(57)【要約】  【課題】  本発明は、GaN系紫色レーザの共振器端面をへき開で高歩留りで形成する方法を提供することを目的とする。  【解決手段】  基板の主面上に成長した窒化物系III-Ｖ族化合物からなる半導体層において、前記基板の裏面をスクライブすることによって、前記半導体層をへき開する工程を特徴とする半導体発光素子の製造方法。【選択図】  図３
2004312050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上に成長した窒化物系III-Ｖ族化合物からなる半導体層において、前記基板の裏面をスクライブすることによって、前記半導体層をへき開する工程を特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
基板がサファイアであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
サファイア基板の主面上に成長した第１の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層の表面をストライプ状に凹凸加工するか、もしくは第１の半導体層上に絶縁膜を間隔をおいてストライプ状に形成して、その上に第２の窒化物系III-Ｖ族化合物半導体を平面方向に選択成長した後、サファイア基板の裏面をスクライブすることによって第１および第２の半導体層をへき開する工程を特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ストライプの形成方向が窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層の＜１−１００＞方向であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
サファイア基板の主面上に成長した第１の半導体層と比較して、選択成長した領域の第２の半導体層の転位密度が低減していることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
選択成長した領域の第２の半導体層が、第１の半導体層もしくは絶縁膜と接することなく空間的に分離していることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板の裏面のスクライブが直線であることを特徴とする請求項１，２，３，４，６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
サファイア基板と窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層とを合わせた総膜厚が１５０mm以下に研磨する工程を特徴とする請求項２，３，４，６，７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
基板の裏面のスクライブ傷を起源として、窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層へのクラック伝播によりへき開が完了することを特徴とする請求項１，２，３，４，６，７，８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
スクライブ傷の深さがサファイア基板の裏面から６０mm以下であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
同じ位置を複数回スクライブすることにより、へき開を完了することを特徴とする請求項１，２，３，４，６，７，８，９，１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
スクライブ時のスクライブ荷重が最終回で最大とすることにより、へき開を完了することを特徴とする請求項１１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
サファイア基板の（１１−２０）面をへき開して窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層の（１−１００）面をへき開することを特徴とする請求項２，３，４，６，７，８，９，１０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
窒化物系III-Ｖ族化合物半導体層の（１−１００）面が上記半導体層で構成される半導体レーザの共振器端面となることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、AlInGaN系のIII-V族化合物半導体で構成される、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域の発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の高密度光ディスク用光源として青紫色の光を発するレーザダイオードに対する要望が高まり、特に、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域で動作可能な窒化ガリウム（GaN）系のIII-V族化合物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている。しかしながら、安価で大口径のGaNバルク基板が存在しないために、GaN系半導体はサファイア（Al2O3）、炭化珪素（SiC）、シリコン（Si）、ガリウム砒素（GaAs）などの基板上にヘテロエピタキシャル成長させることが一般的である。現在、結晶成長雰囲気での熱的安定性などの観点からサファイアが基板として最も多く使用されている。しかしながら、レーザ用としてサファイア基板を用いる場合には、GaN系半導体のへき開方向とサファイア基板のへき開方向が異なるために、端面の垂直性や平坦性に優れたレーザ共振器端面の形成が容易でない。また、最近、レーザの長寿命化のために、サファイア基板上に成長したGaN系半導体に二酸化珪素（SiO2）などの絶縁膜を堆積し、この絶縁膜上にGaN系半導体を選択成長し貫通転位密度を低減する手法が採用されている。この手法をレーザに適用した第１の文献「Applied Physics Letters, Vol.76 (2000) 529-531」および第２の文献「Japanese Journal of Applied Physics, Vol.39 (2000) L647-650」がある。第２の文献によれば、GaNの＜１-１００＞方向、言い換えるとサファイア基板の＜１１-２０＞方向にストライプ状のSiO2膜を形成することで、選択成長したGaN系半導体が平坦につながり、低転位基板として利用できるようになることが示されている。しかしながら、サファイア基板の（１１-２０）面（Ａ面）は（１-１００）面（Ｍ面）と比較して、へき開性が乏しい。このため、上記第２の文献によれば、レーザ共振器端面の形成にはへき開でなくドライエッチングが使用されている。共振器端面をドライエッチングで形成すると、ドライエッチングの際のマスク形状などにより端面の垂直性や平坦性が顕著に影響を受けるため、その制御は困難であり、へき開歩留りの低下および製造コストの高騰を招く。そこで、我々は、へき開性に乏しいサファイア基板の（１１-２０）面を精度良くへき開することで、GaN系半導体のへき開面である（１-１００）面でレーザ共振器端面を高歩留りで形成できる方法を見出した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明は、GaN系紫色レーザの共振器端面をへき開で高歩留りで形成する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る第１の半導体発光素子の製造方法は、上記の目的を達成し、基板１の主面上に成長したGaN系半導体において、基板１の裏面をスクライブすることによってGaN系半導体をへき開する工程を備えている。基板１の裏面側をスクライブすることにより、GaN系半導体にダメージを与えることなく、へき開することが可能になる。
【０００５】
第２の半導体発光素子の製造方法は、上記第１の製造方法において、基板１がサファイアであることを特徴とする。現在、GaN系半導体を成長する基板はサファイアが主流であり、スクライブによりサファイア基板を精度よくへき開することが可能である。
【０００６】
本発明に係る第３の半導体発光素子の製造方法は、上記第２の製造方法において、サフ
ァイア基板の主面上に成長した第１のGaN系半導体の表面をストライプ状に凹凸加工するか、もしくは第１の半導体上に絶縁膜を間隔をおいてストライプ状に形成して、その上に第２のGaN系半導体を平面方向に選択成長した後、サファイア基板の裏面をスクライブすることによってGaN系半導体をへき開することを特徴とする。後述するように、選択成長することにより転位密度が低減し、GaN系レーザに適用した場合には信頼性が向上できるようになる。
【０００７】
第４の半導体発光素子の製造方法は、上記第３の製造方法において、ストライプの形成方向がGaN系半導体の＜１−１００＞方向であることを特徴とする。後述するように、ストライプの形成方向を＜１−１００＞方向にすることにより、平面方向に選択成長したGaN系半導体が合体平坦化して基板として利用できるようになる。
【０００８】
本発明に係る第５の半導体発光素子の製造方法は、上記第３および第４の製造方法において、サファイア基板の主面上に成長した第１のGaN系半導体と比較して、選択成長した領域の第２のGaN系半導体の転位密度が低減していることを特徴とする。転位密度が低減した領域が発光領域に位置するように、半導体レーザを作製することにより、レーザ特性として動作電流の低減、長寿命化が可能になる。
【０００９】
第６の半導体発光素子の製造方法は、上記第３、４、５の製造方法において、選択成長した領域の第２のGaN系半導体が、第１のGaN系半導体もしくは絶縁膜と接することなく空間的に分離していることを特徴とする。第２のGaN系半導体の選択成長領域を空間的に分離することにより、へき開時のサファイア基板の影響が緩和され、へき開端面の平坦性および均一性が向上し高歩留り化に寄与する。
【００１０】
第７の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６の製造方法において、サファイア基板の裏面のスクライブが直線的であることを特徴とする。直線スクライブを施すことにより、へき開がスクライブ線に沿って誘発されるため、へき開端面の平坦性および均一性が持続し高歩留り化に寄与する。
【００１１】
本発明に係る第８の半導体発光素子の製造方法は、上記第２、３、４、６、７の製造方法において、サファイア基板とGaN系半導体とを合わせた総膜厚が１５０mm以下に研磨する工程を備えている。この研磨工程により、スクライブによるへき開が容易になり、高歩留り化に寄与する。
【００１２】
第９の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６、７、８の製造方法において、基板の裏面のスクライブ傷を起源として、GaN系半導体へのクラック伝播によりへき開が完了することを特徴とする。スクライブ傷は基板の裏面に物理的に導入されたものであるが、クラック伝播によるGaN系半導体のへき開は結晶学的なへき開性によって導入されるため、へき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００１３】
本発明に係る第１０の半導体発光素子の製造方法は、上記第９の製造方法において、スクライブ傷の深さがサファイア基板の裏面から６０mm以下であることを特徴とする。このスクライブ傷深さにより、クラック伝播によるへき開が容易になり、高歩留り化に寄与する。
【００１４】
第１１の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６、７、８、９、１０の製造方法において、同位置を複数回スクライブすることにより、へき開を完了することを特徴とする。１回のスクライブでへき開を完了する場合、スクライブによるダメージが導入されやすく、へき開歩留りが低下する。このため、複数回のスクライブでへき開が完了するスクライブ条件を適用することにより、スクライブダメージを低減でき、高歩留り
化を実現できる。
【００１５】
本発明に係る第１２の半導体発光素子の製造方法は、上記第１１の製造方法において、スクライブ時のスクライブ荷重が最終回で最大とすることを特徴とする。このスクライブ条件を適用することにより、クラック発生が確実になるため、クラック伝播によるへき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００１６】
第１３の半導体発光素子の製造方法は、上記第２、３、４、６、７、８、９、１０、１１の製造方法において、サファイア基板の（１１−２０）面をへき開してGaN系半導体の（１−１００）面をへき開することを特徴とする。サファイア基板の（１１−２０）面はへき開性に乏しいが、上記のクラック伝播を利用したスクライブによるへき開技術を用いれば容易にへき開できる。この結果、GaN系半導体の（１−１００）面でのへき開が可能になり、へき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００１７】
本発明に係る第１４の半導体発光素子の製造方法は、上記第１３の製造方法において、GaN系半導体の（１−１００）面がGaN系半導体で構成される半導体レーザの共振器端面となることを特徴とする。このレーザ共振器端面は、垂直性および平坦性に優れ、共振器長も均一化できる。この結果、レーザ特性においても、動作電流の低減および均一化が図られ、さらに上記第３、４、５、６の製造方法にあるような選択成長基板を利用することで長寿命化も達成され、レーザ特性の高歩留り化、製造コスト低減に寄与する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る第１の半導体発光素子の製造方法は、上記の目的を達成し、基板１の主面上に成長したGaN系半導体において、基板１の裏面をスクライブすることによってGaN系半導体をへき開する工程を備えている。基板１の裏面側をスクライブすることにより、GaN系半導体にダメージを与えることなく、へき開することが可能になる。
【００１９】
第２の半導体発光素子の製造方法は、上記第１の製造方法において、基板１がサファイアであることを特徴とする。現在、GaN系半導体を成長する基板はサファイアが主流であり、スクライブによりサファイア基板を精度よくへき開することが可能である。
【００２０】
本発明に係る第３の半導体発光素子の製造方法は、上記第２の製造方法において、サファイア基板の主面上に成長した第１のGaN系半導体の表面をストライプ状に凹凸加工するか、もしくは第１の半導体上に絶縁膜を間隔をおいてストライプ状に形成して、その上に第２のGaN系半導体を平面方向に選択成長した後、サファイア基板の裏面をスクライブすることによってGaN系半導体をへき開することを特徴とする。後述するように、選択成長することにより転位密度が低減し、GaN系レーザに適用した場合には信頼性が向上できるようになる。
【００２１】
第４の半導体発光素子の製造方法は、上記第３の製造方法において、ストライプの形成方向がGaN系半導体の＜１−１００＞方向であることを特徴とする。後述するように、ストライプの形成方向を＜１−１００＞方向にすることにより、平面方向に選択成長したGaN系半導体が合体平坦化して基板として利用できるようになる。
【００２２】
本発明に係る第５の半導体発光素子の製造方法は、上記第３および第４の製造方法において、サファイア基板の主面上に成長した第１のGaN系半導体と比較して、選択成長した領域の第２のGaN系半導体の転位密度が低減していることを特徴とする。転位密度が低減した領域が発光領域に位置するように、半導体レーザを作製することにより、レーザ特性として動作電流の低減、長寿命化が可能になる。
【００２３】
第６の半導体発光素子の製造方法は、上記第３、４、５の製造方法において、選択成長した領域の第２のGaN系半導体が、第１のGaN系半導体もしくは絶縁膜と接することなく空間的に分離していることを特徴とする。第２のGaN系半導体の選択成長領域を空間的に分離することにより、へき開時のサファイア基板の影響が緩和され、へき開端面の平坦性および均一性が向上し高歩留り化に寄与する。
【００２４】
第７の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６の製造方法において、サファイア基板の裏面のスクライブが直線的であることを特徴とする。直線スクライブを施すことにより、へき開がスクライブ線に沿って誘発されるため、へき開端面の平坦性および均一性が持続し高歩留り化に寄与する。
【００２５】
本発明に係る第８の半導体発光素子の製造方法は、上記第２、３、４、６、７の製造方法において、サファイア基板とGaN系半導体とを合わせた総膜厚が１５０mm以下に研磨する工程を備えている。この研磨工程により、スクライブによるへき開が容易になり、高歩留り化に寄与する。
【００２６】
第９の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６、７、８の製造方法において、基板の裏面のスクライブ傷を起源として、GaN系半導体へのクラック伝播によりへき開が完了することを特徴とする。スクライブ傷は基板の裏面に物理的に導入されたものであるが、クラック伝播によるGaN系半導体のへき開は結晶学的なへき開性によって導入されるため、へき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００２７】
本発明に係る第１０の半導体発光素子の製造方法は、上記第９の製造方法において、スクライブ傷の深さがサファイア基板の裏面から６０mm以下であることを特徴とする。このスクライブ傷深さにより、クラック伝播によるへき開が容易になり、高歩留り化に寄与する。
【００２８】
第１１の半導体発光素子の製造方法は、上記第１、２、３、４、６、７、８、９、１０の製造方法において、同位置を複数回スクライブすることにより、へき開を完了することを特徴とする。１回のスクライブでへき開を完了する場合、スクライブによるダメージが導入されやすく、へき開歩留りが低下する。このため、複数回のスクライブでへき開が完了するスクライブ条件を適用することにより、スクライブダメージを低減でき、高歩留り化を実現できる。
【００２９】
本発明に係る第１２の半導体発光素子の製造方法は、上記第１１の製造方法において、スクライブ時のスクライブ荷重が最終回で最大とすることを特徴とする。このスクライブ条件を適用することにより、クラック発生が確実になるため、クラック伝播によるへき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００３０】
第１３の半導体発光素子の製造方法は、上記第２、３、４、６、７、８、９、１０、１１の製造方法において、サファイア基板の（１１−２０）面をへき開してGaN系半導体の（１−１００）面をへき開することを特徴とする。サファイア基板の（１１−２０）面はへき開性に乏しいが、上記のクラック伝播を利用したスクライブによるへき開技術を用いれば容易にへき開できる。この結果、GaN系半導体の（１−１００）面でのへき開が可能になり、へき開端面の垂直性および平坦性は優れ高歩留り化を実現できる。
【００３１】
本発明に係る第１４の半導体発光素子の製造方法は、上記第１３の製造方法において、GaN系半導体の（１−１００）面がGaN系半導体で構成される半導体レーザの共振器端面となることを特徴とする。このレーザ共振器端面は、垂直性および平坦性に優れ、共振器長も均一化できる。この結果、レーザ特性においても、動作電流の低減および均一化が図ら
れ、さらに上記第３、４、５、６の製造方法にあるような選択成長基板を利用することで長寿命化も達成され、レーザ特性の高歩留り化、製造コスト低減に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態は、サファイア基板の主面上に結晶成長したGaN系半導体のへき開において、垂直性や平坦性に優れたへき開端面を精度よく高歩留りで形成することを目的とする。尚、本実施形態では基板をサファイアとしたが、その他の基板（SiC、Si、GaAs、GaNなど）においても適用可能である。
【００３３】
以下、本発明の第１の実施形態によるへき開端面の形成方法の詳細について図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１は本実施形態に係る半導体の構成断面図を示している。まず、（０００１）面（Ｃ面）を表面とするサファイア基板１１を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基板１１を有機金属気相成長（MOVPE）装置（図示せず）の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Torr(1Torr=133.322Pa)の水素雰囲気とし、温度を約１１００℃にまで昇温して基板１１を加熱し表面のサーマルクリーニングを約１０分間行なう。
【００３５】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１１の主面上に、供給量7sccmのトリメチルガリウム（TMG）と、供給量が7.5slmのアンモニア（NH3）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが２０nmのGaNよりなる低温バッファ層を成長する。続いて、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、厚さが約1mm のGaN層１２を成長する（図１(a)）。
【００３６】
この後、基板１１を反応炉から取り出し、GaN層１２上に選択成長用の絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は二酸化珪素（SiO2）とし、プラズマＣＶＤ装置で100nm程度堆積させる（図１(b)）。続いて、絶縁膜１３上にレジスト膜１４を塗布し（図１(c)）、フォトリソグラフィー法により、レジスト膜１４の幅を１２mm、レジスト除去幅を３mmのストライプを周期的に形成する（図１(d)）。ただし、このストライプ方向はGaN膜の＜１−１００＞および＜１１−２０＞方向の２通りを準備した。この後、レジスト膜１４をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜１３をフッ酸溶液で除去しGaN層１２を露出させる（図１(e)）。続いて、アセトンなどの有機溶液によりレジスト膜１４を除去する（図１(f)）。
【００３７】
この後、GaN層を選択成長するために、ストライプ状の絶縁膜１３が堆積された基板１１を上記MOVPE装置の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Torrの水素雰囲気とし、温度を約１０００℃にまで昇温して、供給量7sccmのトリメチルガリウム（TMG）と、供給量が7.5slmのアンモニア（NH3）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが約14mm のGaN層１５を選択成長する。
【００３８】
選択成長終了後、基板１１を反応炉から取り出し、走査電子顕微鏡（SEM）を用いて、選択成長したGaN層１５の断面形状を観察した。絶縁膜１３のストライプ方向が＜１−１００＞の場合は、GaNの（０００１）面は消失せずに、絶縁膜１３上に横方向に伸びたGaN層がお互いに合体して平坦化した（図１(g),(h)）。一方、ストライプ方向が＜１１−２０＞の場合は、側壁として（１−１０１）面が出現し（０００１）面が消失して、断面が三角形構造となった（図示せず）。また、この場合、絶縁膜１３上に横方向に伸びるGaN層は横方向成長速度が非常に遅く、合体および平坦化は観察されなかった。さらに、絶縁
膜１３のストライプ方向が＜１−１００＞の場合において、透過電子顕微鏡（TEM）を用いて貫通転位の観察をおこなった。その結果、絶縁膜１３の開口部では貫通転位密度は1E9cm-2程度で転位低減は見られないが、絶縁膜１３上では1E7cm-2程度に転位密度が低減されていることがわかった。以上から、レーザの長寿命化を可能にする低転位GaN膜は、絶縁膜１３のストライプが＜１−１００＞方向で実現できることがわかった。尚、ストライプ状の絶縁膜を形成する代わりに、GaN層１２を＜１−１００＞方向にストライプ状に凹凸加工しても、GaN層１５は選択成長するため、絶縁膜時と同様に転位密度の低減領域を作り出すことができる。
【００３９】
上記のようにGaNの＜１−１００＞方向に絶縁膜を形成した場合、レーザの共振器端面はGaNの（１−１００）面（Ｍ面）で形成することになる。このGaN（１−１００）面は、へき開性に優れレーザ共振器端面に適している。GaN膜１５はサファイア基板１１上に結晶成長されているため、GaN（１−１００）面でのへき開は言い換えると、サファイア基板の（１１−２０）面（Ａ面）でレーザ共振器端面を形成することになる。しかしながら、サファイア基板の（１１−２０）面は（１−１００）面よりもへき開性に乏しいため、垂直性および平坦性に優れた共振器端面の形成が困難である。次に、このへき開に関して我々が見出したへき開技術について述べる。
【００４０】
まず、実用レベルのへき開端面垂直性、平坦性および均一性が得られるへき開歩留りは、サファイア基板とサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体との総膜厚に依存する。この結果を図２に示す。上記のGaN＜１−１００＞方向に絶縁膜を形成し選択成長を施した基板１１の総膜厚は４８０mm程度であるが、サファイア基板の裏面を研磨し５０mmから１５０mmの範囲にすることで、へき開歩留りは70％以上になる。好ましくは６０mmから１３０mm程度に薄膜化することで80％以上になる。ただし、５０mmより薄膜化すると、基板１１の反りが顕著になり、へき開歩留りが低下する。次に、ダイヤモンド針でのスクライブ方向がサファイア基板の＜１−１００＞方向（へき開面は（１１−２０）面）となるように、基板１１をスクライブ装置（図示せず）に固定する。この際、基板１１の主面を粘着シートに貼り、基板１１のサファイア基板の裏面がスクライブ面となるように、その粘着シートをスクライブ装置のステージ上に真空吸着させて固定する（図３(a)）。次に、ダイヤモンド針の荷重を２０gに設定した後、サファイア基板の＜１−１００＞方向に沿って、サファイア基板裏面側を基板１１の端から端まで１〜３回スクライブ（第１スクライブ）する。この時点ではサファイア基板裏面にスクライブ傷が入るだけでへき開されていない（図３(b)）。続いて、ダイヤモンド針の荷重を４０gに重くして、第１スクライブ傷に沿って同位置を基板１１の端から端まで１回スクライブする（第２スクライブ）。この時点でサファイア基板は（１１−２０）面でへき開される（図３(c)）。レーザ共振器端面を形成する際には、このスクライブを共振器長間隔で実施することになる（図３(d)）。
【００４１】
ここで、第１スクライブおよび第２スクライブ時のダイヤモンド針の荷重の選択が、へき開歩留りに重要な影響を及ぼす。基本的には、第１スクライブの荷重はサファイア基板裏面にわずかなスクライブ傷が生じる程度に軽目に設定し、第２スクライブの荷重は第１スクライブの荷重よりも大きく設定することが重要である。図４に、第１スクライブ荷重のへき開歩留り依存性を示す（第２スクライブ荷重は４０g）。図４から、第１スクライブ荷重が５gから４０gの範囲において、へき開歩留りが７０％以上となる。尚、第１スクライブ荷重が１５gから２５gの範囲では、へき開歩留りは８０％以上になる。第１スクライブ荷重が４０gより大きい場合は、スクライブによるダメージが大きくなり、へき開歩留りが低下する。図５に、第２スクライブ荷重のへき開歩留り依存性を示す（第１スクライブ荷重は２０g）。図５から、第２スクライブ荷重が２０gから８０gの範囲において、へき開歩留りが７０％以上となる。尚、第２スクライブ荷重が３０gから５０gの範囲では、へき開歩留りは８０％以上になる。第２スクライブ荷重が８０gよりも大きい場合は、
スクライブによるダメージが大きくなり、へき開歩留りが低下する。また、スクライブ時のダイヤモンド針とサファイア基板の＜１−１００＞方向のスクライブ方向とのなす角度もへき開歩留りに重要であり、この結果を図６に示す。ダイヤモンド針とサファイア基板の＜１−１００＞方向のスクライブ方向とのなす角度が２０°から８０°の範囲に設定することにより、スクライブ時のスクライブ傷がスクライブ垂直方向に対照的に均一になり先鋭化されるため、へき開時の垂直性および平坦性が向上し、へき開歩留りが７０％以上に向上する。尚、ダイヤモンド針の角度が６０°から７５°の範囲でへき開歩留りが８０％以上となり好ましい。
【００４２】
上記のスクライブ手法でへき開した端面のＳＥＭ写真を図７に示す。ただし、図７(a)はへき開端面の全体写真、図７(b)はサファイア基板１１のスクライブ傷付近の拡大写真、図７(c)は選択成長GaN層１５の拡大写真である。図７から、スクライブ傷（６mm深さ）から伝播した平滑なクラックによりGaN膜１５が精度よくへき開されている様子がわかる。尚、GaN層１５が、絶縁膜１３およびGaN膜１２と接することなく空間的に分離している場合には、へき開時にサファイア基板の影響を緩和できるため、GaN層１５のへき開端面は垂直性、平坦性および均一性に優れ高歩留りを実現できる。
【００４３】
次に、図７(b)に見られるスクライブ傷の深さがへき開歩留りに影響を与えることがわかった。この結果を図８に示す。スクライブ傷の深さが２mmから６０mmの範囲において、へき開歩留りが７０％以上となる。尚、スクライブ傷の深さが３mmから３０mmの範囲では、へき開歩留りは８０％以上となる。スクライブ傷が６０mmよりも大きいと、クラック伝播によるへき開効果よりもスクライブ自身によるへき開が主となり、へき開歩留りが低下する。
【００４４】
さらに、スクライブ時のスクライブ速度もへき開歩留りに影響を与えることがわかった（図９）。図９から、スクライブ速度が1秒当たり１０mmから１００mmの範囲で、へき開歩留りが７０％以上となる。尚、スクライブ速度が1秒当たり１０mmから４０mmの範囲では、へき開歩留りが８０％以上となる。スクライブ速度が1秒当たり１０mmよりも遅い場合は、クラック伝播に不均一が生じるため、へき開歩留りが低下する。また、スクライブ速度が1秒当たり１００mmよりも早い場合は、スクライブ傷付近にダメージが生じやすく、へき開歩留りが低下する。
【００４５】
我々が見出した以上のへき開手法を利用することにより、へき開性に乏しいサファイア基板の（１１−２０）面を垂直性・平坦性を保ちながら高歩留りでへき開でき、その結果、へき開性に優れたGaN膜の（１−１００）面でのへき開が可能になった。このへき開手法をレーザ共振器端面の形成に応用することにより、垂直性および平坦性に優れたレーザ端面が高歩留りで形成できるため、レーザ諸特性（しきい値電流、スロープ効率、寿命特性など）が改善でき、高歩留り化および低コスト化が可能になる。
【００４６】
（第２の実施形態）
本発明に係る第２の実施形態は、主に青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域を実現するGaN系発光素子において、主にレーザの共振器端面を高歩留りで形成することを目的とする。
【００４７】
以下、本発明の第２の実施形態による半導体レーザの製造方法の詳細について図面を参照しながら説明する。
【００４８】
図１０〜図１３は本実施形態に係る半導体レーザの構成断面図を各プロセス順に示している。まず、（０００１）面を表面とするサファイア基板１１を酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基板１１を有機金属気相成長（MOVPE）装置（図示せず）の反応
炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Torrの水素雰囲気とし、温度を約１１００℃にまで昇温して基板１１を加熱し表面のサーマルクリーニングを約１０分間行なう。
【００４９】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１１上に、供給量7sccmのトリメチルガリウム（TMG）と、供給量が7.5slmのアンモニア（NH3）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが２０nmのGaNよりなる低温バッファ層を成長する。続いて、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、厚さが約1mm のGaN層１２を成長する（図１０(a)）。
【００５０】
この後、基板１１を反応炉から取り出し、GaN層１２上に選択成長用の絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３は二酸化珪素（SiO2）とし、プラズマＣＶＤ装置で100nm程度堆積させる（図１０(b)）。続いて、絶縁膜１３上にレジスト膜１４を塗布し（図１０(c)）、フォトリソグラフィー法により、レジスト膜１４の幅を１２mm、レジスト除去幅を３mmのストライプを周期的に形成する（図１０(d)）。ただし、第１の実施形態から、このストライプ方向は、選択成長GaN膜が平坦化するGaN膜の＜１−１００＞方向とした。この後、レジスト膜１４をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜１３をフッ酸溶液で除去しGaN層１２を露出させる（図１０(e)）。続いて、アセトンなどの有機溶液によりレジスト膜１４を除去する（図１０(f)）。
【００５１】
この後、GaN層を選択成長するために、ストライプ状の絶縁膜１３が堆積された基板１１を上記MOVPE装置の反応炉内のサセプタに再度保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Torrの水素雰囲気とし、温度を約１０００℃にまで昇温して、供給量7sccmのトリメチルガリウム（TMG）と、供給量が7.5slmのアンモニア（NH3）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが約２mm のGaN層１５を選択成長する。この時点で、選択成長されたGaN層１５は合体平坦化して基板として使用できようになる（図１０(g),(h)）。
【００５２】
続いて、ｎ型ドーパントとしてシラン（SiH4）ガスも供給して、厚さが約２mm
でSi不純物濃度が約1E18cm-3のｎ型GaNよりなるｎ型コンタクト層１６を成長する。次に、トリメチルアルミニウム（TMA）も供給しながら、厚さが約0.7mmでSi不純物濃度が5E17cm-3のｎ型Al0.07Ga0.93Nよりなるｎ型クラッド層１７を成長する。続いて、厚さが約１２０nmでSi不純物濃度が約1E18cm-3のn型GaNよりなる第１の光ガイド層１８を成長した後、温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更して、トリメチルインジウム（TMI）とTMGを供給して厚さが約３nmのIn0.1Ga0.9Nよりなる量子井戸（３層）と厚さが約９nmのGaNバリア層（２層）からなる多重量子井戸活性層１９を成長する。その後、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温しキャリアガスを窒素から水素に戻して、p型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Cp2Mg）ガスを供給しながら、厚さが約２０nmでMg不純物濃度が5E17cm-3のp型 Al0.15Ga0.85N よりなるキャップ層２０を成長する。次に、厚さが約１２０nmでMg不純物濃度が1E18cm-3のp型 GaNよりなる第２の光ガイド層２１を成長する。続いて、厚さが約0.7mmでMg不純物濃度が5E17cm-3のｐ型Al0.07Ga0.93Nよりなるｐ型クラッド層２２を成長する。最後に、厚さが約0.1mmでMg不純物濃度が1E18cm-3のp型GaNよりなるｐ型コンタクト層２３を成長する（図１１(i)）。
【００５３】
成長終了後、まずｐ型半導体層の活性化加熱処理を行う。MOVPE装置の反応炉から基板を取り出し、ｐ型不純物活性化の加熱処理を施すためにアニール炉の中に搬送する。次にアニール炉を真空排気した後、供給量３slmの窒素ガスを導入して大気圧にした後、７５０℃で２０分間の加熱処理をおこなう。加熱処理後、基板を室温まで降温し、アニール炉から取り出す。
【００５４】
加熱処理終了後、基板１１の表面をSiO2よりなる絶縁膜２４で堆積させる（図１１(j)）。続いて、絶縁膜２４上にレジスト膜２５を堆積させ（図１１(k)）、フォトリソグラフィー法によりp型コンタクト層２３のリッジ形成位置（リッジ幅は２mm程度）のみにレジスト膜２５が残るようにする。この際、リッジ形成を絶縁膜１３上の選択成長領域（低転位密度領域）で実施することで、レーザ素子の動作電流低減および長寿命化が実現できる（図１１(l)）。
【００５５】
この後、レジスト膜２５をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜２４をフッ酸溶液で除去しｐ型コンタクト層２３を露出させる（図１２(m)）。
続いて、リッジ形成位置以外をドライエッチング装置でエッチングし、活性層１９上のｐ型層の残し膜厚を５０nm程度にする。その後、アセトンなどの有機溶液によりレジスト膜２４を除去する（図１２(n)）。
【００５６】
次に、ｎ型電極の形成位置以外をSiO2よりなる絶縁膜２６で覆い（図１２(o)）、ドライエッチングでｎ型コンタクト層１６を露出させる（図１２(p)）。また、ｐ側とｎ側の電気的分離はSiO2からなる絶縁膜２７で形成し、リッジ位置のｐ型コンタクト層２３上の絶縁膜２４をフッ酸溶液で除去する（図１３(q)）。
ｎ型電極２８としてTi/Al、p型電極２９としてNi/Pt/Auを形成する。
【００５７】
引続いて、上記の第１の実施形態と同様に、レーザ構造のへき開工程に移る。まず、基板１１をサファイア基板の裏面から研磨し総膜厚を１２０mm程度に薄膜化する。その後、ダイヤモンド針でのスクライブ方向がサファイア基板の＜１−１００＞方向（へき開面は（１１−２０）面）となるように、基板１１をスクライブ装置（図示せず）に固定する。この際、基板１１の主面を粘着シートに貼り、基板１１のサファイア基板の裏面がスクライブ面となるように、その粘着シートをスクライブ装置のステージ上に真空吸着させて固定する。スクライブ条件として、スクライブ速度を１秒当たり１０mm、スクライブ傷の深さを１０mm程度に設定する。次に、ダイヤモンド針の荷重を２０gに設定した後、サファイア基板の＜１−１００＞方向に沿って、サファイア基板裏面側を基板１１の端から端まで１〜３回スクライブする（第１スクライブ）。この時点ではサファイア基板裏面にスクライブ線が入るだけでへき開されていない。続いて、ダイヤモンドの荷重を４０gに変更して、第１スクライブ傷に沿って同位置を基板１１の端から端まで１回スクライブする（第２スクライブ）。この時点でサファイア基板は（１１−２０）面でへき開される。レーザ共振器長は７５０mmとしたため、このスクライブを７５０mm間隔で実施することにより、レーザ共振器端面が形成される。尚、本実施形態のへき開手法によれば、へき開端面の垂直性および平坦性を保ったまま、共振器長を任意に変えることが可能である。実際、共振器長を１００mmに短くした場合でも、精度良くへき開することができた。従来のブレーキングを使用したへき開では、５００mm程度に共振器が短くなるとへき開が困難になったため、本実施形態のへき開手法が短共振器へき開も可能にした。その後、へき開した共振器端面の後面側に反射率が９０％のSiO2及び二酸化チタン（TiO2）よりなる高反射コートを施す。
【００５８】
最後に、サファイア基板の＜１−１００＞方向に同様なスクライブへき開技術を適用して、２次へき開をおこなってレーザチップに分離して、レーザキャンにｐサイドダウンで実装する。
【００５９】
第２の実施形態は、レーザ素子特性に以下に述べる大きな特徴を有している。本実施形態により作製したレーザ素子は、へき開性に乏しいサファイア基板の（１１−２０）面でへき開しているにもかかわらず、共振器端面の垂直性および平坦性に優れるため、
室温連続動作において、しきい値電流が５０mAから４０mA、スロープ効率が０.５から
１.０W/A程度に改善している。従来のレーザ素子は、レーザ共振器端面をブレーキングで形成していたため、へき開端面に荒れが生じ、しきい値電流が高くスロープ効率が低いため、低歩留りであった。この両レーザ素子の電流―光出力特性の比較を図１４および図１５に各々示す。
【００６０】
したがって、本実施形態によるレーザ素子では、低転位領域にリッジストライプ構造を形成しているためレーザの信頼性向上が図られ、またレーザ共振器端面をクラックカッティング法で形成しているため、レーザ諸特性の均一化が図られ歩留り向上に寄与する。この結果、製造コストも低下しレーザ単価を低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板の主面上に選択成長したGaN系半導体の構成断面図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る、サファイア基板とサファイア基板の主面上に選択成長したGaN系半導体との総膜厚が、へき開歩留りに与える影響を示す図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体のスクライブによるへき開方法を示す図（サファイア基板の裏面から見た平面図）
【図４】本発明の第１の実施形態に係る、第１スクライブの荷重がへき開歩留りに与える影響を示す図
【図５】本発明の第１の実施形態に係る、第２スクライブの荷重がへき開歩留りに与える影響を示す図
【図６】本発明の第１の実施形態に係る、ダイヤモンド針とサファイア基板の＜１−１００＞方向のスクライブ方向とのなす角度が、へき開歩留りに与える影響を示す図
【図７】本発明の第１の実施形態に係るサファイア基板の主面上に選択成長したGaN系半導体をスクライブによりへき開した端面の走査電子顕微鏡写真を示す図
【図８】本発明の第１の実施形態に係る、スクライブ傷の深さがへき開歩留りに与える影響を示す図
【図９】本発明の第１の実施形態に係る、スクライブ速度がへき開歩留りに与える影響を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体レーザの構成断面図
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体レーザの構成断面図
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体レーザの構成断面図
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるサファイア基板の主面上に成長したGaN系半導体レーザの構成断面図
【図１４】レーザ共振器端面を、ブレーキングで形成したGaN系半導体レーザの電流−光出力特性を示す図
【図１５】レーザ共振器端面を、本発明の第２の実施形態に係るスクライブで形成したGaN系半導体レーザの電流−光出力特性を示す図
【符号の説明】
【００６２】
１１  サファイア基板
１２  GaN層
１３  SiO2膜
１４  レジスト膜
１５  選択成長GaN層
１１  サファイア基板
１２  第１スクライブ線
１３  スクライブ傷
１４  レーザ共振器長
１５  第２スクライブ線
１６  へき開端面
１１  スクライブ傷領域
１２  サファイア基板（端面はサファイア基板の（１１−２０）面である）
１３  選択成長GaN層（端面はGaN層の（１−１００）面である）
１４  選択成長GaN層のSiO2膜なし領域
１５  SiO2膜
１６  選択成長GaN層のSiO2膜上領域（低転位密度領域）
１７  選択成長GaN層の合体部
１１  サファイア基板
１２  GaN層
１３  SiO2膜
１４  レジスト膜
１５  選択成長GaN層
１６  ｎ型GaNコンタクト層
１７  ｎ型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
１８  ｎ型GaN光ガイド層
１９  In0.1Ga0.9N／GaN多重量子井戸活性層
２０  ｐ型Al0.15Ga0.85Nキャップ層
２１  ｐ型GaN光ガイド層
２２  ｐ型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
２３  ｐ型GaNコンタクト層
２４  SiO2膜
２５  レジスト膜
２６  SiO2膜
２７  SiO2膜
２８  n側電極
２９  p側電極
【図１】
2004312050.tif 000003
【図２】
2004312050.tif 000004
【図３】
2004312050.tif 000005
【図４】
2004312050.tif 000006
【図５】
2004312050.tif 000007
【図６】
2004312050.tif 000008
【図７】
2004312050.tif 000009
【図８】
2004312050.tif 000010
【図９】
2004312050.tif 000011
【図１０】
2004312050.tif 000012
【図１１】
2004312050.tif 000013
【図１２】
2004312050.tif 000014
【図１３】
2004312050.tif 000015
【図１４】
2004312050.tif 000016
【図１５】
2004312050.tif 000017