(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイア基板上にＧａＮ−ベース層を有した窒化物系半導体レーザの平坦な劈開面を得る。【解決手段】基板及びその基板の第１の面に形成された少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を有しているレーザーデバイスにおいて劈開面を加工する方法であって、下記の工程：  前記基板の第２の表面に線状の溝を切り込み、その際、前記基板の垂直面に前記溝を位置合わせする工程、及び  前記基板及び前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を前記垂直面に沿って劈開する工程を含み、かつ前記切り込み工程を外部のレーザー源からレーザービームによって行う加工方法。【選択図】      図１（ａ）
2004165616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーデバイスの劈開面を加工する方法であって、
前記デバイスが、基板及びその基板の第１の面に形成された少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を有しており、
前記方法が、下記の工程：
前記基板の第２の表面に線状の溝を切り込み、その際、前記基板の垂直面に前記溝を位置合わせする工程、及び
前記基板及び前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を前記垂直面に沿って劈開する工程
を含み、かつ前記切り込み工程を外部のレーザー源からレーザービームによって行うことを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記基板がサファイアから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記サファイア基板がｃ−面サファイアから形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記垂直面が、ｍ−面（１−１００）及びａ−面（１−１２０）の１つもしくはそれ以上から選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項５】
前記垂直面がａ−面（１−１２０）であることを特徴とする請求項４に記載の加工方法。
【請求項６】
前記基板の厚さが約４００μｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項７】
前記基板の厚さが、約３５０μｍ〜約４００μｍであることを特徴とする請求項６に記載の加工方法。
【請求項８】
前記溝が、約４０μｍ〜約１００μｍの深さまで切り込まれることを特徴とする請求項６又は７に記載の加工方法。
【請求項９】
前記溝が、約５０μｍ〜約８０μｍの深さまで切り込まれることを特徴とする請求項８に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記溝の深さが、レーザービームの強度、溝上におけるレーザービームの走査速度及び溝上におけるレーザービームの走査回数を含めた方法パラメータによって制御されることを特徴とする請求項８又は９に記載の加工方法。
【請求項１１】
前記レーザービームを１／ｅ２の密度で約２０μｍ〜約３０μｍの半径以内で前記基板の第２の表面に集束させることを特徴とする請求項１０に記載の加工方法。
【請求項１２】
前記レーザービームの平均出力が約１．４Ｗであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の加工方法。
【請求項１３】
前記レーザービームの繰り返し率が、約２ｋＨｚ〜約５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１４】
前記レーザービームのパルス幅が、約５ｎｓ〜約３０ｎｓであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１５】
前記レーザービームを、前記基板の第２の表面で、約１ｍｍ／秒の速度で２〜約１２回にわたって走査することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層が、多数個のＧａＮ−ベースの層を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１７】
前記多数個のＧａＮ−ベースの層が、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１６に記載の加工方法。
【請求項１８】
前記ＧａＮ−ベースの層が、エピタキシャル法に基づく横方向の過成長（ＥＬＯＧ）技術を使用して形成されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の加工方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の加工方法によって形成された劈開面を有するレーザーデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、ＧａＮ−ベースのレーザーデバイスの加工に関する。さらに詳しく述べると、本発明は、そのようなレーザーデバイスにおいてミラー劈開面を形成する方法に関する。
発明の背景
例えばＧａＮのような金属窒素化物やその他のＩＩＩ−Ｖ族半導体をベースとしたダイオードは、商業的に非常に大きな興味がもたれている。これらのダイオードは、可視光及びＵＶ光の適用ならびに高密度データ貯蔵システムの分野のおいて広範囲で使用されかつ潜在的な用途を有している。一般的に、このようなダイオードは、光スペクトルの青色領域で操作されている。
【０００２】
これらのレーザーダイオードは、通常、サファイア基板の上にＧａＮベースの半導体からなる多数の薄膜を積層することによって加工されている。このようなダイオードの作製において、Ｃ−面とＡ−面とが、サファイア基板で使用されている主たる配向である。
【０００３】
例えばレーザーダイオードのような半導体デバイスにおいて誘導発光を発生させるため、一対の光学的劈開面を含ませかつ発光領域の２つの側面で光を反射させ、劈開面の間で共振器を形成することが要求されている。
【０００４】
これらの劈開面（ミラー）は、レーザーキャビティの端部において形成されている。劈開面は、通常、ドライエッチングによって形成されているか、さもなければ、好ましくは、サファイア基板あるいはＧａＮ層を劈開することによって形成されている。レーザーダイオードにおいて劈開面を形成するためには、光学的モードが含まれるべき領域において平滑かつ垂直な劈開面が存在することが必要である。この領域は、通常、エピタキシャル成長層に限られている。エピタキシャル成長層を横断するようにして平滑かつ垂直の両方を具えた劈開面を形成するため、基板及びエピタキシャル成長層の結晶構造が垂直な面を有していなければならない。
【０００５】
理想的には、ＧａＮ層の結晶面に沿って劈開が行われ、レーザーにおける光の伝達方向に対して垂直な平滑な劈開面が作られる。
【０００６】
一般的に、劈開は、サファイア基板の背面（すなわち、基板上にＧａＮ層が形成されていない側面）を切り込むことによって達成される。この切り込みは、通常、サファイア基板に細長い溝を形成するためにダイシングソー又はスクライバを用いて行われる。よって、これらの溝のトラフが劈開点となる。
【０００７】
サファイアを劈開するのは容易ではない。劈開を達成するためには、サファイア基板を約１００μｍまで（約３５０〜４００μｍから）薄くすることが一般的に必要である。また、サファイア基板の劈開面をＧａＮ層の劈開（結晶）面に整合させるならば、劈開がより容易となり、より良好な製品が得られるであろう。しかし、溝の切り込みを行う前（例えば、ダイシングソー又はスクライバを使用して）、サファイア基板の劈開面をＧａＮ層のそれに整合させる（あるいは、位置合わせする）ことはしばしば困難である。ＧａＮ層の結晶面は、サファイアの結晶面にうまく整合しないのが一般的である。上記したように、劈開の後、基板の劈開面をＧａＮ層の劈開面にうまく位置合わせできないことが起こり得る。これらの問題点を克服するためには、劈開面の研磨も含めて、時間のかかる追加の加工工程がしばしば必要となる。
【０００８】
上述のような劈開面から形成されるミラーの品質を改良するため、高反射率のコーティングを被覆することが使用されている。また、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）及び反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）のようなドライエッチング法もまた利用されている。これらの方法は、機械研磨に依存することの必要性を伴うことなく劈開面を平滑にするために使用されている。しかし、これらのエッチングプロセスは時間がかかり、かつ実施が困難であることが分かっている。
【０００９】
製造や異方性劈開面の形成がより容易であるため、ドライエッチングによって形成した劈開面に較べて劈開レーザーミラーがより有利である。さらに、劈開面の場合には、ミラー形成のためのドライエッチングが不要である。
【００１０】
劈開あるいはエッチングによって形成したＧａＮ／空気面に依存したレーザーダイオードの場合、外部からの光学的フィードバックに対する感度が非常に大である。光反射性の劈開面を形成する際の１つの重要な問題点は、ＧａＮの屈折率（４００ｎｍで）が低いことである。このような問題点があると、ミラーの反射率が著しく低下せしめられるばかりか、任意の界面粗さ（通常、化学的にドライエッチングした面及び劈開面）によってさらに低下せしめられることが可能である。劈開面の表面粗さが約２０ｎｍである場合、レーザーモードの反射率が一桁の大きさで低下せしめられるということが判明した。
【００１１】
ＧａＡｓ／ＩｎＰ基板上に形成された常用のレーザーデバイスは、良好に規定された結晶面（［１１０］及び［１−１０］）に沿って劈開を容易に行うことができるので、主として劈開法によって加工されている。その結果、レーザー共振器のキャビティにおいて高度に異方性でありかつ平滑な劈開面を得ることができる。しかし、サファイア基板上にＧａＮベースのエピタキシャル成長層（エピ層）を良好に劈開できることは非常に困難なことである。サファイア基板の劈開面は、ＧａＮ層の劈開面と一致しないことが一般的であるからである。
【００１２】
したがって、本発明は、例えばサファイアのような基板上でＧａＮ層を劈開するための改良された方法に向けられている。
発明の概要
本発明の第１の面に従うと、基板及びその基板の第１の面に形成された少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を有しているレーザーデバイスの劈開面を加工する方法であって、下記の工程：
前記基板の第２の表面に線状の溝を切り込み、その際、前記基板の垂直面に前記溝を位置合わせする工程、及び
前記基板及び前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を前記垂直面に沿って劈開する工程
を含み、かつ前記切り込み工程を外部のレーザー源からレーザービームによって行うことを特徴とする加工方法が提供される。
【００１３】
前記基板は、一般的にサファイアから形成される。Ｃ−面サファイアがとりわけ有利である。
【００１４】
前記垂直面は、好ましくは、ｍ−面（１−１００）及びａ−面（１−１２０）の１つもしくはそれ以上から選ばれる。ａ−面（１−１２０がとりわけ有利である。
【００１５】
前記基板の厚さは、約４００μｍ未満であることことが一般的であり、好ましくは、約３５０μｍと約４００μｍの間である。
【００１６】
前記の線状（リニア）の溝は、約４０μｍ〜約１００μｍの深さまで切り込むことが一般的である。これらの溝を約５０μｍ〜約８０μｍの深さまで切り込むのがとりわけ有利である。
【００１７】
前記した線状の溝の深さは、レーザービームの強度、溝上におけるレーザービームの走査速度及び溝上におけるレーザービームの走査回数を含めた方法パラメータを変更することによって制御してもよい。その他の方法パラメータを操作して溝の深さを制御することもできる。
【００１８】
前記レーザービームは、前記基板の第２の表面に１／ｅ２の密度で２０μｍ〜３０μｍの半径以内で集束させることができる。レーザービームの平均出力は、好ましくは、約１．４Ｗである。一般的に、レーザービームの繰り返し率（ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）は、約２ｋＨｚから約５ｋＨｚである。レーザービームのパルス幅は、約５ｎｓ〜約３０ｎｓであるのが有利である。
【００１９】
前記レーザービームは、所望とする深さをもった溝の形成を助けるため、前記基板の第２の表面で任意の回数にわたって走査を行ってもよい。所望とする深さを達成するため、約１ｍｍ／秒の速度で２〜１２回にわたって走査を行うことが一般的に適当であるということが判明した。
【００２０】
基板（前記したようなもの）の第１の面（上方の表面）には、少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層が形成される。多数個のＧａＮ−ベースの層がサファイア基板上に形成されるのが有利である。多数個のＧａＮ−ベースの層は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ層を包含してもよい。これらのＧａＮ−ベースの層は、エピタキシャル法に基づく横方向の過成長（ＥＬＯＧ）技術を使用して形成することができる。
【００２１】
本願明細書の全体を通じて、文脈に特に断りを入れた場合を除いて、「含む（単数）」なる語あるいはその変化形である、例えば「含む（複数）」あるいは［含んでいる」なる語は、記載した要素（素子）、整数もしくは工程（ステップ）、あるいは一群の要素、整数もしくは工程を包含することを意味していること、ただし、これらの語によって任意のその他の要素、整数もしくは工程あるいは一群の要素、整数もしくは工程が排除されるものではないことを理解されたい。
【００２２】
本願明細書では、文献、行為、材料、デバイス、物品（製品）等についてのいろいろな記載が含まれているが、これらの記載は、本発明についてのある面を説明することだけが目的である。これらの記載事項について、それらの任意のものあるいは全体が従来技術の根拠の一部を構成するものではないこと、あるいは、この出願の各請求項の優先権主張日の前において本発明に関連する技術分野において通常の一般的な知識として存在していたものではないことが理解されるべきである。
【００２３】
本発明をさらに明りょうに理解できるようにするため、従来技術及び本発明の好ましい形態を下記の図面及び実施例を参照して説明することにする。
図面の簡単な説明
図１（ａ）は、本発明方法の好ましい１態様によって形成されたサファイア劈開面の光学顕微鏡写真である。図示の光学顕微鏡写真において、レーザーの出力は１．４Ｗであり、走査速度は１ｍｍ／分であり、レーザービームの繰り返し率は３ｋＨｚであり、そして走査実施回数は４回であった。光学顕微鏡写真が示しているように、劈開面には２つの独立した領域（Ａ及びＢ）がある。領域Ａは、（高出力下での構造体の燃焼によって）暗く見えるレーザーカット領域である。領域Ｂは、劈開された領域であって、劈開面がぎざぎざしていないことがわかる。
【００２４】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示したサファイア劈開面の領域ＡのＡＦＭ顕微鏡写真である。領域Ａは、そのｒ．ｍ．ｓ．粗さが２４０ｎｍである。
【００２５】
図１（ｃ）は、図１（ａ）に示したサファイア劈開面の領域ＢのＡＦＭ顕微鏡写真である。領域Ｂは、そのｒ．ｍ．ｓ．粗さが１９ｎｍである。
【００２６】
図２（ａ）及び図２（ｂ）のグラフは、ＥＬＯＧａＮ上に成長させたレーザー構造体について、そのマイクロ−ＰＬスペクトルを示したものである。スペクトルは、室温で、Ｈｅ−Ｃｄレーザーの３２５ｎｍラインを使用して記録したものである。
【００２７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、異なる偏光条件下、サファイア基板の表面におけるラマンスペクトルを示したものである。
【００２８】
図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、サファイア基板のレーザーカット領域及び劈開領域のそれぞれにおけるラマンスペクトルを示したものである。
【００２９】
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、下記の「図面の簡単な説明」の欄に記載する通りである。
実施例
実験方法
裸（未加工）のサファイア基板、ＧａＮ／サファイア及びサファイア上のＥＬＯＧ構造体を使用して実験を行った。この研究では、ＥＳＩマイクロビアドリルＭ５２００システムを、３５５ｎｍで運転するＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーのＱスイッチ第３調和とともに使用した。レーザー光をサンプル表面に、２５μｍの半径内（１／ｅ２の密度で）に集束させた。この研究において、レーザービームの平均出力及び繰り返し率は、それぞれ、１．４Ｗ及び３ｋＨｚであった。パルス幅は、約２０ｎｓであった。
【００３０】
ＥＳＩレーザー加工システムにおいて、レーザー光学系でレーザービームを管理し、そのレーザービームをレーザーレールから、マシーンの作用面上に真空によって保持されているサンプルまで集束させる。軸交差式のレーザービーム位置決め装置は、リニアステージとスキャナとからなっている。スキャナとリニアステージ用モータの移動は、電子コントロールシステムによって調整されている。スキャナとリニアモータのどちらも連続的に移動し、サンプル上において特定のＸ−Ｙパターンが達成される。劈開面の粗さに対するレーザー切り込み深さの影響を研究するため、１ｍｍ／秒の速度で約２〜１２回にわたってサンプル上での走査を実施した。
【００３１】
レーザーによる切り込み（レーザーカット）のため、所望とする平面度及び平行度に調整されているサンプルホルダー上にサンプルを載置し、背面サファイアの基底面がレーザービームに対して正確に垂直となりかつその表面に対して均一な露光が施されるようにした。切り込み速度は、機械的な調整によってコントロールすることができる。この加工中、レーザービームによって摩擦、空間的シフト又は振動が引き起こされないようにするため、広範な注意を払った。スムースな劈開面を得るため、レーザーの出力、切り込み速度、そして領域のｒ．ｍ．ｓ．粗さを最適化した。
【００３２】
信頼性のある劈開を得るためには、ｃ−面サファイアを５０〜１００μｍまで切り込むので十分である。サファイアをできる限り薄くしなくてもよいため、サファイアにおけるクラック発生の問題が軽減される。第２に、５０〜８０μｍの範囲でスタートする劈開の場合、角度面でのミスアライメントを無視することができ、また、ＧａＮのＣ−面に沿った破断が伝達されなくなる。そのために、これらの劈開面を使用してレーザーを容易に加工することができる。この方法で形成した劈開面は、ツァイス社の光学顕微鏡を使用して観察した場合、光学的に平滑であると認められる。３００μｍ〜２ｍｍの幅をもったレーザーバーの劈開面で、光学顕微鏡を使用した測定を実施した。
【００３３】
表面トポグラフィ（凹凸形態）を、ＳｉＮチップとコンタクトモードで運転されるトポメトリックス（Ｔｏｐｏｍｅｔｒｉｘ）原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のセットアップを使用して画像として撮影した。５１４．５ｎｍラインのアルゴンイオンレーザーを使用して、空間的に解像された室温ラマン散乱によって劈開面の特徴付けを行った。液体窒素冷却式のＣＣＤ検出器に取り付けられたＪＹ−Ｔ６４０００トリプルモノクロメータシステムを通じて散乱光を分散させた。ラマン測定中の正確度は０．２ｃｍ−１であり、横方向のスペクトルの解像度は１．０μｍであった。劈開領域についてならびに劈開面のレーザー切り込み領域について、断面のラマン測定を実施した。ＣＣＤ検出器に取り付けられた標準型Ｒｅｎｉｓｈｏｗ２０００マイクロラマン−ＰＬのセットアップを使用したＰＬ測定のため、３２５ｎｍラインのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として使用した。散乱の幾何学に応じて、劈開面に対して垂直もしくは平行のいずれかにおいて励起を実施した。ｘ（ｚｚ）ｘ（Ａ１）もしくはｘ（ｙｚ）ｘ（Ｅ１）のいずれかに対応する複数の背面散乱幾何学において散乱光を検出した。ＥＬＯＧサンプルの翼形（ウイング）領域及び窓形（ウインドウ）領域を走査したレーザー劈開面において、緩衝面から最上面までの（０００１）方向に沿ってマイクロラマン測定を実施した。
結果と検討
ＧａＮは、ウルツ鉱の結晶対称で結晶化し、次の空間群（スペースグループ）に分類される。
【００３４】
【数１】
2004165616.tif 000003
【００３５】
サファイアは、次の空間群に分類される。
【００３６】
【数２】
2004165616.tif 000004
【００３７】
サファイアの結晶構造は、ほぼ六方晶系の最密配置のＯ２−アニオンであり、正八面体の空隙の３分の２をＡｌ３＋カチオンが占有しているとして説明することができる。ＧａＮのｃ−軸は、サファイア基板のＣ−面に対して垂直である。そのために、サファイアのＣ−面（０００１）上に成長したＧａＮの場合、その薄膜のい面内配向は、ＧａＮ（１１−２０）｜｜サファイア（１−１００）であることが認められた。サファイアの単位セル内において、ウルツ鉱の底面の単位セルとより小さい六方晶系のセルとの間のミスマッチは、約１４％である。底面サファイア上のＡｌ原子のより小さいセルは、サファイアのより大きな単位セルから３０°離れて配向し、実験的に認められるＧａＮ配向と一致する。
【００３８】
レーザーダイオードにおいて劈開面を形成するため、光学的モードが含まれるべき領域において平滑かつ垂直な劈開面が必要である。この領域は、通常、エピタキシャル成長面に限定されている。基板及びエピ層の結晶構造は、エピタキシャル成長面を横切って平滑かつ垂直面である劈開面を形成するため、垂直な面を有していなければならない。さらに加え、それと同一の面において、垂直な劈開面が存在していなければならない。底面（ｃ−面）サファイアにおいて、｛１１−２０｝面（ａ−面）を垂直な劈開面として使用することができる。成長中に原子の整列が行われるので、サファイアのａ−面は、それぞれ、ＧａＮのａ−面から３０°離反せしめられる。そのために、サファイアのｍ−面｛１−１００｝あるいはＧａＮのｍ−面のいずれか一方を劈開面のひとつとして使用しなければならない。サファイアのｍ−面にそって強制的に劈開を起こさせることが可能であるけれども、この面は、ａ−面に比較して、結合強度がわずかに大きいだけである。サファイアのａ−面を使用して良好な劈開を生じせしめることが望ましい。これらの劈開面は、結合強度が最も悪い面とはならない。
【００３９】
一般的に、｛１−１０２｝面（ｒ−面）は、サファイアにとって好ましい劈開面であるとみなされている。しかし、これらの面は、基板の表面に対して垂直ではなく、したがって、良好なミラーを形成するものではない。サファイアは、ａ−面にそって強制的に破壊させることができるけれども、これらの面は、ｒ−面に対して角度のある位置で接している。このことは、ひとつの劈開面からもうひとつの劈開面に至る結合（カップリング）が非常に容易に可能であり、したがって、４００μｍ厚のサファイア上に成長したＧａＮ構造体のソーイング（のこ切り）及び劈開の間にギザギザの劈開面が形成されるということを意味している。さらに加えて、ソーイング、スクライビング及び強制破壊／劈開を行った場合、ＧａＮ及びサファイア劈開面の配向間違いが発生することがしばしばである。劈開面の間のカップリングを防止するため、サファイア基板を劈開させる前、そのサファイア基板をラッピング（ラップ研磨）するかもしくは薄く加工することが一般的に必要である。３５０〜４００μｍ厚のサファイア基板をソーイングもしくは劈開させる前、それらの基板を研磨して５０〜８０μｍの薄さとしなければならない。剛さがあるので、薄くしたかもしくは研磨した後のサファイア基板はクラックを生じる可能性がある。
【００４０】
ラッピングあるいは研磨を行うことに代えて、本発明の背面レーザーカット法を使用した。サファイア基板の背面で、高出力のＵＶエキシマレーザービームのアライメント及び集束を実施した。ビームの集束スポット径は、２５μｍであった。サファイア基板の（１−１００）又は（１１−２０）方向のいずれかにそってビームを迅速に移動させ、レーザーの適用出力によってサファイアの切り込みをコントロールした。サファイアの切り込み深さをコントロールするため、強力なビームを同一の方向にそって３回／４回にわたって走査させた。この方法では、ビームの繰り返しの移動及び透過を機械的にコントロールすることができ（せん断力のフィードバックに同じ）、また、そのビームでもって５０μｍの深さまでサファイアを切り込むことができかつ、その際、レーザー構造体や活性領域に対してダメージが与えられることもない。背面カットの後、所望とする劈開面にそって（（１−１００）又は（１１−２０）方向のいずれかにそって）構造体が容易に劈開せしめられた。このようにして得られた劈開面は、垂直でありかつ平滑であった。劈開面の粗さをＡＦＭ法によって測定したところ、レーザーの出力によってｒ．ｍ．ｓ．が顕著に変動することがわかった。さらにまた、ＧａＮ構造体に向かってより深く透過するようにサファイアの背面上でレーザービームを走査する場合、その走査の回数とともに粗さも変動することがわかる。このことは、レーザーカットの頻度（ｎ＝１，２，３又は４）として表される。平滑な劈開面を得、かつより深くサファイアをカットするための条件を最適化するため、一連の測定を実施した。最初に、異なる配向にそってサファイアウエハをより深くカットし、残った構造体を劈開させた。サファイアウエハを、その背面から、レーザービームの出力及びレーザーカットの頻度を変更してカットした。サファイア基板のカット及び劈開後の領域についてＡＦＭ（原子間顕微鏡）測定を実施した。
【００４１】
図１は、特定の条件下でカットし、さらに垂直劈開面を形成するために劈開を行ったサファイア劈開面の光学及びＡＦＭ顕微鏡写真を示したものである。これらの図面から、２つの別個の領域があることがわかる。レーザーカット領域は、暗色である（高出力下における構造体の燃焼によって黒くなっているため）。これらの領域は、カーボン（炭素）及び酸素によって被覆されていてもよい。劈開領域は、明色であり、劈開面のギザギザを伴わずにはっきりと確認することができる。
【００４２】
【表１】
2004165616.tif 000005
【００４３】
第１表は、カット／劈開後のサファイアについて異なる位置でのＡＦＭ粗さ（５×５μｍ走査）を示したものである。サファイアのレーザーカット領域ならびに劈開領域について粗さの測定を実施した。サファイアの劈開面の３つの異なる領域について測定を実施し、この領域の平均ｒ．ｍ．ｓ．粗さ（ｒａｖ）は、異なる条件下で２０〜２５０ｎｍの範囲であることを評価した。最適化された条件下において、劈開後のサファイアは、そのｒ．ｍ．ｓ．粗さが２０ｎｍ（５×５μｍ走査）であることがわかる。暗色のレーザーカット領域は、サファイアの燃焼やカーボン及び酸素汚染物質の付着があったために非常に粗くなっており、また、その際、ｒ．ｍ．ｓ．粗さは１５０〜７００ｎｍの範囲で変動した。本発明者らが興味をもった領域は、サファイアの非常に平滑な劈開面を形成することのできた劈開後のサファイア領域であり、その領域の場合、配向間違いを伴うことなく劈開面を形成することができた。この手法をサファイア上のＧａＮ層ならびにＣ−面（０００１）サファイア上で成長させたＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのレーザーダイオードについて試験するため、一連の実験を実施した。それぞれの場合において、サファイアをその背面からカットする最適化された条件の下で３つの領域における劈開面の粗さを評価した。
【００４４】
サファイア上に成長させたＧａＮレーザー構造体についてのＡＦＭ測定によってわかったところによると、サファイア劈開領域における劈開面粗さは４８〜５７ｎｍの範囲でありかつＧａＮ劈開領域におけるそれは４０〜４７ｎｍの範囲である。このような機械的なカップリングは、劈開したサファイア及びＧａＮレーザー面の界面における僅かな量の表面粗さを通じて、かつ劈開力における僅かなミスアライメントに原因して、発生することができる。この方法によって、クラックが発生したり、そのクラックがレーザーダイオードの活性領域にまで電卓されることはなかった。光学的な測定を行うため、幅２８０〜５００ｎｍの肉薄ストライプ体状のレーザーバーを作製した。
【００４５】
最後に、この方法を、最適化されたレーザーカット条件を使用してＥＬＯＧ上に成長させたレーザー構造体に対して適用した。２インチウエハから薄いレーザーバーを劈開し、これらの肉薄ストライプ体の幅を３００〜８００ｎｍで変化させた。サファイアのレーザーカット領域の粗さは、燃焼に原因して表面汚染を生じたため、約１２０ｎｍであった。しかし、サファイアの劈開領域が示したものは、４０ｎｍ未満の粗さである。ＥＬＯＧ及びレーザー構造体の劈開領域における劈開面粗さは、２０ｎｍ未満であり、劈開レーザーミラーについて今までに報告されている最良の結果のうちの１つであった。３種類の異なる構造体についての結果は、まちまちである。サファイアの劈開面は、非常に平滑である。サファイアを背面からレーザーカットし、レーザー構造体の残りの部分を劈開することによって形成された劈開面は、基板や成長条件に依存して粗さの変動を示している。ＥＬＯＧ上に成長させたレーザー構造体は、サファイア上に成長させたレーザー構造体に比較して、非常に平滑でありかつ垂直である。このことは、レーザー構造体の成長の異方性及びレーザーカット法の配向に関係しているものと推測される。
【００４６】
これらの形態に対する光の影響を見るため、サファイアをその背面からレーザーカットすることによって形成された劈開面について、光学顕微鏡を使用した測定を実施した。劈開されたＥＬＯＧａＮの光学的性質をＰＬ及びラマン散乱法を使用して調査した。合体領域の上の表面についてステップ状の終点を可視的に認めることができず、また、ＡＦＭ顕微鏡写真は、この領域ではスクリュー成分のねじ込みによる転位（ディスロケーション）は存在しないことを示している。ＡＦＭ分析の場合、純粋なエッジ転位が存在することを評価することができない。なぜなら、そのような転位は解像するのがより困難であるからである。劈開位置の断面におけるマイクロ−ＰＬスペクトルは、図２に示す通りである。Ｈｅ−Ｃｄレーザーの３２５ｎｍラインを励起光源として使用した。このスペクトルにおいて理解されるように、３６４ｎｍにおけるバンドエッジ遷移によってＥＬＯ領域からの室温ＰＬがピークとして現れている。この薄膜において黄色発光（ＹＬ）帯域が存在していないことは、ＥＬＯ構造体の品質が高レベルであることを示している。過成長及びウインドウ領域からのバンドエッジＰＬは、ピークシフトが２．０ｎｍであることを示している。ＥＬＯＧａＮで観察されたＰＬの赤色シフトは、ウインドウのＧａＮと比較した場合、２軸方向の歪みが緩和されていることと一致している。ＬＥＯＧａＮにおいて観察されたバンド−バンド遷移のライン幅は、歪みを有しない緩和環境下においてＧａＮの品質が改良されたことを示している。また、ＰＬスペクトルにおいて、３６９ｎｍのピークは、ドナーと組み合わさったバンドエッジ近傍の励起子由来の遷移に関連づけることもできる。バンドは、室温においてより幅広であり、良好に解像することができない。これらのバンドは、ＥＬＯ領域において弱くかつ固有成長領域においてより強力である。ＥＬＯＧ上で成長したレーザー構造体から、４００ｎｍ近傍において光学的ポンピングによるレーザー発光があることが観察された。活性層は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ多量子井戸であり、また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮクラッド層と形成された劈開ミラー面は、垂直でありかつ平滑であった。
【００４７】
劈開面の異なる位置において断面のラマン測定を実施した。それぞれの場合に、異なる偏光形状を使用した。図３は、劈開サファイア領域におけるラマンスペクトルを示したものである。強力なＡ１ｇ及びＥ１ｇモードが４１８、５７８、そして７５０ｃｍ−１の近傍で観察された。３７９及び６４５ｃｍ−１の近傍におけるサファイアモードは断面幾何学において観察され、レーザーカット領域に比較して劈開領域において強度の向上のあることを示している。図４は、異なる偏光条件下、断面で観察した時の個々のＥＬＯＧａＮストライプ体のラマンスペクトルを示したものである。本発明者らが発見したところによると、すべてのフォノンが選択規則によって許容されている。ＧａＮのＡ１（ＴＯ）、Ｅ１（ＴＯ）及びＥ２（ＴＯ）フォノンは、それぞれ、５３３、５５９及び５６８ｃｍ−１の近傍で観察された。ＧａＮのＥ１（ＬＯ）モードは、７４１ｃｍ−１の近傍で観察された。本発明者らが観察したところによると、ピークシフトは２．０ｃｍ−１であり、また、ＧａＮ緩衝領域と比較した場合、ＥＬＯ領域におけるＥ２（ＴＯ）フォノンのライン幅の変化は３０％であった。本発明者らの推定によれば、歪みのテンソール成分は、過成長及びウインドウ領域において定量的である。ＥＬＯ領域における歪みの緩和は、薄膜内におけるより小さい転位密度と関連している。すべてのスペクトルにおける主たる特徴は、５３３及び５６８ｃｍ−１の近傍におけるＡ１（ＴＯ）及びＥ２（ＴＯ）フォノンバンドである。これらのバンドは、ＥＬＯ領域において狭いものであり、ＧａＮの高度の結晶性を示している。Ａ１（ＴＯ）及びＥ２（ＴＯ）モードのピーク位置を使用して、局部的な歪み分布を測定した。ＥＬＯＧａＮにおける偏光の破壊とより弱い禁制モードの観察を結晶学的チルト（傾斜）と組み合わさった幾何学における変化に関連付けることができる。転位の結束によってマスク上の過成長領域における結晶学的チルト（０．２〜１．０°）が引き起こされ、また、薄膜内におけるネジきり転位の全体的な低下が導かれる。ＥＬＯＧ成長中における＜１１−２０＞方向に向かったｃ−軸のウイングチルト、そして劈開誘導チルト（エピ層のａ−面とサファイアのｍ−面のミスアライメント）の結果、断面の偏光測定値において禁制モードが発現する。マスク領域のすぐ上で禁制ラマンモードが観察された場合、マイクロ構造体における局部的な変化はスペクトルにおける対応の変化を生じ得るということを示している。
【００４８】
ラマン測定の結果を劈開面の品質とともに作図（マッピング）を行うため、レーザー構造体の全劈開面についての測定を実施した。極性モードのラマン強度とライン幅が劈開面の結晶品質を表している。ＧａＮ構造体の強いフォノンモードは別として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮもまた観察した。ＧａＮ／ＩｎＧａＮ活性層の場合、空間解像力に限界があるために作図を行うことができなかった。しかし、シャープな極性モードとそれらの強度の観察によって劈開面の品質が反映された。同様に、局所的な歪み分布から、面内歪みテンソール成分の値に引き続く変化が生じるということを示している。界面上４μｍにおいて記録されたスペクトルの分析によって判明したところによると、ＥＬＯ領域における２軸方向の歪みは０．４６ＧＰａであり、界面上８μｍのところにおいて０．２９ＧＰａまで低下する。本発明者らが見出したところによると、マスク上のＥＬＯ領域においては歪みの緩和がより迅速に進行する。ＥＬＯＧａＮの上（界面から１２μｍ上）でありかつ表面に密着した劈開領域のおける測定値の場合、クラッド層に原因する材料組成の変化に由来して異なる挙動を示している。６３７，６７１及び８３２ｃｍ−１近傍におけるモードは、クラッド層内におけるＡｌｘＧａ１−ｘＮのＴＯ及びＬＯモードと組み合わさることができる。モードの発現は、劈開面の品質を示している。劈開面の材料の品質は、アロイ状フォノンのラマン強度とライン幅から判定することができる。劈開面においていくつかの禁制モードが発現した場合、偏光の破壊を導くウイングチルトと組み合わさることができる。
【００４９】
［０００１］軸にそった背面散乱幾何学において、Ｅ２フォノンは、平行幾何学においてのみ許容されるＡ１（ＬＯ）フォノンとは対照的に、下記の両方の形状：
【００５０】
【数３】
2004165616.tif 000006
【００５１】
において選択規則によって許容される。他方において、Ａ１（ＴＯ）フォノンは、ｃ−軸に対して垂直な背面散乱幾何学において具現される次の形状：
【００５２】
【数４】
2004165616.tif 000007
【００５３】
によって観察することができる。ここで、ＧａＮの［０００１］及び［１１−２０］方向は、それぞれ、ｚ軸及びｘ軸として使用した。特定の幾何学における禁制モードの非常に弱い強度を観察することから明らかになったことは、劈開面の間のミスアライメントが非常に小さいということである。さらに加えて、組成上の変動、歪みのよって誘起された位置ズレ、ウイングのチルト、そして断面の幾何学によって、偏光の選択規則の破たんが発生可能である。偏光幾何学にそってＧａＮ劈開面を整列させることは非常に困難なことではあるけれども、偏光面を記録条件によって回転させることが可能である。劈開ＥＬＯＧ層について適当な幾何学と配向を選択した場合、禁制モードの強さが非常に弱くなり、垂直に劈開下面の存在を確認できる。また、本発明者らは、ＧａＮ／サファイアの劈開面を誘導結合高周波プラズマ（ＩＣＰ）エッチングによって作製したドライエッチ劈開面と比較した。Ｃｌ２／ＢＣｌ３ベースのＩＣＰエッチングによって作製した典型的な劈開面は、５°〜９°の傾斜を有し、また、ＧａＮ／サファイアの劈開面と比較した場合、比較的に粗面であった。
【００５４】
エッチングによる劈開面を加工することについての第１の結論は、劈開面の粗さや傾斜をコントロールするためには異なるプラズマ条件（温度、ガスの組成、プラズマの密度及び加速電圧）を適用することが必要であるということである。また、エッチングによって劈開面を形成した後、なんらかのバックエンドプロセッシングによってデバイスの分離を行うことが必要である。
【００５５】
当業者によって理解されるように、これらの特定の実施形態に示したような本発明には、広く記載された本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更及び（又は）改良を加えることができる。したがって、本実施形態は、すべての面において説明を目的としたものであり、限定を目的としたものでないと、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１（ａ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたサファイア劈開面の光学顕微鏡写真である。
【図１（ｂ）】図１（ａ）に示したサファイア劈開面の領域ＡのＡＦＭ顕微鏡写真である。
【図１（ｃ）】図１（ａ）に示したサファイア劈開面の領域ＢのＡＦＭ顕微鏡写真である。
【図２（ａ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体の劈開断面位置におけるマイクロ−ＰＬスペクトルを示したグラフである。
【図２（ｂ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体の劈開断面位置におけるマイクロ−ＰＬスペクトルを示したグラフである。
【図３（ａ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体のサファイア基板の表面におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図３（ｂ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体のサファイア基板の表面におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図３（ｃ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体のサファイア基板のレーザーカット領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図３（ｄ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体のサファイア基板の劈開領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図４（ａ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体について、ｘ（．．）−ｘ配置されたサファイア基板上４μｍの劈開ＥＬＯＧ領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図４（ｂ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体について、ｘ（ｚｚ）−ｘ配置されたサファイア基板上４μｍの劈開ＥＬＯＧ領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図４（ｃ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体について、ｘ（．．）−ｘ配置されたサファイア基板上８μｍの劈開ＥＬＯＧ領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図４（ｄ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体について、ｘ（．．）−ｘ配置されたサファイア基板上１２μｍの劈開ＥＬＯＧ領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図４（ｅ）】本発明方法の好ましい１態様によって形成されたレーザー構造体について、ｘ（ｚｚ）−ｘ配置されたサファイア基板上１２μｍの劈開ＥＬＯＧ領域におけるラマンスペクトルを示したグラフである。
【図１（ａ）】
2004165616.tif 000008
【図１（ｂ）】
2004165616.tif 000009
【図１（ｃ）】
2004165616.tif 000010
【図２（ａ）】
2004165616.tif 000011
【図２（ｂ）】
2004165616.tif 000012
【図３（ａ）】
2004165616.tif 000013
【図３（ｂ）】
2004165616.tif 000014
【図３（ｃ）】
2004165616.tif 000015
【図３（ｄ）】
2004165616.tif 000016
【図４（ａ）】
2004165616.tif 000017
【図４（ｂ）】
2004165616.tif 000018
【図４（ｃ）】
2004165616.tif 000019
【図４（ｄ）】
2004165616.tif 000020
【図４（ｅ）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月1日(2003.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーデバイスの劈開面を加工する方法であって、
前記デバイスが、基板及びその基板の第１の面に形成された少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を有しており、
前記方法が、下記の工程：
前記基板の第２の表面に線状の溝を切り込み、その際、前記基板の垂直面に前記溝を位置合わせする工程、及び
前記基板及び前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層を前記垂直面に沿って劈開する工程
を含み、かつ前記切り込み工程を外部のレーザー源からレーザービームによって行うことを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記基板がサファイアから形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記サファイア基板がｃ−面サファイアから形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
【請求項４】
前記垂直面が、ｍ−面（１−１００）及びａ−面（１−１２０）の１つもしくはそれ以上から選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項５】
前記垂直面がａ−面（１−１２０）であることを特徴とする請求項４に記載の加工方法。
【請求項６】
前記基板の厚さが４００μｍ未満であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項７】
前記基板の厚さが、３５０μｍ〜４００μｍであることを特徴とする請求項６に記載の加工方法。
【請求項８】
前記溝が、４０μｍ〜１００μｍの深さまで切り込まれることを特徴とする請求項６又は７に記載の加工方法。
【請求項９】
前記溝が、５０μｍ〜８０μｍの深さまで切り込まれることを特徴とする請求項８に記載の加工方法。
【請求項１０】
前記溝の深さが、レーザービームの強度、溝上におけるレーザービームの走査速度及び溝上におけるレーザービームの走査回数を含めた方法パラメータによって制御されることを特徴とする請求項８又は９に記載の加工方法。
【請求項１１】
前記レーザービームを１／ｅ２の密度で２０μｍ〜３０μｍの半径以内で前記基板の第２の表面に集束させることを特徴とする請求項１０に記載の加工方法。
【請求項１２】
前記レーザービームの平均出力が１．４Ｗであることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の加工方法。
【請求項１３】
前記レーザービームの繰り返し率が、２ｋＨｚ〜５ｋＨｚであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１４】
前記レーザービームのパルス幅が、５ｎｓ〜３０ｎｓであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１５】
前記レーザービームを、前記基板の第２の表面で、１ｍｍ／秒の速度で２〜１２回にわたって走査することを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのＧａＮ−ベースの層が、多数個のＧａＮ−ベースの層を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の加工方法。
【請求項１７】
前記多数個のＧａＮ−ベースの層が、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ層を含むことを特徴とする請求項１６に記載の加工方法。
【請求項１８】
前記ＧａＮ−ベースの層が、エピタキシャル法に基づく横方向の過成長（ＥＬＯＧ）技術を使用して形成されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の加工方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の加工方法によって形成された劈開面を有するレーザーデバイス。
【外国語明細書】
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