にクラックを生じさせ基板１０１を剥離することがで
きる。または、後に詳述するように、基板１０１の裏面
側から、ＧａＮの吸収率が高い波長のレーザ光を照射す
ることにより、界面付近のＧａＮを蒸発させ、基板を剥
離することができる。または、各種の治具あるい超音波
などをもちいて機械的な応力ないし衝撃を与えることに
よっても、基板を容易且つ確実に剥離することができ
る。
キシャル成長温度から冷却する方法の他にも、熱的ある
いは機械的な衝撃を印加するあらゆる方法を用いること
ができる。例えば、エピタキシャル成長後に室温まで冷
却して基板１０１が剥離しない場合には、ＲＴＡ（Rapi
d Thermal Annealing ）のような方法により急加熱・急
冷を施すことにより、基板１０１とＧａＮ層１０３との
間にクラックを生じさせ基板１０１を剥離することがで
きる。または、後に詳述するように、基板１０１の裏面
側から、ＧａＮの吸収率が高い波長のレーザ光を照射す
ることにより、界面付近のＧａＮを蒸発させ、基板を剥
離することができる。または、各種の治具あるい超音波
などをもちいて機械的な応力ないし衝撃を与えることに
よっても、基板を容易且つ確実に剥離することができ
る。
【００５９】このようにして得られた厚さ約１００μｍ
のＧａＮ層１０３の表面はミラー状であり、ｎ型の導電
性を示し、キャリア濃度はおよそ１０17ｃｍ-3であっ
た。キャリア濃度は、エピタキシャル成長の際のドーピ
ングにより調節することができる。また、このようにし
て得られた厚さ約１００μｍのＧａＮ層１０３を溶融水
酸化カリウム中で約３５０℃においてエッチングしたと
ころ、エッチピットはおよそ１０6 ｃｍ-2オーダーであ
った。従来の方法により、平坦なサファイア基板上に成
長させたままのＧａＮ層のエッチピット密度が約１０8
ｃｍ-2であることと比較すると、本実施形態によれば大
きな改善が得られたといえる。
のＧａＮ層１０３の表面はミラー状であり、ｎ型の導電
性を示し、キャリア濃度はおよそ１０17ｃｍ-3であっ
た。キャリア濃度は、エピタキシャル成長の際のドーピ
ングにより調節することができる。また、このようにし
て得られた厚さ約１００μｍのＧａＮ層１０３を溶融水
酸化カリウム中で約３５０℃においてエッチングしたと
ころ、エッチピットはおよそ１０6 ｃｍ-2オーダーであ
った。従来の方法により、平坦なサファイア基板上に成
長させたままのＧａＮ層のエッチピット密度が約１０8
ｃｍ-2であることと比較すると、本実施形態によれば大
きな改善が得られたといえる。
【００６０】次に、図６（ｄ）に示したように、このよ
うにして得られた低欠陥密度のＧａＮ層１０３を基板と
して、その上に所定の素子構造１０６をエピタキシャル
成長させる。さらに、必要に応じて、図示しない電極や
保護膜などを形成する。
うにして得られた低欠陥密度のＧａＮ層１０３を基板と
して、その上に所定の素子構造１０６をエピタキシャル
成長させる。さらに、必要に応じて、図示しない電極や
保護膜などを形成する。
【００６１】なお、図６（ｂ）に示したようにハイドラ
イドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０３を成長した後に、ウ
ェーハを室温まで冷却してもサファイア基板１０１が剥
離しない場合には、そのまま、ウェーハをＭＯＣＶＤ装
置に導入してレーザの素子構造１０６を成長しても良
い。しかる後に、前述したような方法により熱的あるい
は機械的な衝撃を加えることにより、サファイア基板１
０１を容易且つ確実に剥離することができる。
イドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０３を成長した後に、ウ
ェーハを室温まで冷却してもサファイア基板１０１が剥
離しない場合には、そのまま、ウェーハをＭＯＣＶＤ装
置に導入してレーザの素子構造１０６を成長しても良
い。しかる後に、前述したような方法により熱的あるい
は機械的な衝撃を加えることにより、サファイア基板１
０１を容易且つ確実に剥離することができる。
【００６２】本実施形態においても、剥離したサファイ
ア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受けな
いので、これを再利用して次の結晶成長に用いることが
できる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半導
体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産する
ことが可能となる。
ア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受けな
いので、これを再利用して次の結晶成長に用いることが
できる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半導
体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産する
ことが可能となる。
【００６３】ここで、本実施形態においてサファイア基
板１０１の表面に形成する凹部は、図６（ａ）に示した
ような溝には限定されず、その他の各種の形状のもので
も良い。すなわち、その上に成長するＧａＮ層１０３に
より塞ぐことができ、また、クラックを生じさせて基板
の剥離を容易にする形状であれば良く、平行に形成され
た複数の溝の他に、互いに交差する複数の溝や、多数の
独立した孔であっても良い。このような孔の開口形状と
しては、円形の他に、楕円形や多角形などの種々の形状
が挙げられ、不定形であっても良い。
板１０１の表面に形成する凹部は、図６（ａ）に示した
ような溝には限定されず、その他の各種の形状のもので
も良い。すなわち、その上に成長するＧａＮ層１０３に
より塞ぐことができ、また、クラックを生じさせて基板
の剥離を容易にする形状であれば良く、平行に形成され
た複数の溝の他に、互いに交差する複数の溝や、多数の
独立した孔であっても良い。このような孔の開口形状と
しては、円形の他に、楕円形や多角形などの種々の形状
が挙げられ、不定形であっても良い。
【００６４】また、本発明者の試作の結果によれば、サ
ファイア基板１０１の表面に形成する凹部の幅をＡ、深
さをＢ、隣接する凹部間の距離をＣとした場合に、Ａ≦
ＣかつＡ≦Ｂなる関係とすると良好な結果が得られる傾
向が認められた。すなわち、このような条件とすると、
クラックの発生を容易にしつつ、凹部をＧａＮ層１０３
により塞ぐことができる。
ファイア基板１０１の表面に形成する凹部の幅をＡ、深
さをＢ、隣接する凹部間の距離をＣとした場合に、Ａ≦
ＣかつＡ≦Ｂなる関係とすると良好な結果が得られる傾
向が認められた。すなわち、このような条件とすると、
クラックの発生を容易にしつつ、凹部をＧａＮ層１０３
により塞ぐことができる。
【００６５】図７は、本実施形態により製造した半導体
レーザ装置の構造の一例を表す概略断面図である。すな
わち、同図においては、基板として用いるＧａＮ層１０
３が向かって上側に示されている。同図中２０６はｎ型
クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、層厚４０ｎｍ、Ａ
ｌＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、層厚
４０ｎｍ、全膜厚０．８μｍ）、２０７はＧａＮ光閉じ
込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２０８はＩｎO.2
ＧａO.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸
層２ｎｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）、２０９はＧａＮ光
閉じ込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２１０は第１
のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１
×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．
１μｍ）、２１１はｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層
（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１
０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、２１２は第２のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、
２１３はｐ型ＧａＮコンタクト層をそれぞれ表す。
レーザ装置の構造の一例を表す概略断面図である。すな
わち、同図においては、基板として用いるＧａＮ層１０
３が向かって上側に示されている。同図中２０６はｎ型
クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、層厚４０ｎｍ、Ａ
ｌＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、層厚
４０ｎｍ、全膜厚０．８μｍ）、２０７はＧａＮ光閉じ
込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２０８はＩｎO.2
ＧａO.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸
層２ｎｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）、２０９はＧａＮ光
閉じ込め層（アンドープ、０．１μｍ）、２１０は第１
のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１
×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．
１μｍ）、２１１はｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層
（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１
０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、２１２は第２のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）、
２１３はｐ型ＧａＮコンタクト層をそれぞれ表す。
【００６６】具体的な成長手順としては、まず、ＧａＮ
層１０３の上にクラッド層２０６〜電流狭窄層２１１ま
でを成長する。その後、成長室からウェーハを取り出
し、電流を流す部分を選択的にエッチングしてクラッド
層２１０を露出させる。次に、再び成長室にウェーハを
導入し、第２のクラッド層２１２とコンタクト層２１３
を成長する。レーザの素子構造１０６の一連の成長は、
ＭＯＣＶＤ法により行うことができる。
層１０３の上にクラッド層２０６〜電流狭窄層２１１ま
でを成長する。その後、成長室からウェーハを取り出
し、電流を流す部分を選択的にエッチングしてクラッド
層２１０を露出させる。次に、再び成長室にウェーハを
導入し、第２のクラッド層２１２とコンタクト層２１３
を成長する。レーザの素子構造１０６の一連の成長は、
ＭＯＣＶＤ法により行うことができる。
【００６７】このようにして成長したウェーハに図示し
ない電極を形成し、へき開してチップ化し、ヒートシン
ク３００にマウントすることよりレーザ装置が完成す
る。このようにして形成したレーザ装置は、チップの上
側にｎ側電極を有し、下側にｐ側電極を有する。
ない電極を形成し、へき開してチップ化し、ヒートシン
ク３００にマウントすることよりレーザ装置が完成す
る。このようにして形成したレーザ装置は、チップの上
側にｎ側電極を有し、下側にｐ側電極を有する。
【００６８】本発明により製造された半導体発光素子
は、従来のサファイア基板上に形成された発光素子と比
較して、極めて良質の結晶性を有し、電気的光学的特性
が顕著に改善される。しかも、前述した第１実施形態と
同様に、ｐ側とｎ側電極をそれぞれ素子の上下に設ける
ことができるので、コンタクト面積を拡大して素子抵抗
を低減させ、チップサイズも小型化することができる。
は、従来のサファイア基板上に形成された発光素子と比
較して、極めて良質の結晶性を有し、電気的光学的特性
が顕著に改善される。しかも、前述した第１実施形態と
同様に、ｐ側とｎ側電極をそれぞれ素子の上下に設ける
ことができるので、コンタクト面積を拡大して素子抵抗
を低減させ、チップサイズも小型化することができる。
【００６９】また、チップの上下方向に電流を流すこと
ができるために、素子中の欠陥が極端に減少し、レーザ
の信頼性が大きく向上した。すなわち、信頼性試験の結
果、室温で５０ｍＷの動作条件において１０万時間を越
える寿命が予想される結果が得られた。
ができるために、素子中の欠陥が極端に減少し、レーザ
の信頼性が大きく向上した。すなわち、信頼性試験の結
果、室温で５０ｍＷの動作条件において１０万時間を越
える寿命が予想される結果が得られた。
【００７０】図８は、本実施形態により製造される半導
体レーザ装置の第２の具体例を表す概略断面図である。
同図関しては、図７と同様の部分には、同一の符号を付
して詳細な説明は省略する。図８のレーザ装置は、ヒー
トシンク３００とは反対側の表面にｐ側電極２６０とｎ
側電極２５０が形成されている。
体レーザ装置の第２の具体例を表す概略断面図である。
同図関しては、図７と同様の部分には、同一の符号を付
して詳細な説明は省略する。図８のレーザ装置は、ヒー
トシンク３００とは反対側の表面にｐ側電極２６０とｎ
側電極２５０が形成されている。
【００７１】このタイプの素子を作成するには、素子構
造１０６の形成までは、図７に前述した工程と同じで良
いが、その次にｎ側電極２５０を形成するためのエッチ
ングが必要となる。すなわち、はじめにｐ側電極２６０
をパターニングして形成する。次に、ｐ側電極２６０が
作成される部分にはＳｉ０2 などによるマスクを形成
し、それ以外の部分をドライエッチング法により選択的
にエッチングしてｎ型ＧａＮ層１０３を露出させる。Ｓ
ｉ０2 を除去した後に、ｎ側電極を形成する部分とｐ側
電極以外をＳｉ０2 電流リーク防止膜２４０で覆う。最
後に、ｎ側電極２５０を形成する。
造１０６の形成までは、図７に前述した工程と同じで良
いが、その次にｎ側電極２５０を形成するためのエッチ
ングが必要となる。すなわち、はじめにｐ側電極２６０
をパターニングして形成する。次に、ｐ側電極２６０が
作成される部分にはＳｉ０2 などによるマスクを形成
し、それ以外の部分をドライエッチング法により選択的
にエッチングしてｎ型ＧａＮ層１０３を露出させる。Ｓ
ｉ０2 を除去した後に、ｎ側電極を形成する部分とｐ側
電極以外をＳｉ０2 電流リーク防止膜２４０で覆う。最
後に、ｎ側電極２５０を形成する。
【００７２】図８に示したレーザ装置の場合には、従来
の装置と異なりサファイア基板がヒートシンクと活性層
との間に存在しないので、熱の放出が効率的に行われレ
ーザの熱特性、寿命、及び発光効率が大きく向上した。
の装置と異なりサファイア基板がヒートシンクと活性層
との間に存在しないので、熱の放出が効率的に行われレ
ーザの熱特性、寿命、及び発光効率が大きく向上した。
【００７３】次に、本実施形態の変形例について説明す
る。 図９は、本発明の第２実施形態の変形例を表す概
略工程断面図である。本具体例においては、まず、図９
（ａ）に示したように、サファイア基板１０１の上にハ
イドライドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０７を約１μｍの
層厚に成長する。
る。 図９は、本発明の第２実施形態の変形例を表す概
略工程断面図である。本具体例においては、まず、図９
（ａ）に示したように、サファイア基板１０１の上にハ
イドライドＶＰＥ法によりＧａＮ層１０７を約１μｍの
層厚に成長する。
【００７４】次に、図９（ｂ）に示したように溝を形成
する。具体的には、図示しないマスクを形成し、ドライ
エッチング法を用いて例えば幅２μｍで深さ３μｍのエ
ッチングを施して溝１０２を形成する。
する。具体的には、図示しないマスクを形成し、ドライ
エッチング法を用いて例えば幅２μｍで深さ３μｍのエ
ッチングを施して溝１０２を形成する。
【００７５】次に、図９（ｃ）に示したように、ＧａＮ
層を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度ハイド
ライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚のＧａＮ
層１０３を成長する。この際に、予め成長したＧａＮ層
１０７がエピタキシャル成長の結晶核となり、溝１０２
を安定して塞ぐことができる。
層を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度ハイド
ライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚のＧａＮ
層１０３を成長する。この際に、予め成長したＧａＮ層
１０７がエピタキシャル成長の結晶核となり、溝１０２
を安定して塞ぐことができる。
【００７６】その後、室温まで冷却することにより、図
９（ｄ）に示したように、サファイア基板１０１を剥離
することができる。この後、得られたＧａＮ層１０３と
１０７の積層体を新たな基板としてＭＯＣＶＤ装置に導
入し、所定の素子構造を成長することができる。
９（ｄ）に示したように、サファイア基板１０１を剥離
することができる。この後、得られたＧａＮ層１０３と
１０７の積層体を新たな基板としてＭＯＣＶＤ装置に導
入し、所定の素子構造を成長することができる。
【００７７】なお、ＧａＮ層１０３を成長後にサファイ
ア基板１０１が剥離しない場合には、ウェーハをそのま
まＭＯＣＶＤ層に導入し、所定の素子構造を形成してか
ら、熱的あるいは機械的な負荷を加えることによって応
力を印加し、サファイア基板１０１を剥離しても良い。
ア基板１０１が剥離しない場合には、ウェーハをそのま
まＭＯＣＶＤ層に導入し、所定の素子構造を形成してか
ら、熱的あるいは機械的な負荷を加えることによって応
力を印加し、サファイア基板１０１を剥離しても良い。
【００７８】本具体例においても、図６〜図８に関して
前述した種々の効果を同様に得ることができる。さら
に、本具体例においては、サファイア基板１０１の上に
予めＧａＮ層１０７を成長することにより、その上のＧ
ａＮ層１０３の成長が容易となり、溝１０２を安定して
塞ぐとともに、この上に成長する素子構造の結晶性をさ
らに向上させることができる。
前述した種々の効果を同様に得ることができる。さら
に、本具体例においては、サファイア基板１０１の上に
予めＧａＮ層１０７を成長することにより、その上のＧ
ａＮ層１０３の成長が容易となり、溝１０２を安定して
塞ぐとともに、この上に成長する素子構造の結晶性をさ
らに向上させることができる。
【００７９】次に、本実施形態の第２の変形例について
説明する。 図１０は、本発明の第２実施形態の第２変
形例を表す概略工程断面図である。本具体例において
は、まず、図１０（ａ）に示したように、サファイア基
板１０１の上に溝１０２を形成する。具体的には、サフ
ァイア基板にダイシングカッターで例えば幅２０μｍ、
深さ２０μｍの溝を約４０μｍ間隔で形成する。
説明する。 図１０は、本発明の第２実施形態の第２変
形例を表す概略工程断面図である。本具体例において
は、まず、図１０（ａ）に示したように、サファイア基
板１０１の上に溝１０２を形成する。具体的には、サフ
ァイア基板にダイシングカッターで例えば幅２０μｍ、
深さ２０μｍの溝を約４０μｍ間隔で形成する。
【００８０】次に、図１０（ｂ）に示したように溝の底
部にマスク層１０８を堆積する。具体的には、溝１０２
以外の部分に図示しないマスクを形成し、Ｓｉ０2 など
を堆積してマスク層１０８とする。この場合、マスク層
１０８となるＳｉ０2 の厚さはサファイアの溝の深さで
ある２０μｍ以下であれば良く、例えば１μｍとするこ
とができる。
部にマスク層１０８を堆積する。具体的には、溝１０２
以外の部分に図示しないマスクを形成し、Ｓｉ０2 など
を堆積してマスク層１０８とする。この場合、マスク層
１０８となるＳｉ０2 の厚さはサファイアの溝の深さで
ある２０μｍ以下であれば良く、例えば１μｍとするこ
とができる。
【００８１】次に、図９（ｃ）に示したように、ＧａＮ
層１０３を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度
ハイドライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚の
ＧａＮ層１０３を成長する。この際に、溝１０２の底部
に予めマスク層１０８を設けたことにより、ＧａＮの異
常成長を防ぐことができる。すなわち、サファイア基板
の溝１０２の底部は、ダイシングなどによる加工の際の
歪みが残留している場合が多い。このような歪みは、そ
の上に成長するＧａＮの異常成長を引き起こすことがあ
り、このために、溝１０２がＧａＮ層１０３によりうま
く塞がれず、その上に成長する素子構造部の結晶性が劣
化するという事態が生ずることがある。
層１０３を成長する。具体的には、ウェーハをもう一度
ハイドライド成長装置に導入し、約１００μｍの層厚の
ＧａＮ層１０３を成長する。この際に、溝１０２の底部
に予めマスク層１０８を設けたことにより、ＧａＮの異
常成長を防ぐことができる。すなわち、サファイア基板
の溝１０２の底部は、ダイシングなどによる加工の際の
歪みが残留している場合が多い。このような歪みは、そ
の上に成長するＧａＮの異常成長を引き起こすことがあ
り、このために、溝１０２がＧａＮ層１０３によりうま
く塞がれず、その上に成長する素子構造部の結晶性が劣
化するという事態が生ずることがある。
【００８２】本変形例においては、溝１０２の底部にＳ
ｉＯ２などのマスク層１０８を設けることにより、Ｇａ
Ｎの異常成長を抑止し、良好な結晶品質を有する窒化物
系半導体のエピタキシャル層を得ることができる。
ｉＯ２などのマスク層１０８を設けることにより、Ｇａ
Ｎの異常成長を抑止し、良好な結晶品質を有する窒化物
系半導体のエピタキシャル層を得ることができる。
【００８３】本変形例により、およそ１００μｍの層厚
のＧａＮ層１０３を成長したところ、その表面はミラー
状の平坦面となり、光学顕微鏡で観察しても穴（ピッ
ト）などの目立った表面パターンは見られなかった。ま
た、ＧａＮ層１０３を成長したウェーハをハイドライド
成長装置を取り出したところ、ほとんどのウェーハはサ
ファイア基板から剥離していた。剥離しなかったウェー
ハを、純水の中で超音波洗浄した結果、５分程度でサフ
ァイア基板１０１が剥離した。
のＧａＮ層１０３を成長したところ、その表面はミラー
状の平坦面となり、光学顕微鏡で観察しても穴（ピッ
ト）などの目立った表面パターンは見られなかった。ま
た、ＧａＮ層１０３を成長したウェーハをハイドライド
成長装置を取り出したところ、ほとんどのウェーハはサ
ファイア基板から剥離していた。剥離しなかったウェー
ハを、純水の中で超音波洗浄した結果、５分程度でサフ
ァイア基板１０１が剥離した。
【００８４】さらに、得られたＧａＮ層１０３の上に図
７および図８と同様のレーザ素子を作製したところ、ほ
ぼ同様の特性が得られた。一方、剥離したサファイア基
板について通常の前処理を行い、再びＧａＮ層１０３を
成長したところ、前に得られたＧａＮ層１０３と同様の
高品質の結晶が得られた。
７および図８と同様のレーザ素子を作製したところ、ほ
ぼ同様の特性が得られた。一方、剥離したサファイア基
板について通常の前処理を行い、再びＧａＮ層１０３を
成長したところ、前に得られたＧａＮ層１０３と同様の
高品質の結晶が得られた。
【００８５】このように、本変型例によっても、容易且
つ確実にサファイア基板を剥離し、極めて良質の結晶性
を有するＧａＮ層を得ることができる。また、窒化物系
半導体からなる半導体素子の生産コストのうちで大きな
部分を占めるサファイア基板を再利用でき、顕著なコス
トダウンも併せて実現することができる。
つ確実にサファイア基板を剥離し、極めて良質の結晶性
を有するＧａＮ層を得ることができる。また、窒化物系
半導体からなる半導体素子の生産コストのうちで大きな
部分を占めるサファイア基板を再利用でき、顕著なコス
トダウンも併せて実現することができる。
【００８６】次に、本発明の第３の実施の形態について
説明する。 図１１は、本発明の第３の実施の形態を表
す要部工程断面図である。 また、図１２は、本実施形
態により製造されるレーザ装置の一例を表す概略断面図
である。 まず、図１２に示したレーザ装置の構成を説
明すると、同図中の符号４０２はｐ側電極、４０３はｐ
型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、３〜５×１０19ｃ
ｍ-3、０．０１μｍ）、４０４は第１のＡｌＧａＮクラ
ッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．７μ
ｍ）、４０５はＡｌＧａＮ電流狭窄層（Ｓｉドープ、３
〜５×１０18ｃｍ-3、０．２μｍ）、４０６は第２のＡ
ｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ
-3、Ｏ．１μｍ）、４０７はＡｌＧａＮオーバーフロー
防止層、４０８はＧａＮガイド層（アンドープ、０．１
μｍ）、４０９はＭＱＷ（Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ
0.03Ｇａ0.97Ｎ、３周期）活性層、４１０はＧａＮガイ
ド層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．１μ
ｍ）、、４１１はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドー
プ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．８μｍ）、４１２はｎ
型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃ
ｍ-3、０．０１μｍ）、４１３はＧａリッチｎ型ＧａＮ
層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．０１μ
ｍ）、４１４はｎ側電極である。また、同図中５００は
ヒートシンクである。
説明する。 図１１は、本発明の第３の実施の形態を表
す要部工程断面図である。 また、図１２は、本実施形
態により製造されるレーザ装置の一例を表す概略断面図
である。 まず、図１２に示したレーザ装置の構成を説
明すると、同図中の符号４０２はｐ側電極、４０３はｐ
型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ、３〜５×１０19ｃ
ｍ-3、０．０１μｍ）、４０４は第１のＡｌＧａＮクラ
ッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．７μ
ｍ）、４０５はＡｌＧａＮ電流狭窄層（Ｓｉドープ、３
〜５×１０18ｃｍ-3、０．２μｍ）、４０６は第２のＡ
ｌＧａＮクラッド層（Ｍｇドープ、３〜５×１０18ｃｍ
-3、Ｏ．１μｍ）、４０７はＡｌＧａＮオーバーフロー
防止層、４０８はＧａＮガイド層（アンドープ、０．１
μｍ）、４０９はＭＱＷ（Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ／Ｉｎ
0.03Ｇａ0.97Ｎ、３周期）活性層、４１０はＧａＮガイ
ド層（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、０．１μ
ｍ）、、４１１はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（Ｓｉドー
プ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．８μｍ）、４１２はｎ
型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃ
ｍ-3、０．０１μｍ）、４１３はＧａリッチｎ型ＧａＮ
層（Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、０．０１μ
ｍ）、４１４はｎ側電極である。また、同図中５００は
ヒートシンクである。
【００８７】このようなレーザ素子は、サファイア基板
１０１の上にエピタキシャル成長することにより製造す
ることができる。すなわち、図１１（ａ）に示したよう
に、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１の上に素
子構造部４０１を成長する。
１０１の上にエピタキシャル成長することにより製造す
ることができる。すなわち、図１１（ａ）に示したよう
に、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１０１の上に素
子構造部４０１を成長する。
【００８８】具体的には、まず、ＧａＮ層４１２からＡ
ｌＧａＮ電流狭窄層４０５までをこの順番にサファイア
基板１０１の上に成長する。この後、ＭＯＣＶＤ装置の
成長室よりウェーハを取り出し、電流狭窄層４０５上の
一部にマスクを形成しクラッド層４０６が露出するまで
エッチングを行い一部を除去し、電流が流れる部分を設
けた後、再成長を行いクラッド層４０４とコンタクト層
４０３を成長する。
ｌＧａＮ電流狭窄層４０５までをこの順番にサファイア
基板１０１の上に成長する。この後、ＭＯＣＶＤ装置の
成長室よりウェーハを取り出し、電流狭窄層４０５上の
一部にマスクを形成しクラッド層４０６が露出するまで
エッチングを行い一部を除去し、電流が流れる部分を設
けた後、再成長を行いクラッド層４０４とコンタクト層
４０３を成長する。
【００８９】次に、図１１（ｂ）に示したように、サフ
ァイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射する。す
ると、ＧａＮ層４１２が電界により分解され、ガリウム
（Ｇａ）と窒素（Ｎ）に分かれて窒素が蒸発し、図１１
（ｃ）に示したようにサファイア基板１０１を剥離する
ことができる。
ァイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射する。す
ると、ＧａＮ層４１２が電界により分解され、ガリウム
（Ｇａ）と窒素（Ｎ）に分かれて窒素が蒸発し、図１１
（ｃ）に示したようにサファイア基板１０１を剥離する
ことができる。
【００９０】ここで照射するレーザ光としては、サファ
イア基板１０１の上に成長されたＧａＮ層４１２におい
て吸収率が高い波長の光とすることが望ましい。具体的
には、例えば窒素レーザを用いることができる。また、
基板を安定して剥離するためには、レーザ光の照射密度
は、２０ＭＷ／ｃｍ2 以上とすることが望ましい。但
し、結晶が多結晶であったり、ＩｎＧａＮのようなＩｎ
（インジウム）を含む層である場合には、１ＭＷ／ｃｍ
2 程度でも基板を剥離することが可能であった。
イア基板１０１の上に成長されたＧａＮ層４１２におい
て吸収率が高い波長の光とすることが望ましい。具体的
には、例えば窒素レーザを用いることができる。また、
基板を安定して剥離するためには、レーザ光の照射密度
は、２０ＭＷ／ｃｍ2 以上とすることが望ましい。但
し、結晶が多結晶であったり、ＩｎＧａＮのようなＩｎ
（インジウム）を含む層である場合には、１ＭＷ／ｃｍ
2 程度でも基板を剥離することが可能であった。
【００９１】このようにしてサファイア基板１０１を剥
離すると、ＧａＮ層４１２の剥離面においてＧａＮがガ
リウム（Ｇａ）と窒素とに分離し、表面付近の窒素が乖
離してＧａリッチＧａＮ層４１３が形成される。
離すると、ＧａＮ層４１２の剥離面においてＧａＮがガ
リウム（Ｇａ）と窒素とに分離し、表面付近の窒素が乖
離してＧａリッチＧａＮ層４１３が形成される。
【００９２】このようにしてサファイア基板１０１を剥
離した素子構造４０１の上下に電極４０２、４１４を形
成し、へき開してチップ化する。ＧａリッチＧａＮ層４
１３の上にｎ側電極４１４を形成する際には、電極とＧ
ａＮ層４１３とが合金化しやすく、接触抵抗を従来より
も小さくすることができるという利点が得られる。
離した素子構造４０１の上下に電極４０２、４１４を形
成し、へき開してチップ化する。ＧａリッチＧａＮ層４
１３の上にｎ側電極４１４を形成する際には、電極とＧ
ａＮ層４１３とが合金化しやすく、接触抵抗を従来より
も小さくすることができるという利点が得られる。
【００９３】その後、ｐ側電極４０２をヒートシンク５
００に接合させる。ｐ側電極と金属ヒートシンクを接合
するためには、高真空中でそれぞれの表面を水素やアル
ゴンなどのプラズマにより処理することが望ましい。こ
の場合には、ヒートシンクの表面は、銅（Ｃｕ）、アル
ミニウム（Ａｌ）またはそのいずれかの合金によりコー
ティングされていることが望ましい。このようにして接
合すれば、従来用いていたようなＩｎ（インジウム）や
ガリウム（Ｇａ）あるいはすず（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）な
どの低融点金属半田を用いた場合に問題となっていた金
属の這い上がりによる電流リークを解消することができ
る。
００に接合させる。ｐ側電極と金属ヒートシンクを接合
するためには、高真空中でそれぞれの表面を水素やアル
ゴンなどのプラズマにより処理することが望ましい。こ
の場合には、ヒートシンクの表面は、銅（Ｃｕ）、アル
ミニウム（Ａｌ）またはそのいずれかの合金によりコー
ティングされていることが望ましい。このようにして接
合すれば、従来用いていたようなＩｎ（インジウム）や
ガリウム（Ｇａ）あるいはすず（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）な
どの低融点金属半田を用いた場合に問題となっていた金
属の這い上がりによる電流リークを解消することができ
る。
【００９４】このようして製造したレーザ装置を動作さ
せたところ、しきい値７０ｍＡで室温で連続発振した。
また、発振波長は４１０ｎｍであり、動作電圧は３．１
Ｖであった。さらに、サファイア基板を介することなく
ヒートシンクにマウントすることにより、レーザの放熱
特性は従来のものに比べて５倍向上した。また、共振器
面をへき開により安定して形成することができるために
端面反射率が高く、また、高反射コートを施した場合に
も面の荒れが少ないので高反射が容易に得られる。これ
らの効果により、しきい値を始めとする諸特性を改善す
ることができる。
せたところ、しきい値７０ｍＡで室温で連続発振した。
また、発振波長は４１０ｎｍであり、動作電圧は３．１
Ｖであった。さらに、サファイア基板を介することなく
ヒートシンクにマウントすることにより、レーザの放熱
特性は従来のものに比べて５倍向上した。また、共振器
面をへき開により安定して形成することができるために
端面反射率が高く、また、高反射コートを施した場合に
も面の荒れが少ないので高反射が容易に得られる。これ
らの効果により、しきい値を始めとする諸特性を改善す
ることができる。
【００９５】また、サファイア基板上に形成した従来の
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
【００９６】さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
【００９７】また、本実施形態においても、剥離したサ
ファイア基板を再利用することにより、製造コストを大
幅に低減することもできる。
ファイア基板を再利用することにより、製造コストを大
幅に低減することもできる。
【００９８】従来は、プロセス中の取扱いの容易さや結
晶成長時に用いる基板の関係上、研磨などにより薄膜化
を行うものの、その全体の厚みは、１００μｍ程度であ
った。しかし、このように厚い素子では、素子の特に活
性層から発生した熱を放出するため際の熱抵抗及び熱容
量が大きくなる。また、厚みが限定以上になると、熱の
分布により素子中の歪みが大きくなり、特性の劣化を引
き起こす。
晶成長時に用いる基板の関係上、研磨などにより薄膜化
を行うものの、その全体の厚みは、１００μｍ程度であ
った。しかし、このように厚い素子では、素子の特に活
性層から発生した熱を放出するため際の熱抵抗及び熱容
量が大きくなる。また、厚みが限定以上になると、熱の
分布により素子中の歪みが大きくなり、特性の劣化を引
き起こす。
【００９９】本発明者は、このような素子の厚みと特性
の関係を調べた。下記の表は、素子の厚みと、寿命試験
により得られた素子寿命（時間）との関係を表すもので
ある。
の関係を調べた。下記の表は、素子の厚みと、寿命試験
により得られた素子寿命（時間）との関係を表すもので
ある。
【０１００】
ここで、素子Ａは、ヒートシンクに接している窒化物層
がＧａＮであるレーザ素子であり、素子Ｂは、ヒートシ
ンクに接している窒化物層がＡｌＧａＮ（Ａｌ組成は５
％）、素子Ｃは、ヒートシンクに接している窒化物層が
ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成は１０％）のレーザ素子である。
いずれの素子構成の場合にも、素子の厚みが薄くなる方
が寿命が良好であることが分かる。素子の構造によりば
らつきがあるが、素子の厚みがおよそ２０μｍよりも薄
くなると寿命が安定している。つまり、本実施形態にお
いて、素子の部分の厚みを２０μｍ以下とすると、良好
な寿命が得られる。
がＧａＮであるレーザ素子であり、素子Ｂは、ヒートシ
ンクに接している窒化物層がＡｌＧａＮ（Ａｌ組成は５
％）、素子Ｃは、ヒートシンクに接している窒化物層が
ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成は１０％）のレーザ素子である。
いずれの素子構成の場合にも、素子の厚みが薄くなる方
が寿命が良好であることが分かる。素子の構造によりば
らつきがあるが、素子の厚みがおよそ２０μｍよりも薄
くなると寿命が安定している。つまり、本実施形態にお
いて、素子の部分の厚みを２０μｍ以下とすると、良好
な寿命が得られる。
【０１０１】ここで、サファイア基板を剥離して得られ
る素子部の厚みが２０μｍ以下の場合にも、通常は、既
存の製造方法によりで製造することは十分に可能であ
る。しかし、ハンドリングが容易でない場合には、サフ
ァイア基板を剥離する前に、ｐ側電極を形成し、適当な
基板を貼り付けてハンドリングを行えば良い。この場合
に、貼り付ける基板として、へき開性のある基板を用
い、素子のＧａＮ層とへき開方向が平行になるように貼
り付けることが望ましい。このようにすれば、レーザの
端面を形成する際のへき開を円滑に行うことができる。
このような基板としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮなどを用いることができる。この
基板は、主要なプロセスが終了した時点で剥離すれば良
い。このようにすれば、素子の厚みが薄い場合において
も、ハンドリング性が向上し生産効率を改善することが
できる。
る素子部の厚みが２０μｍ以下の場合にも、通常は、既
存の製造方法によりで製造することは十分に可能であ
る。しかし、ハンドリングが容易でない場合には、サフ
ァイア基板を剥離する前に、ｐ側電極を形成し、適当な
基板を貼り付けてハンドリングを行えば良い。この場合
に、貼り付ける基板として、へき開性のある基板を用
い、素子のＧａＮ層とへき開方向が平行になるように貼
り付けることが望ましい。このようにすれば、レーザの
端面を形成する際のへき開を円滑に行うことができる。
このような基板としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｉ
ｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮなどを用いることができる。この
基板は、主要なプロセスが終了した時点で剥離すれば良
い。このようにすれば、素子の厚みが薄い場合において
も、ハンドリング性が向上し生産効率を改善することが
できる。
【０１０２】次に、本実施形態の第２の具体例について
説明する。 図１３は、本実施形態の第２の具体例を表
す概略断面図である。 すなわち、同図は、サファイア
基板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。同図
に関しては、図１２について前述した部分と同一の部分
には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
説明する。 図１３は、本実施形態の第２の具体例を表
す概略断面図である。 すなわち、同図は、サファイア
基板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。同図
に関しては、図１２について前述した部分と同一の部分
には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１０３】図１３に示した具体例においては、結晶成
長の際にいわゆるラテラル成長を行い結晶の欠陥を低減
する。具体的には、サファイア基板１０１の上にＧａＮ
層５０２を成長し、成長室より取り出してＧａＮ層５０
２の一部を覆うように選択的にＳｉＯ2 層５０３を形成
する。その後、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＳｉＯ2
層５０３の間隙に露出するＧａＮ層５０２を結晶成長の
核として面内方向にＧａＮを成長させるラテラル成長に
より、ＧａＮ層５０４を成長する。
長の際にいわゆるラテラル成長を行い結晶の欠陥を低減
する。具体的には、サファイア基板１０１の上にＧａＮ
層５０２を成長し、成長室より取り出してＧａＮ層５０
２の一部を覆うように選択的にＳｉＯ2 層５０３を形成
する。その後、再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、ＳｉＯ2
層５０３の間隙に露出するＧａＮ層５０２を結晶成長の
核として面内方向にＧａＮを成長させるラテラル成長に
より、ＧａＮ層５０４を成長する。
【０１０４】その後、ｎ型コンタクト層４１２からｐ型
コンタクト層４０３までの各層を成長する。しかる後
に、サファイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射
して基板１０１を剥離し、ＧａＮ層５０４、ＳｉＯ2 層
５０３、ＧａＮ層５０４をドライエッチングにより除去
してコンタクト層４１２を露出させる。さらに、電極を
形成してレーザ素子が完成する。
コンタクト層４０３までの各層を成長する。しかる後
に、サファイア基板１０１の裏面側からレーザ光を照射
して基板１０１を剥離し、ＧａＮ層５０４、ＳｉＯ2 層
５０３、ＧａＮ層５０４をドライエッチングにより除去
してコンタクト層４１２を露出させる。さらに、電極を
形成してレーザ素子が完成する。
【０１０５】本変形例によれば、サファイア基板１０１
の上に窒化物系半導体の層をエピタキシャル成長するに
際して、いわゆるラテラル成長を採用することにより、
素子の各層の結晶欠陥を大幅に減少し、発光特性や電気
特性さらに素子寿命を向上させることができる。
の上に窒化物系半導体の層をエピタキシャル成長するに
際して、いわゆるラテラル成長を採用することにより、
素子の各層の結晶欠陥を大幅に減少し、発光特性や電気
特性さらに素子寿命を向上させることができる。
【０１０６】次に、本実施形態の第３の具体例について
説明する。 図１４は、本実施形態の第３の具体例を表
す概略断面図である。すなわち、同図は、サファイア基
板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。まず、
サファイア基板１０１の上にＧａＮ層６０１を成長し、
成長装置からウェーハを取り出し、一部分を残してＳｉ
０2 膜６０２で表面を覆う。この後、再び成長を行う。
すなわち、ＧａＮバッファ層６０３、ＩｎＧａＮ層６０
４、ｎ型ＧａＮ層６０５、ｎ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格
子クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、４０ｎｍ、Ａｌ
ＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４０ｎ
ｍ、全膜厚Ｏ．８μｍ）６０６、ＧａＮ光閉じ込め層
（アンドープ、Ｏ．１μｍ）６０７、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸層２ｎ
ｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）６０８、ＧａＮ光閉じ込め
層（アンドープ、０．１μｍ）６０９、第１のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）６
１０、ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層（Ｓｉドー
プ、１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃ
ｍ-3、０．１μｍ）６１１をこの順に成長する。
説明する。 図１４は、本実施形態の第３の具体例を表
す概略断面図である。すなわち、同図は、サファイア基
板１０１の上に素子構造を形成した状態を表す。まず、
サファイア基板１０１の上にＧａＮ層６０１を成長し、
成長装置からウェーハを取り出し、一部分を残してＳｉ
０2 膜６０２で表面を覆う。この後、再び成長を行う。
すなわち、ＧａＮバッファ層６０３、ＩｎＧａＮ層６０
４、ｎ型ＧａＮ層６０５、ｎ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格
子クラッド層（ＧａＮ層：アンドープ、４０ｎｍ、Ａｌ
ＧａＮ層：Ｓｉドープ、３〜５×１０18ｃｍ-3、４０ｎ
ｍ、全膜厚Ｏ．８μｍ）６０６、ＧａＮ光閉じ込め層
（アンドープ、Ｏ．１μｍ）６０７、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8
Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層（アンドープ、井戸層２ｎ
ｍ、障壁層４ｎｍ、３周期）６０８、ＧａＮ光閉じ込め
層（アンドープ、０．１μｍ）６０９、第１のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）６
１０、ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層（Ｓｉドー
プ、１×１０18ｃｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃ
ｍ-3、０．１μｍ）６１１をこの順に成長する。
【０１０７】その後成長室からウェーハを取り出し、電
流を流す部分をエッチングにより選択的に除去して第１
のクラッド層６１０を露出させ、さらに第２のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）６
１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層６１３を成長する。この
状態を表したものが図１４である。
流を流す部分をエッチングにより選択的に除去して第１
のクラッド層６１０を露出させ、さらに第２のｐ型Ａｌ
0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、１×１０18ｃ
ｍ-3、Ｓｉドープ、１×１０17ｃｍ-3、０．１μｍ）６
１２、ｎ型ＧａＮコンタクト層６１３を成長する。この
状態を表したものが図１４である。
【０１０８】この後、サファイア基板１０１の裏面から
レーザ光を照射して基板１０１を剥離する。ここで、レ
ーザ光の波長として、ＧａＮに対しては透明でＩｎＧａ
Ｎに対して吸収率が高い波長を用いることにより、Ｉｎ
ＧａＮ層６０４にレーザ光を吸収させて電界によりＩｎ
ＧａＮが分解され、サファイア基板１０１とともにＧａ
Ｎ層６０１、Ｓｉ０2 膜６０２およびＧａＮバッファ層
６０３を剥離することができる。
レーザ光を照射して基板１０１を剥離する。ここで、レ
ーザ光の波長として、ＧａＮに対しては透明でＩｎＧａ
Ｎに対して吸収率が高い波長を用いることにより、Ｉｎ
ＧａＮ層６０４にレーザ光を吸収させて電界によりＩｎ
ＧａＮが分解され、サファイア基板１０１とともにＧａ
Ｎ層６０１、Ｓｉ０2 膜６０２およびＧａＮバッファ層
６０３を剥離することができる。
【０１０９】ＩｎＧａＮ層６０４のＩｎ（インジウム）
組成比が２０％程度の場合には、レーザ光の波長は４０
０ｎｍ前後がよい。
組成比が２０％程度の場合には、レーザ光の波長は４０
０ｎｍ前後がよい。
【０１１０】このようにして剥離した後、素子の両面に
それぞれ電極を形成し、へき開してチップ化する。これ
をヒートシンク５００の上にマウントすることにより、
図１５に示したような半導体レーザ装置が完成する。
それぞれ電極を形成し、へき開してチップ化する。これ
をヒートシンク５００の上にマウントすることにより、
図１５に示したような半導体レーザ装置が完成する。
【０１１１】また、図１６は、ヒートシンク５００と反
対側の表面においてｐ側電極とｎ側電極を形成した例を
表す概略断面図である。このレーザ素子も、前述したも
のと同様に、サファイア基板上に各層を結晶成長し、基
板の裏面からレーザ光を照射することにより基板を剥離
して形成することができる。図１６の素子の構成は、図
８に関して前述したものと概略同様であるので、ここで
は同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
対側の表面においてｐ側電極とｎ側電極を形成した例を
表す概略断面図である。このレーザ素子も、前述したも
のと同様に、サファイア基板上に各層を結晶成長し、基
板の裏面からレーザ光を照射することにより基板を剥離
して形成することができる。図１６の素子の構成は、図
８に関して前述したものと概略同様であるので、ここで
は同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【０１１２】本実施形態においても、サファイア基板を
容易且つ確実に剥離することができるので、前述した第
１実施形態や第２実施形態と同様の効果を得ることがで
きる。さらに、本実施形態においては、サファイア基板
を剥離して得られる素子の厚みを２０ｕｍ以下とするこ
とにより、前述したように寿命を改善することができ
る。
容易且つ確実に剥離することができるので、前述した第
１実施形態や第２実施形態と同様の効果を得ることがで
きる。さらに、本実施形態においては、サファイア基板
を剥離して得られる素子の厚みを２０ｕｍ以下とするこ
とにより、前述したように寿命を改善することができ
る。
【０１１３】次に、本発明により得られるスタック（積
層）型レーザについて説明する。
層）型レーザについて説明する。
【０１１４】図１７は、本発明により得られるスタック
型レーザの構成を例示する概念図である。すなわち、本
発明のスタック型レーザ７００は、レーザ素子７０１を
縦横に積層した構成を有する。それぞれのレーザ素子７
０１の間には、ヒートシンク７０２が設けられ、電極と
しての役割も有する。また、一端に正極側の電極７１０
が設けられ、他端に負極側の電極７２０が設けられる。
レーザ素子７０１は、前述した第１乃至第３実施形態に
より製造することができ、それぞれ素子の上下にｐ側コ
ンタクトとｎ側コンタクトを有するものである。電流の
注入は、上下の電極７１０、７２０を介して行う。
型レーザの構成を例示する概念図である。すなわち、本
発明のスタック型レーザ７００は、レーザ素子７０１を
縦横に積層した構成を有する。それぞれのレーザ素子７
０１の間には、ヒートシンク７０２が設けられ、電極と
しての役割も有する。また、一端に正極側の電極７１０
が設けられ、他端に負極側の電極７２０が設けられる。
レーザ素子７０１は、前述した第１乃至第３実施形態に
より製造することができ、それぞれ素子の上下にｐ側コ
ンタクトとｎ側コンタクトを有するものである。電流の
注入は、上下の電極７１０、７２０を介して行う。
【０１１５】このようなスタック型レーザにより超高出
力が得られる。図１７においては、５行５列にレーザ素
子７０１を積層したレーザを例示したが、素子の個数は
何個でもよい。本発明によれば、これらのレーザ素子７
０１にはサファイア基板がないので放熱特性が良好で非
常にコンパクトなスタック型レーザが得られる。これに
より得られるレーザビームスポットは、固体レーザやガ
スレーザとほぼ同じサイズも可能であり大口径の平行ビ
ームが得られる。
力が得られる。図１７においては、５行５列にレーザ素
子７０１を積層したレーザを例示したが、素子の個数は
何個でもよい。本発明によれば、これらのレーザ素子７
０１にはサファイア基板がないので放熱特性が良好で非
常にコンパクトなスタック型レーザが得られる。これに
より得られるレーザビームスポットは、固体レーザやガ
スレーザとほぼ同じサイズも可能であり大口径の平行ビ
ームが得られる。
【０１１６】本発明によれば、特に高出力でビームスポ
ットが小さいことと、半導体レーザゆえに高速変調がで
きることを利用することによりレーザプロジェクタの光
源としても非常に理想的なスタック型レーザが実現され
る。
ットが小さいことと、半導体レーザゆえに高速変調がで
きることを利用することによりレーザプロジェクタの光
源としても非常に理想的なスタック型レーザが実現され
る。
【０１１７】本発明者の実験の結果、図１７のレーザに
電流を注入したところ、動作電圧１５Ｖで発振しきい値
１５０ｍＡ、駆動電流１０Ａにおいて出力９０Ｗの発光
特性が得られた。スタック型レーザを構成しているレー
ザ素子７０１の厚みが２０μｍ程度なので、５段重ねた
場合には、ヒートシンク７０２の厚さを加えても、全体
の厚みは数ｍｍ程度である。
電流を注入したところ、動作電圧１５Ｖで発振しきい値
１５０ｍＡ、駆動電流１０Ａにおいて出力９０Ｗの発光
特性が得られた。スタック型レーザを構成しているレー
ザ素子７０１の厚みが２０μｍ程度なので、５段重ねた
場合には、ヒートシンク７０２の厚さを加えても、全体
の厚みは数ｍｍ程度である。
【０１１８】従来の高出力スタック型レーザにおいて
は、積層前の個々のレーザ素子の電極間の厚みが１００
μｍ以上もあり、つまり、レーザ素子の発光点の間隔が
このような素子の厚みの分だけあった。このようなレー
ザでは、それぞれの素子から放出されるレーザビームは
独立したものであり、ある素子から放出された光が隣接
する素子に与える影響は極めて小さかった。
は、積層前の個々のレーザ素子の電極間の厚みが１００
μｍ以上もあり、つまり、レーザ素子の発光点の間隔が
このような素子の厚みの分だけあった。このようなレー
ザでは、それぞれの素子から放出されるレーザビームは
独立したものであり、ある素子から放出された光が隣接
する素子に与える影響は極めて小さかった。
【０１１９】これに対して、本発明によれば、個々のレ
ーザ素子７０１の厚みを２０μｍ程度とすることによっ
て発光点が近接し、相互に隣接するレーザ素子からの光
の影響をうけるようになる。その結果として、個々のレ
ーザ素子７０１は、隣接する素子の活性層からの光によ
り励起されやすくなり、発光効率が上昇する。
ーザ素子７０１の厚みを２０μｍ程度とすることによっ
て発光点が近接し、相互に隣接するレーザ素子からの光
の影響をうけるようになる。その結果として、個々のレ
ーザ素子７０１は、隣接する素子の活性層からの光によ
り励起されやすくなり、発光効率が上昇する。
【０１２０】図１８は、本発明によるスタック型レーザ
の変形例を表す概念図である。すなわち、同図のスタッ
ク型レーザにおいては、ヒートシンク７０４としてダイ
ヤモンド薄膜を用い、電流注入のための電極７０３をダ
イヤモンド薄膜７０４の上にパターニングして形成する
ことにより、レーザ素子７０１のそれぞれを個別に制御
することが可能である。
の変形例を表す概念図である。すなわち、同図のスタッ
ク型レーザにおいては、ヒートシンク７０４としてダイ
ヤモンド薄膜を用い、電流注入のための電極７０３をダ
イヤモンド薄膜７０４の上にパターニングして形成する
ことにより、レーザ素子７０１のそれぞれを個別に制御
することが可能である。
【０１２１】また、それぞれの素子７０１の電極とヒー
トシンク７０４の上の電極とを接合するために高真空中
でそれぞれの表面を水素やアルゴンなどのプラズマによ
り処理し接合することにより、これまで用いていたよう
な低融点金属を用いた場合に問題となっていた金属の這
い上がりによる電流リークを抑えることができる。
トシンク７０４の上の電極とを接合するために高真空中
でそれぞれの表面を水素やアルゴンなどのプラズマによ
り処理し接合することにより、これまで用いていたよう
な低融点金属を用いた場合に問題となっていた金属の這
い上がりによる電流リークを抑えることができる。
【０１２２】また、ヒートシンク７０４の上下から圧力
を加えることにより、結晶に歪みがかかりバレンスバン
ドのパンドスプリッティングが生じ、状態密度が小さく
なるのでしきい値の低減が図れる。同時に密着性が良く
なり熱抵抗が減少する。
を加えることにより、結晶に歪みがかかりバレンスバン
ドのパンドスプリッティングが生じ、状態密度が小さく
なるのでしきい値の低減が図れる。同時に密着性が良く
なり熱抵抗が減少する。
【０１２３】本発明のスタック型レーザをレーザプロジ
ェクタに使用したところ１０００インチの大型画面であ
っても屋外で日中に鑑賞可能な輝度の高い高品位なプロ
ジェクタが実現された。また、これまではガスレーザを
用いていたので１５００ｋｇもあったプロジェクタ装置
の重量を５０ｋｇに減少することができた。
ェクタに使用したところ１０００インチの大型画面であ
っても屋外で日中に鑑賞可能な輝度の高い高品位なプロ
ジェクタが実現された。また、これまではガスレーザを
用いていたので１５００ｋｇもあったプロジェクタ装置
の重量を５０ｋｇに減少することができた。
【０１２４】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。
【０１２５】例えば、各具体例において用いたサファイ
ア基板の他に、サファイアに限定されず、その他にも、
例えば、スピネル、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ4 、ＬａＳ
ｒＧａＯ4 、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 などの絶縁
性基板や、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの導電性
基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができ
る。また、II−VI族化合物半導体を基板として用いるこ
ともできる。ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ4 基板の場合に
は、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 基
板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。
ア基板の他に、サファイアに限定されず、その他にも、
例えば、スピネル、ＭｇＯ、ＳｃＡｌＭｇＯ4 、ＬａＳ
ｒＧａＯ4 、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 などの絶縁
性基板や、ＳｉＣ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓなどの導電性
基板も同様に用いてそれぞれの効果を得ることができ
る。また、II−VI族化合物半導体を基板として用いるこ
ともできる。ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ4 基板の場合に
は、（０００１）面、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ3 基
板の場合には（１１１）面を用いることが望ましい。
【０１２６】また、各具体例において示した発光素子の
構造は一例に過ぎず、その構成は当業者が種々に変形す
ることができる。例えば、各層の導電型は、反転させる
ことが可能であり、また、活性層として多重量子井戸構
造を採用したり、また、種々の電流狭窄構造を採用して
も良い。
構造は一例に過ぎず、その構成は当業者が種々に変形す
ることができる。例えば、各層の導電型は、反転させる
ことが可能であり、また、活性層として多重量子井戸構
造を採用したり、また、種々の電流狭窄構造を採用して
も良い。
【０１２７】さらに、本発明は半導体レーザに限定され
ず、発光ダイオードやその他の窒化物系半導体をもちい
た発光素子に対して同様に適用して同様の効果を得るこ
とができる。
ず、発光ダイオードやその他の窒化物系半導体をもちい
た発光素子に対して同様に適用して同様の効果を得るこ
とができる。
【０１２８】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。
施され、以下に説明する効果を奏する。
【０１２９】まず、本発明によれば、サファイア基板を
容易且つ確実に剥離することができるので、サファイア
基板との格子のズレによる結晶性の低下を解消すること
ができる。その結果として、従来よりもはるかに品質の
高い結晶を得ることができ、半導体発光素子の電気的、
光学的特性を改善するとともに、寿命も伸ばすことがで
きる。
容易且つ確実に剥離することができるので、サファイア
基板との格子のズレによる結晶性の低下を解消すること
ができる。その結果として、従来よりもはるかに品質の
高い結晶を得ることができ、半導体発光素子の電気的、
光学的特性を改善するとともに、寿命も伸ばすことがで
きる。
【０１３０】また、本発明によれば、サファイア基板を
剥離することにより、レーザの端面を形成するためのへ
き開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、従来
の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面を安
定して形成することができ、レーザの発振特性を大きく
改善することができる。
剥離することにより、レーザの端面を形成するためのへ
き開を容易且つ確実に行うことができる。つまり、従来
の窒化物系半導体のレーザ素子よりも鏡面状の端面を安
定して形成することができ、レーザの発振特性を大きく
改善することができる。
【０１３１】また、サファイア基板上に形成した従来の
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
素子では、メサを形成し、同じ表面からｐ側とｎ側の電
極をとっていたが、これと比較して本実施形態によれば
リーク電流が減少する。
【０１３２】さらに、窒化物系半導体とは熱膨張係数の
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
異なるサファイア基板がないためにレーザの動作時の発
熱による歪みが生じず素子の寿命が向上する。また、サ
ファイア基板とＧａＮ界面で生じていた光反射がないた
めに発振モードが安定しており、しきい値も低下する。
【０１３３】しかも、本発明によれば、剥離したサファ
イア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受け
ないので、これを再利用して次の結晶成長に用いること
ができる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半
導体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産す
ることが可能となる。
イア基板は基板剥離によってもほとんどダメージを受け
ないので、これを再利用して次の結晶成長に用いること
ができる。これにより、欠陥の少ない良質な窒化物系半
導体のエピタキシャル結晶を多量にコストも安く生産す
ることが可能となる。
【０１３４】以上詳述したように、本発明によれば、高
性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を低コストで
提供することができるようになり、その有用性は絶大で
ある。
性能且つ高信頼性を有する半導体発光素子を低コストで
提供することができるようになり、その有用性は絶大で
ある。
【図１】 本発明の第１の実施の形態にかかる半導体発
光素子の製造方法を例示する工程断面図である。
光素子の製造方法を例示する工程断面図である。
【図２】図１のＧａＮ１２、ＡｌＧａＮ層１３、ＧａＮ
層１４の部分を表す要部拡大断面図である。
層１４の部分を表す要部拡大断面図である。
【図３】「リフトオフ層」としてＩｎＧａＮを用いた場
合を例示する要部断面図である。
合を例示する要部断面図である。
【図４】第１実施形態により作製した半導体レーザを例
示する概略断面図である。
示する概略断面図である。
【図５】図４と同様な製造方法により作製した発光ダイ
オードを表す概略断面図である。
オードを表す概略断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態を説明するための概念図
である。
である。
【図７】第２実施形態により製造した半導体レーザの構
造の一例を表す概略断面図である。
造の一例を表す概略断面図である。
【図８】第２実施形態により製造されるレーザ素子の別
の具体例を表す概略断面図である。
の具体例を表す概略断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態の第１変型例を表す概略
工程断面図である。
工程断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の第２変型例を表す概
略工程断面図である。
略工程断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態を表す要部工程断
面図である。
面図である。
【図１２】第３実施形態により製造されるレーザ素子の
一例を表す概略断面図である。
一例を表す概略断面図である。
【図１３】第３実施形態の第２の具体例を表す概略断面
図である。
図である。
【図１４】第３実施形態の第３の具体例を表す概略断面
図である。
図である。
【図１５】第３実施形態による半導体レーザ装置を表す
概略断面図である。
概略断面図である。
【図１６】ヒートシンク５００と反対側の表面において
ｐ側電極とｎ側電極を形成した例を表す概略断面図であ
る。
ｐ側電極とｎ側電極を形成した例を表す概略断面図であ
る。
【図１７】本発明により得られるスタック型レーザの構
成を例示する概念図である。
成を例示する概念図である。
【図１８】本発明によるスタック型レーザの変形例を表
す概念図である。
す概念図である。
１２ ＧａＮ層
１３ ＡｌＧａＮ層
１４ ＧａＮ層
１５ ＧａＮ層
１６ 多層構造部
１７ 治具
１８ ｐ側電極
１９ ｎ側電極
２０Ａ クラック
２０Ｂ 空隙
２０Ｃ ピット
２１ ＩｎＧａＮ層
２４ ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
２５ ＧａＮ光導波層
２６ 多重量子井戸構造からなる活性層部
２７ ＧａＮ光導波層
２８ ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
２９ ｎ型ＩｎＧａＮからなる電流狭窄層
３０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ ｐ側電極
３２ ｎ側電極
３４ ｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
３５ 多重量子井戸構造（ＭＱＷ）活性層
３６ ｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層
３７ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３８ ｐ側電極
３９ ｎ側電極
４０ チップキャリヤ
１０１ サファイア基板
１０２ 空隙
１０３ ＧａＮエピタキシャル層
１０４ 多結晶化したＧａＮ
１０６ 素子構造
１０７ ＧａＮ層
１０８ マスク層
２０６ ｎ型クラッド層
２０７ ＧａＮ光閉じ込め層
２０８ ＩｎO.2 ＧａO.8 Ｎ／ＧａＮ−ＭＱＷ活性層
２０９ ＧａＮ光閉じ込め層
２１０ 第１のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層
２１１ ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層
２１２ 第２のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層
２１３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２４０ 保護膜
２５０ ｎ側電極
２６０ ｐ側電極
３００ ヒートシンク
４０１ 素子構造部
４０２ ｐ側電極
４０３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４０４ 第１のＡｌＧａＮクラッド層
４０５ ＡｌＧａＮ電流狭窄層
４０６ 第２のＡｌＧａＮクラッド層
４０７ ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層
４０８ ＧａＮガイド層
４０９ ＭＱＷ活性層
４１０ ＧａＮガイド層
４１１ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４１２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４１３ Ｇａリッチｎ型ＧａＮ層
４１４ ｎ側電極
５００ ヒートシンク
６０１ ＧａＮ層
６０２ Ｓｉ０2 膜
６０３ ＧａＮパツファ層
６０４ ＩｎＧａＮ層
６０５ ｎ型ＧａＮ層
６０６ ｎ型ＧａＮクラッド層
６０７ ＧａＮ光閉じ込め層
６０８ 活性層
６０９ ＧａＮ光閉じ込め層
６１０ 第１のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層
６１１ ｎ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ電流狭窄層
６１２ 第２のｐ型Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層
６１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７００ スタック型レーザ
７０１ レーザ素子
７０２ ヒートシンク
７０３ 電極
７０４ ヒートシンク
７１０ 電極
７２０ 電極
フロントページの続き
(72)発明者 西 尾 譲 司
神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式
会社東芝 研究開発センター内
(72)発明者 布 上 真 也
神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式
会社東芝 研究開発センター内
(56)参考文献 特開2000−12979（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−135500（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−234595（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
H01S 5/00 - 5/50
C30B 1/00 - 35/00
Claims (3)
- 【請求項１】基板の表面に凹部を設ける工程と、 前記凹部を塞ぐように前記基板の上に窒化物系半導体か
らなる層を設ける工程と、 前記基板と前記窒化物系半導体からなる層とを分離する
工程と、 を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項２】前記分離する工程は、温度を変化させるこ
とにより行うことを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子の製造方法。 - 【請求項３】前記分離する工程は、超音波を印加するこ
とにより行うことを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子の製造方法。
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