(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧または大気圧近傍の圧力下の塩素含有ガス雰囲気中に電極とIII族窒化物半導体とを間隔をあけて配置し、
上記III族窒化物半導体を、上記III族窒化物半導体に含まれるIII族元素の塩化物の沸点以上の温度に加熱すると共に、
上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記III族窒化物半導体の表面との間でプラズマを生成して、上記プラズマを上記III族窒化物半導体の表面と接触させることによって上記III族窒化物半導体の表面を加工することを特徴とするIII族窒化物半導体の加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体の加工方法において、
上記塩素含有ガスは、塩素ガスと希ガスとの混合ガスであることを特徴とするIII族窒化物半導体の加工方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体の加工方法において、
上記電極を上記III族窒化物半導体の表面に対して平行方向に相対的に移動させながら、上記プラズマを上記III族窒化物半導体の表面と接触させることを特徴とするIII族窒化物半導体の加工方法。
【請求項４】
請求項３に記載のIII族窒化物半導体の加工方法において、
上記電極と上記III族窒化物半導体の表面との間の距離が略一定に保たれていることを特徴とするIII族窒化物半導体の加工方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のIII族窒化物半導体の加工方法において、
上記III族窒化物半導体は、少なくとも表面の一部が平面であり、
上記電極は、上記III族窒化物半導体の上記平面に対して軸が平行な円柱形状であり、上記軸を中心に回転することを特徴とするIII族窒化物半導体の加工方法。
【請求項６】
少なくとも表面がIII族窒化物半導体である基板と、上記基板の表面上に積層され、発光領域を有するIII族窒化物半導体膜とを有するIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記III族窒化物半導体膜が積層される前、または、上記III族窒化物半導体膜の一部が形成された後に、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のIII族窒化物半導体の加工方法を用いて上記基板の表面にプラズマにより凹部を形成し、
上記凹部を有する上記基板上に上記発光領域を設けることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
上記発光領域を上記基板の表面の上記凹部から外れた領域上に設けることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
上記凹部が上記基板の表面にストライプ状に形成されることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
請求項６または７に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
上記凹部が上記基板の表面に網目状に形成されることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
レーザ光導波路構造を有するIII族窒化物系半導体材料からなるIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載のIII族窒化物半導体の加工方法を用いて、上記III族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面の少なくとも一方をプラズマにより加工することを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
プラズマエッチングにより形成された上記共振器端面を上記プラズマにより加工することを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
結晶の劈開を用いて形成された上記共振器端面を上記プラズマにより加工することを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマによるIII族窒化物半導体の加工方法、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、III族窒化物半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧaＮ、ＡlＮ、ＩnＮ系III族窒化物半導体は、１.９ｅＶから６.２ｅＶまで広域のバンドギャップを持つため、紫外域から可視光全域をカバーする発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子材料として有望な半導体である。また、これらのIII族窒化物半導体はウルツ鉱型という安定な結晶構造を有し、熱伝導率も比較的高いという特徴から、通常の半導体デバイスに比較し、高温等の過酷な環境下での動作が可能であるため、トランジスタ等の電子デバイスへの応用も期待されている。
【０００３】
III族窒化物半導体を材料とするデバイス作製のためには、所望の組成のIII族窒化物半導体薄膜を、III族窒化物半導体バルクウェハーの表面にホモエピタキシャル成長させて作製する場合と、サファイアウェハー等の上にヘテロエピタキシャル成長させて作製する場合があり、デバイス性能の観点からは、III族窒化物半導体バルクウェハー上へのホモエピタキシャル成長であることが好ましい。このホモエピタキシャル成長のときに、III族窒化物半導体バルクウェハー表面の結晶状態がエピタキシャル成長層およびデバイス性能に大きな影響を及ぼす。したがって、III族窒化物半導体バルクウェハーを、高速かつ表面へダメージを与えることなく加工する技術の開発が必要不可欠である。すなわち、いかに結晶学的に乱れのない表面を実現するかということに集約される。
【０００４】
III族窒化物半導体の加工方法としては、水酸化カリウム等のアルカリ性溶液、もしくはリン酸や硫酸等の酸性溶液中で高温に加熱するという方法、いわゆるウェットエッチング法がある。この方法は化学的作用を用いた加工法であるため表面へのダメージは小さいが、III族窒化物半導体は化学的にきわめて安定であるため、エッチングレートが小さく実際のプロセスへの適用は困難である。
【０００５】
また、高速加工が可能な方法として、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：化学的機械研磨)がある。ＣＭＰはIII族窒化物半導体表面に研磨液を流しながら研磨パッドを接触させ表面を加工する技術であり、表面の高速平坦化加工が可能であるのだが、化学的作用と物理的作用を組み合わせた方法であるため、純粋に物理的な作用による加工よりはダメージは小さいが、加工後のIII族窒化物半導体表面には、結晶学的にはわずかなダメージ層が残る。
【０００６】
また、ドライエッチング法としては、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング)が一般的である。ＲＩＥは低圧下で塩素(Ｃｌ２)等によるプラズマを発生させ、III族窒化物半導体表面側に負のバイアスを印加することによりプラズマ中のイオンを加速し、III族窒化物半導体表面に作用させる加工法である。この方法では高速加工および平坦化が可能であるが、イオンの衝突という物理的作用を利用しているため、ＣＭＰ同様、加工後のIII族窒化物半導体表面には、結晶学的にはわずかなダメージ層が残る。
【０００７】
一方、上記の加工方法とは異なるプラズマＣＶＭ(Chemical Vaporization Machining)という加工方法があり、特許第２５２１１２７号公報(特許文献１)には、その基本原理が記載されている。
【０００８】
さらに、特許第２８１６３６５号公報(特許文献２)には、より詳しい装置構成が記載されている。
【０００９】
また、特許第３０６９２７１号公報(特許文献３)には、高速でかつ高効率な加工を実現する方法が記載されている。プラズマＣＶＭは、プラズマによって高密度に生成された中性ラジカルを被処理材表面に作用させ、被処理材の構成原子や分子と、中性ラジカルとの化学的な反応により化合物を生成し、それを気化させて被処理材を加工する無歪加工方法である。この特許第３０６９２７１号公報では、実施例としてシリコン単結晶ウエハーが取り上げられているものの、III族窒化物半導体の加工への適用性に関しては先行例がない。
【００１０】
本出願人は、プラズマＣＶＭによる加工方法を用いてIII族窒化物半導体からなる基板表面の加工を行ったところ、基板の加工表面にIII族塩化物が付着して、加工の進展を阻害するため、精度の高い加工ができないという問題があることを見出した。
【特許文献１】特許第２５２１１２７号公報
【特許文献２】特許第２８１６３６５号公報
【特許文献３】特許第３０６９２７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の目的は、表面にダメージを与えることなく、III族窒化物半導体を高精度にかつ高速に加工できるIII族窒化物半導体の加工方法を提供することにある。
【００１２】
また、この発明のもう１つ目的は、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いて、発光領域を有する窒化物半導体膜の歪みを抑えることができて、長寿命のIII族窒化物半導体発光素子を歩留まりよく、かつより簡便に作製することができるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【００１３】
さらに、この発明のもう１つ目的は、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いて、端面表面近傍のマイクロクラックなどの結晶欠陥を容易に除去することができ、端面損傷に強くて信頼性が高くかつ寿命特性の良好なIII族窒化物半導体レーザ素子を作成できるIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法は、
大気圧または大気圧近傍の圧力下の塩素含有ガス雰囲気中に電極とIII族窒化物半導体とを間隔をあけて配置し、
上記III族窒化物半導体を、上記III族窒化物半導体に含まれるIII族元素の塩化物の沸点以上の温度に加熱すると共に、
上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記III族窒化物半導体の表面との間でプラズマを生成して、上記プラズマを上記III族窒化物半導体の表面と接触させることによって上記III族窒化物半導体の表面を加工することを特徴とする。
【００１５】
上記構成のIII族窒化物半導体の加工方法によれば、大気圧または大気圧近傍の圧力下の塩素含有ガス雰囲気中で生成するプラズマ中の中性ラジカル(塩素活性種)をIII族窒化物半導体の表面の原子に作用させてできたIII族塩化物が気化することにより、III族窒化物半導体の表面が加工される。このとき、大気圧または大気圧近傍の圧力下の塩素含有ガス雰囲気中で生成するプラズマを利用するため、III族窒化物半導体の加工に寄与する中性ラジカルの絶対数が多く、中性ラジカルとIII族窒化物半導体の構成原子との化学反応を増加させることができる。すなわち、III族窒化物半導体の加工速度を向上させることができる。
【００１６】
また、大気圧または大気圧近傍の圧力下の塩素含有ガス雰囲気中には多数の原子や分子等が存在することから、大気圧プラズマ中のイオンはIII族窒化物半導体の表面に到達する前に何らかの原子や分子と衝突し、大気圧プラズマ中のイオンが直接III族窒化物半導体の表面に到達することがないため、加工のときにIII族窒化物半導体の表面にダメージを与えることがない。すなわち、結晶学的に乱れのない表面が得られ、その表面に良好なエピタキシャル成長層を形成でき、デバイス性能の良好な半導体素子を実現できる。
【００１７】
また、半導体プロセスにおいて低圧雰囲気を形成するために必要とされるような強度を有する反応容器や強力な排気システム等が必要でなくなり、装置コストを低減できるので、最終製品のコストダウンを図ることもできる。
【００１８】
さらに、上記III族窒化物半導体に含まれるIII族元素の塩化物の沸点以上にIII族窒化物半導体を加熱することによって、生成したIII族塩化物が十分に気化され、III族窒化物半導体の表面に残存せず、精度の高い加工が可能となる。したがって、より良好なエピタキシャル成長が可能な表面を有するIII族窒化物半導体を得ることができる。
【００１９】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法は、上記塩素含有ガスは、塩素ガスと希ガスとの混合ガスであることが好ましい。
【００２０】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法は、上記電極を上記III族窒化物半導体の表面に対して平行方向に相対的に移動させながら、上記プラズマを上記III族窒化物半導体の表面と接触させることを特徴とする。
【００２１】
上記実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法によれば、上記電極をIII族窒化物半導体の表面に対して平行方向に相対的に移動させながら、プラズマをIII族窒化物半導体の表面と接触させることによって、III族窒化物半導体の表面が大きい場合でもIII族窒化物半導体の表面全体を加工できる。
【００２２】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法は、上記電極と上記III族窒化物半導体の表面との間の距離が略一定に保たれていることを特徴とする。
【００２３】
上記実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法によれば、上記電極とIII族窒化物半導体の表面との間の距離を略一定に保つことによって、III族窒化物半導体の表面の加工ばらつきを低減できる。
【００２４】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法は、
上記III族窒化物半導体は、少なくとも表面の一部が平面であり、
上記電極は、上記III族窒化物半導体の上記平面に対して軸が平行な円柱形状であり、上記軸を中心に回転することを特徴とする。
【００２５】
上記実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法によれば、上記III族窒化物半導体の表面と軸が平行な円柱形状の電極が上記軸を中心に回転することによって、円柱形状の電極の表面の母線に沿った直線状の領域がIII族窒化物半導体の平面に近接し、電極の表面と塩素含有ガスとの間の粘性によって、塩素含有ガスが回転する電極の表面とともに移動して、プラズマに均一に供給される。その結果、大気圧下でプラズマによる加工処理を行う場合であっても、III族窒化物半導体の加工処理を高速化できる。
【００２６】
また、この発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、
少なくとも表面がIII族窒化物半導体である基板と、上記基板の表面上に積層され、発光領域を有するIII族窒化物半導体膜とを有するIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
上記III族窒化物半導体膜が積層される前、または、上記III族窒化物半導体膜の一部が形成された後に、上記のいずれか１つのIII族窒化物半導体の加工方法を用いて上記基板の表面にプラズマにより凹部を形成し、
上記凹部を有する上記基板上に上記発光領域を設けることを特徴とする。
【００２７】
上記構成のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いて凹部を形成することによって、複数の工程を必要とせず、より簡便に基板表面上に凹部を形成することができる。また、プラズマ中のイオンは、プラズマ中でほぼ静止しているか、振動してプラズマ中の分子と原子と衝突しているため、基板表面には達することがなく、物理的な衝突は起きないので、基板の表面にダメージを与えることがない。また、電気的に中性なラジカル(塩素活性種)は、基板表面に達するが、基板と化学的な反応のみを起こすので、基板表面に対する物理的な損傷が抑制される。この基板表面にピタキシャル成長によりIII族窒化物半導体膜を形成するとき、III族窒化物半導体膜が凹部に流れ込むため、歪みを外側に解放してクラックの発生を抑え、凹部以外の領域では、歪みが解放されて良好な結晶性のIII族窒化物半導体膜が得られる。したがって、発光領域を有する窒化物半導体膜の歪みを抑えることができて、長寿命のIII族窒化物半導体発光素子を歩留まりよく、かつより簡便に作製することができる。
【００２８】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記発光領域を上記基板の表面の上記凹部から外れた領域上に設ける。
【００２９】
上記実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記基板の表面の凹部から外れた領域上の歪がなくかつ結晶性の良好なIII族窒化物半導体膜に発光領域を設けることによって、III族窒化物半導体発光素子の信頼性と寿命特性が向上する。
【００３０】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記凹部が上記基板の表面にストライプ状に形成される。
【００３１】
上記実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記基板の表面にストライプ状の凹部を形成することによって、その凹部に沿った両側の領域上に歪がなくかつ結晶性の良好なIII族窒化物半導体膜を形成できる。
【００３２】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記凹部が上記基板の表面に網目状に形成される。
【００３３】
上記実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記基板の表面に網目状の凹部を形成することによって、その凹部に囲まれた領域上に歪がなくかつ結晶性の良好なIII族窒化物半導体膜を形成できる。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
また、この発明のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、
レーザ光導波路構造を有するIII族窒化物系半導体材料からなるIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
請求項１乃至４のいずれか１つに記載のIII族窒化物半導体の加工方法を用いて、上記III族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面の少なくとも一方をプラズマにより加工することを特徴とする。
【００３７】
上記構成のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いてIII族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面の少なくとも一方の面を加工するときに共振器端面にダメージを与えることがない。これにより、共振器端面において結晶学的に乱れのない表面が得られる。したがって、III族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面を形成するときに発生する端面表面近傍のマイクロクラックなどの結晶欠陥を容易に除去することができ、端面損傷に強くて信頼性が高くかつ寿命特性の良好なIII族窒化物半導体レーザ素子を作成できる。
【００３８】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、プラズマエッチングにより形成された上記共振器端面を上記プラズマにより加工する。
【００３９】
上記実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、プラズマエッチングを用いた共振器端面の作成時に生じたマイクロクラックなどの欠陥を、プラズマにより加工することにより除去できる。
【００４０】
また、一実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、結晶の劈開を用いて形成された上記共振器端面を上記プラズマにより加工する。
【００４１】
上記実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、結晶の劈開を用いた共振器端面の作成時に生じたマイクロクラックなどの欠陥を、プラズマにより加工することにより除去できる。
【００４２】
【００４３】
【発明の効果】
【００４４】
以上より明らかなように、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法によれば、表面にダメージを与えることなく、III族窒化物半導体を精度の高い高速加工が可能なIII族窒化物半導体の加工方法を実現することができる。
【００４５】
また、この発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いて、窒化物半導体膜の歪みを抑えることができて、長寿命のIII族窒化物半導体発光素子を歩留まりよく、かつより簡便に作製できるIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００４６】
また、この発明のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記III族窒化物半導体の加工方法を用いて、III族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面を形成するときに発生する端面表面近傍のマイクロクラックなどの結晶欠陥を容易に除去することができ、端面損傷に強いIII族窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法、III族窒化物半導体発光素子の製造方法、III族窒化物半導体レーザ素子の製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４８】
〔第１実施形態〕
図１Ａはこの発明の第１実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法に用いられる大気圧プラズマ加工処理装置の模式図であり、図１Ｂは図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置の一部を示す模式的な斜視図である。
【００４９】
この大気圧プラズマ加工処理装置は、図１Ａに示すように、III族窒化物半導体をプラズマ加工処理する反応場となる内部空間が設けられた反応容器１を有している。この反応容器１は、その内部空間に反応容器１の底面に対して水平に設けられた基板ステージ４と、この基板ステージ４の上方に、回転軸３が基板ステージ４に対して平行になるように設けられた円筒型回転電極２とを有している。
【００５０】
上記円筒型回転電極２の回転軸３に、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７を、回転軸３の回転を阻害することなく接続している。そして、基板ステージ４を反応容器１の外部において接地している。また、基板ステージ４の内部に、基板ステージ４上に載置される円柱形状のIII族窒化物半導体６を加熱するためのヒータ５を内蔵している。
【００５１】
また、基板ステージ４は、図１Ａの矢印Ａで示すように、円筒型回転電極２の回転軸３に対して略直角にかつ水平方向に走査可能になっている。また、基板ステージ４は、上下方向にも移動可能になっている。そして、基板ステージ４が上下方向に移動することにより、上方の円筒型回転電極２との距離を適宜変更することができる。また、基板ステージ４には、基板ステージ４上に載置されるIII族窒化物半導体６を吸着固定するための真空チャック(図示せず)を設けており、基板ステージ４の移動によって、プラズマ加工処理中のIII族窒化物半導体６が載置位置からずれないように、真空チャックによりIII族窒化物半導体６を基板ステージ４に固定している。
【００５２】
さらに、反応容器１の一方の側部に、塩素含有ガスを導入するためのガス導入ライン８を設けており、このガス導入ライン８を、ガスを供給するガスボンベ等(図示せず)に接続している。反応容器１の他方の側部に、反応容器１内のガスを排出するためのガス排気ライン９を設けている。ガス排気ライン９を、反応器１の外部にガス(図示せず)を吸引するためのポンプ(図示せず)に接続している。
【００５３】
このような構成の大気圧プラズマ加工処理装置を用いて、III族窒化物半導体６の表面をプラズマ加工処理する方法の一例について以下に説明する。
【００５４】
まず、反応容器１の内部のガスをガス排気ライン９によって十分に排気した後、ガス導入ライン８から塩素含有ガスを反応容器１の内部に導入する。
【００５５】
ここで、反応容器１の内部の圧力を、大気圧または大気圧近傍の圧力としている。そして、塩素含有ガスを反応容器１の内部に導入した後には、所定の条件を設定する。すなわち、円筒型回転電極２の回転周速度、円筒型回転電極２と基板ステージ４上に載置されたIII族窒化物半導体６との間の距離、基板ステージ４の走査方向および走査速度、III族窒化物半導体６を加熱するヒータ５の温度等を設定する。
【００５６】
そして、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７からの高周波電力を、回転軸３を介して円筒型回転電極２に印加する。この高周波電力が円筒型回転電極２に印加されることにより、円筒型回転電極２と基板ステージ４との間に電場が生じる。
【００５７】
上記円筒型回転電極２と基板ステージ４との間に形成された電場は、円筒型回転電極２の表面(母線に沿った領域)とIII族窒化物半導体６の表面(上側平面)との間に供給された塩素含有ガスを分解および励起して、円筒型回転電極２とIII族窒化物半導体６の表面との間にプラズマ１３を形成する。このプラズマ１３がIII族窒化物半導体６の表面に接触し、プラズマ１３によって生成した塩素活性種がIII族窒化物半導体６の表面のIII族原子に作用してIII族塩化物が生成される。そして、生成されたIII族塩化物が気相中に気化して拡散することによって、III族窒化物半導体６の加工が進展する。
【００５８】
また、円筒型回転電極２は、図１Ｂに示すように高速回転していることから、円筒型回転電極２の表面と塩素含有ガスとの間の粘性によって、塩素含有ガスが回転する円筒型回転電極２の表面とともに移動して、円筒型回転電極２表面の回転方向の上流側からプラズマ１３に均一に供給される。その結果、大気圧下でプラズマ１３による加工処理を行う場合であっても、III族窒化物半導体６の加工処理を高速化できる。また、加工のときに生成されたIII族塩化物を、プラズマ１３から円筒型回転電極２表面の回転方向の下流側の外部へ効果的に排出することができるので、III族窒化物半導体６の加工品質を向上させることができる。
【００５９】
さらに、III族窒化物半導体６が載置された基板ステージ４を所定の走査方向に所定の速度で走査させることによって、円筒型回転電極２をIII族窒化物半導体６の表面に対して平行な方向に相対的に移動させながら、プラズマ１３をIII族窒化物半導体６と接触させることもできる。このように、円筒型回転電極２をIII族窒化物半導体６の表面に対して平行方向に相対的に移動させることによって、III族窒化物半導体６の表面が大きい場合でもIII族窒化物半導体６の表面全体を加工することができる。
【００６０】
なお、円筒型回転電極２をIII族窒化物半導体６の表面に対して相対的に移動させる方法としては、上記のようにIII族窒化物半導体６のみを移動させてもよく、III族窒化物半導体６を固定した状態で円筒型回転電極２のみを移動させてもよい。また、III族窒化物半導体６と円筒型回転電極２の双方を移動させて、円筒型回転電極２をIII族窒化物半導体６の表面に対して相対的に移動させてもよい。
【００６１】
また、円筒型回転電極２とIII族窒化物半導体６の表面との間の距離を略一定とした状態で、円筒型回転電極２をIII族窒化物半導体６の表面に対して平行な方向に相対的に移動させることが好ましい。この場合には、III族窒化物半導体６の表面の加工ばらつきを低減することができる。
【００６２】
なお、この発明において用いられる塩素含有ガスは、塩素ガスと希ガスとの混合ガスが好ましく、希ガスとしては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガスまたはキセノンガスのいずれか１種または複数種を用いることができる。
【００６３】
また、この第１実施形態において反応容器１の内部の圧力は特に大気圧において最もその効果を発揮するものであるが、この発明においては１００Ｔｏｒｒ〜２気圧を好適な圧力範囲とし、適用可能な圧力範囲としては例えば１０Ｔｏｒｒ〜５気圧が挙げられる。
【００６４】
また、この第１実施形態においてIII族窒化物半導体として、ＧaＮ、ＡlＮ、ＩnＮの他に、ＡlＧaＮやＡlＧaＩnＮ等の３元混晶や４元混晶も含まれる。
【００６５】
(第１実施例)
次に、図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置を用いた第１実施例について説明する。この第１実施例では、単結晶ＧaＮ基板の加工量と基板加熱温度について検討した。
【００６６】
図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置の反応容器１の内部に０.１体積％の塩素ガスと９９.９体積％のヘリウムガスとからなる混合ガスを導入し、反応容器１の内部の圧力を１気圧とした。円筒型回転電極２とIII族窒化物半導体の一例としての単結晶ＧaＮ基板との間の距離を４００μｍに設定し、円筒型回転電極２の回転周速度を０.８４ｍ／ｓに設定した。
【００６７】
そして、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７から高周波電力を電力密度３０００Ｗ／ｃｍ3で回転軸３を介して円筒型回転電極２に印加することによって、円筒型回転電極２と単結晶ＧaＮ基板との間にプラズマ１３を形成した。そして、ヒータ５により１５０℃に加熱された単結晶ＧaＮ基板の表面にプラズマ１３を１分間接触させることによって、単結晶ＧaＮ基板を加工した。同様に、１９０℃、２５０℃、３４０℃に加熱した場合も実施した。
【００６８】
図２は、第１実施例における単結晶ＧaＮ基板の加工量と加熱温度との関係を示している。図２に示すように、１５０℃、１９０℃の場合は、他に比べて加工量が非常に小さい。これは、Ｇa塩化物の沸点が２００℃であるため、生成したＧa塩化物が完全には気化せず基板表面に残存し、加工を阻害しているためと考えられる。２５０℃に加熱した場合と、３４０℃に加熱した場合とを比較すると、加工量に大きな差がなく、２５０℃の加熱によって、生成したＧa塩化物が十分に気化している。
【００６９】
このことを裏付けるために、２５０℃に加熱して加工した単結晶ＧaＮ基板の加工後の表面をエネルギー分散型Ｘ線分析装置(ＥＤＡＸ：Energy Dispersive Analysis of X-ray)により組成分析を行った結果を図３Ａ,図３Ｂに示している。図３Ａ,図３Ｂにおいて、横軸はＸ線エネルギー[kｅＶ]を表し、縦軸は強度[任意目盛]を表している。
【００７０】
図３Ａからは、ＧaのピークとＮのピークによりＧa,Ｎの存在を確認することができる。また、図３Ｂは、図３Ａの点線で囲む領域を拡大したもので、Ｃｌが存在すればピークが観察されるエネルギー領域を拡大したものである。図３Ｂにおいて、ピークが観察されず、Ｃｌは検出されなかった。また、この組成分析において、加工前後でＧaとＮの組成比に変化がないことも確認できた。
【００７１】
さらに、カソードルミネッセンス(ＣＬ)法にて、加工前後のバンド端発光強度を比較した測定結果を図４に示している。図４において、横軸は波長[ｎｍ]を表し、縦軸はバンド端発光強度[任意目盛]を表し、点線がエッチング前のバンド端発光強度を示し、実線がエッチング後のバンド端発光強度を示している。
【００７２】
図４から明らかなように、波長３６４ｎｍのバンド端発光強度が、加工後は大きく増加していた。表面全域において同様の傾向であり、ダメージのない精度の高い加工表面が実現できた。
【００７３】
(第２実施例)
次に、図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置を用いた第２実施例について説明する。この第２実施例では、単結晶ＧaＮ基板の加工量と加工時間について検討した。
【００７４】
図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置の反応容器１の内部に０.１体積％の塩素ガスと９９.９体積％のヘリウムガスとからなる混合ガスを導入し、反応容器１の内部の圧力を１気圧とした。円筒型回転電極２とIII族窒化物半導体の一例としての単結晶ＧaＮ基板との間の距離を４００μｍに設定し、円筒型回転電極２の回転周速度を０.８４ｍ／ｓに設定した。
【００７５】
そして、反応容器１の外部に設けられた高周波電源７から高周波電力を電力密度３０００Ｗ／ｃｍ3で回転軸３を介して円筒型回転電極２に印加することによって、円筒型回転電極２と単結晶ＧaＮ基板との間にプラズマ１３を形成した。そして、ヒータ５により２５０℃に加熱された単結晶ＧaＮ基板の表面にプラズマ１３を６０秒間接触させることによって、単結晶ＧaＮ基板を加工した。同様に、１０秒、３０秒、３００秒の場合も実施した。
【００７６】
図５に、第２実施例における単結晶ＧaＮ基板の加工量と加工時間との関係を示す。図３に示すように、例えば加工時間が６０秒の場合の加工速度は約１３００ｎｍ／ｍｉｎであり、高速加工が実現できており、実用的な加工速度である。なお、加工時間が長くなるに従って加工速度が減少することに関しては、加工中は反応容器１を完全に密閉し、ガスの供給・排気を行っていないので、塩素濃度が減少したためであると考えられる。
【００７７】
以上の第１,第２実施例に示したように、ダメージのない高精度な加工が高速で可能である。なお、上記実施の形態および第１,第２実施例はすべての点で例示であって制限的なものではなく、この発明の範囲は、上記実施の形態および第１,第２実施例の説明だけではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７８】
また、上記第１,第２実施例では、III族窒化物半導体として単結晶ＧaＮ基板の加工を行い、III族塩化物としてＧa塩化物の沸点２００℃以上に単結晶ＧaＮ基板を加熱したが、III族窒化物半導体がＧaＮ以外の例えばＡlＮやＩnＮの場合は、それぞれのIII族塩化物の沸点温度以上にIII族窒化物半導体を加熱する。また、III族窒化物半導体が例えばＡlＧaＮやＡlＧaＩnＮ等の３元混晶や４元混晶の場合は、複数のIII族元素の塩化物のうち、最も高いIII族塩化物の沸点温度以上にIII族窒化物半導体を加熱する。
【００７９】
次に、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法の第２実施形態について説明する前に、その背景について詳細を説明する。
【００８０】
ＧaＮ、ＡlＮ、ＩnＮおよびそれらの混晶に代表されるIII族窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。この半導体レーザ素子の基板には、ＧaＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。ただし、現在のところ半導体レーザ素子の寿命は十分ではなく、更なる長寿命化が必要とされる。この半導体レーザ素子の寿命は、ＧaＮ基板にもともと存在する欠陥(結晶の規則性を乱す空孔、格子間原子、転位等)の密度に強く依存することが知られている。しかし、長寿命化に効果があると言われる欠陥密度が低い基板は得られにくく、欠陥密度の低減に向けて盛んに研究がなされている。
【００８１】
一例として、ＧaＮ基板の製造に、次の方法を用いることが、「Applied Physics Letter. Vol.73 No.6 (1998) pp.832-834」に報告されている。すなわち、サファイア基板上にＧaＮ層を成長し、そのＧaＮ層上に０.１μｍの膜厚の周期的なストライプ状の開口部をもつＳiＯ2マスクパターンを形成し、再びＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法により、２０μｍ厚のＧaＮ層を形成して、ウェハーを得る。これは、ＥＬＯＧ(Epitaxially Lateral Over Grown)と呼ばれる技術であり、ラテラル成長の利用により、欠陥を低減する手法である。
【００８２】
さらに、ＨＶＰＥ法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)により２００μｍ厚のＧaＮ層を形成し、下地であるサファイア基板を除去することで１５０μｍ厚のＧaＮ基板を製造する。次に、得られたＧaＮ基板の表面を平坦に研磨する。この様にして得られた基板では、欠陥密度が１０6ｃｍ-2以下と低いことが知られている。
【００８３】
しかし、上記の方法で得られた基板のように低欠陥な基板上に、III族窒化物半導体膜をＭＯＣＶＤ等の成長方法で成長して半導体レーザ素子を作製した場合においても、実用化に十分な寿命が得られないことが分かった。この原因に対して鋭意研究を重ねた結果、III族窒化物半導体膜に内包される歪みおよびクラックが半導体レーザ素子の劣化および歩留まりに大きな影響を与えていることが判明した。例え、III族窒化物半導体膜とホモエピタキシャルとなるＧaＮ基板を用いたとしても、成長されるIII族窒化物半導体膜には、ＧaＮと格子定数や熱膨張係数が異なるＩnＧaＮ、ＡlＧaＮなどの層が含まれる。これらＧaＮとは異なる層の存在により、活性層のＩnＧaＮなどは圧縮応力を受けることになる。膜内部に内包されるこれらの歪みのために、半導体レーザ素子の劣化が加速されることが分かった。
【００８４】
また、III族窒化物半導体膜にクラックが多数発生し、歩留まりが悪くなるという問題があるが、クラックの発生にも膜内部に内包される歪みが大きく影響している。
【００８５】
この点を詳細に説明する。III族窒化物半導体膜からなるレーザ構造をIII族窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長した場合、クラックが多数(例えば、１ｍｍ幅内に数本以上)発生し、所要の特性のデバイスが得られる歩留まりが極めて低くなるという問題がある。得られたデバイス内にクラックが発生していると、レーザ発振が得られない。または、レーザ発振が起こるにしても、そのデバイスの寿命が極めて短く、とても実用に耐えられるものではない。このようなクラックの発生は、Ａlを含む層を設けたデバイス構造において顕著であって、III族窒化物系半導体レーザ素子においては通常このような層が存在するので、クラックの発生を低減することは非常に重要であった。
【００８６】
このようなクラックの発生を低減するために、特開２００５−６４４６９号公報では、次のような技術が開示されている。
【００８７】
少なくとも表面がIII族窒化物半導体である基板と、基板の表面上に積層されストライプ状のレーザ光導波路構造を有するIII族窒化物半導体膜より成るIII族窒化物半導体レーザ素子において、基板の表面が、欠陥密度が１０6ｃｍ-2以下の低欠陥領域と凹部とを有し、III族窒化物半導体膜のレーザ光導波路構造が、基板の表面の凹部から外れた低欠陥領域の上方に位置する構成とする。
【００８８】
上記のように、基板表面に凹部を形成することにより、III族窒化物半導体膜を成長させるとき、基板の凹部上については様々な方向から成長が進んで成長の会合部に欠陥が生じる一方で、凹部以外の部位では規則正しく成長が進行して、欠陥を伴う成長の会合が抑えられる。また、凹部から外れた低欠陥領域の上方は、基板の欠陥に由来する欠陥が少ない上、新たに生じる欠陥も抑えられることになり、歪みが生じ難い。III族窒化物半導体膜のレーザ光導波路構造が、このように歪みのない部位に存在することで、長寿命の素子となる。また、例えクラックが発生したとしても、その位置はレーザ光導波路構造から離れた位置に限られるため、歩留まりも向上する。
【００８９】
しかし、上記特開２００５−６４４６９号公報では、III族窒化物半導体基板表面に凹部を形成するとき、図１４に示すような次の工程を必要としていた。
【００９０】
まず、III族窒化物半導体基板としてのＧaＮ基板上にＳiＯ2等を膜厚１μｍでスパッタ蒸着を行う(ステップＳ１)。その後、一般的なフォトリソグラフィ工程により、レジストで [1−100]方向にストライプのウィンドウを形成する(ステップＳ２,Ｓ３)。その後、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma：誘導結合高周波プラズマ)またはＲＩＥ(Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング)により、ＳiＯ2およびIII族窒化物半導体基板をエッチングする(ステップＳ４)。その後、ＨＦなどのエッチャントによりＳiＯ2を除去する(ステップＳ５)。以上の工程を経て、III族窒化物半導体基板表面にストライプ状に凹部を形成している。
【００９１】
このように、上記特開２００５−６４４６９号公報では、III族窒化物半導体基板表面に凹部を形成するために、複数の工程が必要であり、大きなコストと時間を要していた。
【００９２】
この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、欠陥密度が低い基板を用いたIII族窒化物半導体レーザ素子等のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、III族窒化物半導体膜に内包される歪みが少なく、長寿命のものを、より簡便にかつ高い歩留まりで提供する。
【００９３】
以下、この発明の第２実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【００９４】
〔第２実施形態〕
この第２実施形態のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法におけるIII族窒化物半導体基板は、基板全面において、ほぼ１０6ｃｍ-2以下の低欠陥密度の基板とする。なお、低欠陥密度の基板とは、基板面内全域において低欠陥領域が存在する基板だけでなく、基板面内の一部に低欠陥密度の領域を含む基板をさす。低欠陥領域はどのように分布してもよいが、低欠陥領域を含むように半導体レーザ素子のレーザストライプを作りこむ必要がある。
【００９５】
次に、上記基板表面に対して、ストライプ状に凹部を形成する。
【００９６】
ここで、この第２実施形態においては、大気圧または大気圧近傍の圧力下でプラズマを生成して、上記凹部を形成する。以下、図６、図７を参照にしてこの発明のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００９７】
この第２実施形態で使用する大気圧プラズマ加工処理装置は、図６に示すように、反応容器１０１と、電極１０２と、電力供給部材１０３,１０４と、高周波電源１０５と、基板ヒータ１０７と、XYステージ１０８と、ベローズ１０９と、昇降機構１１０と、絶縁部材１１１と、プロセスガスのガス供給部１１２と、流量制御装置１１３と、ガスボンベ１１４と、排気ポンプ１１５と、整合器１１６とを主に有している。
【００９８】
図６に示すように、高周波電源１０５から出力された高周波電力は、整合器１１６と、絶縁部材１１１により電気的に接地されていない電力供給部材１０３,１０４を介して反応容器１０１内の電極１０２に供給される。また、プロセスガスについては、ガスボンベ１１４から流量制御装置１１３とガス供給部１１２を介して反応容器１０１内に供給される。ここでプロセスガスとは、プラズマの生成・維持を促進するヘリウムやアルゴンなどの希ガスや実際にエッチングなどの加工に寄与する塩素ガスなどのことを示す。
【００９９】
基板ヒータ１０７およびXYステージ１０８は金属材料から成り、接地された状態になっている。電極１０２と基板ヒータ１０７との間に高周波電圧を印加することにより、両者の間の空間に電界が形成され、ガス供給部１１２から供給されたプロセスガスを励起して、プラズマ１１７を生成する。被処理体である基板１０６は図示しない搬送部により、基板ヒータ１０７上に載置され、プラズマ１１７内で生成されたラジカルなどの反応種により加工される。このとき、基板１０６の温度が、使用するハロゲンガスと基板１０６との化合物の沸点以上となるように、基板ヒータ１０７により基板１０６を加熱しておく。加工に使用されたガスや余剰のガスは排気ポンプ１１５により装置外に排気される。
【０１００】
このように構成された大気圧プラズマ加工処理装置において、プラズマプロセスを次のようにして行う。なお、この第２実施形態では、ハロゲンガスとして塩素ガスを用い、被処理体の基板として窒化ガリウム基板を用いて、基板表面をエッチング加工する処理を例として説明する。
【０１０１】
まず、基板１０６を基板ヒータ１０７の所定の位置に載置した後、反応容器１０１内が排気ポンプ１１５により真空排気される。一度、反応容器１０１内を真空排気することにより、加工処理を行うときの反応容器１０１内の状況の再現性を向上させることができ、プラズマプロセスを安定して行うことができる。
【０１０２】
次に、プロセスガスの供給を行う。ガスボンベ１１４から供給されたプロセスガスは、流量制御装置１１３により所定の混合比に設定された状態で、ガス供給部１１２により反応容器１０１内に大気圧近傍の圧力になるまで導入される。
【０１０３】
所定の圧力までプロセスガスが供給された後、基板１０６表面と電極１０２の間隔が所定の値になるまで、昇降機構１１０により電極１０２を下降させる。なお、昇降機構１１０はベローズ１０９を介して反応容器１０１外に設置されている。
【０１０４】
基板１０６表面と電極１０２の間隔を設定した後、高周波電源１０５より整合器１１６および電力供給部材１０３,１０４を介して、高周波電力を電極１０２に供給する。それにより、電極１０２と基板１０６の間に電界が形成され、供給されたプラズマプロセスガスを励起して、プラズマ１１７を生成する。プラズマ１１７を生成した後、XYステージ１０８が水平方向に移動し、基板１０６表面に対して加工を行う。加工量については、XYステージ１０８の搬送スピード、搬送回数により制御することができる。
【０１０５】
この第２実施形態においては、先端を鋭利な形状とした０.３ｍｍφのグラファイトから成る電極を電極１０２に使用した。供給する高周波の周波数を１５０ＭＨz、投入電力を６０Ｗ、基板１０６表面と電極２の間隔を０.５ｍｍと設定し、Ｈe=９８％、Ｃl2=２％の条件下でプラズマを生成した。基板温度は、ガリウムと塩素の化合物であるＧaＣl3の沸点以上となる２３０℃と設定した。XYステージ１０８の搬送スピードを２ｍｍ／ｍｉｎ、搬送回数を１回と設定し、図７に示すように電極１０２に対して基板１０６を相対的に移動させる。このような条件で加工を行った結果、基板１０６表面上にフォトリソグラフィ工程を経て作成した場合とほぼ同形状のストライプ状の凹部を形成することができた。このように、基板１０６を移動させてストライプ状の凹部を形成する方法を用いると、プラズマの生成条件を変更することなく、基板１０６の搬送速度や搬送回数を変更するだけで、加工量を制御することができる。なお、図中の矢印Ｒ１は基板１０６の搬送方向を示している。
【０１０６】
以上のように、この発明によるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法を用いることにより、従来の製造方法と比べて、複数の工程を必要とせず、より簡便に基板表面上に凹部を形成することができる。
【０１０７】
また、この発明を用いることにより、以下のような効果も得ることができる。
【０１０８】
この発明によるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、大気圧近傍の圧力下でプラズマを生成する。大気圧近傍の圧力下でのプラズマ中のイオンの平均自由行程は０.１μｍ程度であり、また、高周波の周波数が１５０ＭＨzであれば通常イオンはプラズマ中でほぼ静止しているか、振動してプラズマ中の分子と原子と衝突しているため、イオンは基板１０６表面には達することがなく、物理的な衝突は起きない。また、電気的に中性なラジカル(塩素活性種)は基板１０６表面に達するが、基板１０６と化学的な反応のみを起こす。よって、基板表面に対する物理的な損傷を抑制することができる。
【０１０９】
また、従来例のように、ＳiＯ2膜を基板表面に形成する必要がないので、III族窒化物半導体発光素子に対する異種材料の混入を防ぐことができる。また、ストライプ状の凹部を形成するために、ＳiＯ2およびＧaＮ基板をエッチングするとき、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング)を用いた場合、基板に対してイオンの衝突が発生するので、物理的な損傷が発生する恐れがある。これに対して、この発明を用いた場合は、上記のように基板に対する物理的な損傷を抑制することができる。また、従来のように工程数が多い場合、使用する装置の数が増加し、各々の装置の経時的な変化が発生すると、プロセスの再現性が低下する可能性があった。しかし、この発明を用いた場合、１工程のみの加工プロセスなので、再現性良く行うことができる。
【０１１０】
ここで、電極については、上記第２実施形態で示すような材質・形状のものと限らない。図８(a),図８(b)に示す電極１４０Ａ,１３０Ｂのような先端の形状が針状でないものや、球状のものでもよい。また、グラファイト製ではなく、図８(c)に示す電極１４０Ｃのように、金属製の電極部材１３１の基板と対向する面に誘電体部材１３２を配置した構成の電極や、図８(ｄ) に示す電極１４０Ｄのように、金属製の電極部材１３１の表面に誘電体被覆部材１３３を溶射などの方法で形成した電極を用いても良い。ここで、図６,図８に示すような棒状の電極は、天地方向を回転軸とした回転機構(図示せず)を用いて、回転させた状態で用いても良い。電極を回転させた状態でエッチングを行うことにより、電極先端の形状が直接加工形状に反映することがなくなり、より対称な形状の凹部を形成することができる。
【０１１１】
また、図９(a)は断面５角形の角柱形状の電極１４０Ａ、図９(b)は、図９(a)に示す断面５角形の角柱形状の電極１４０Ａの下端の稜線を平らにした断面６角形の角柱形状の電極１４０Ｂ、図９(c)は断面５角形の柱形状の電極１４０Ｃ、図９(d)は円柱形状の電極１４０Ｄを示している。
【０１１２】
図９(a)に示す電極１４０Ａのようなある一方の端面の面積が小さく鋭利な形状となっている板状のものでも良い。このような形状のものを用いた場合は、基板を搬送することなくストライプ状の凹部を形成することができる。また、端面の形状については図９(b)〜図９(d)に示す電極１４０Ｂ〜１４０Ｄのようなものでも良く、図８(c),図８(d)と同様に金属製の電極部材の表面に誘電体を設置、または被覆したものでも良い。また、図６,図８に示すような棒状の電極が複数並列に配置された櫛歯状の電極や、図９に示すような板状の電極が複数並列に配置された電極としても良く、棒状の電極と板状の電極が複数組み合わされたものなどでも良い。
【０１１３】
なお、この第２実施形態において、ヘリウムガスと塩素ガスとの混合ガスを使用したが、必ずしもこれに限らない。ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガスまたはキセノンガスのいずれか１種または複数種を用いることができる。
【０１１４】
また、この第２実施形態において、反応容器である反応容器１０１の内部の圧力は、特に大気圧において最もその効果を発揮するものであるが、１００Ｔｏｒｒ〜２気圧を好適な圧力範囲とし、適用可能な圧力範囲としては例えば１０Ｔｏｒｒ〜５気圧が挙げられる。
【０１１５】
また、この第２実施形態においてIII族窒化物半導体基板としてＧaＮを用いたが、ＡlＮやＩnＮでも適用することができる。
【０１１６】
次に、この第２実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法により、表面にストライプ状の凹部を形成した基板を用いてIII族窒化物半導体発光素子を形成した場合の効果について説明する。
【０１１７】
図１０(a)に、この第２実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法を用いて得られた基板を示す。１５０はＧaＮ基板、１５１は表面平坦部、１５２は大気圧プラズマでエッチングした領域である。以下、ＧaＮ基板１５０のうち、エッチングによって除去されて凹部となった部分１５２を、掘り込み領域と呼ぶ。掘り込み領域の作製は、低欠陥領域を含むＧaＮ基板上に、一度ＧaＮ、ＩnＧaＮ、ＡlＧaＮ、ＩnＡlＧaＮ等の薄膜を成長し、その後に行っても構わない。つまり、一度成長を行い、次に掘り込み領域を形成して、III族窒化物半導体膜を成長した場合であっても、この発明に含まれる。
【０１１８】
このＧaＮ基板１５０上に、図１１に示すIII族窒化物半導体膜を成長させて、図１０(b)に示すような第２実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子を得る。図１０(b)は、半導体レーザ素子の断面図であり、光出射方向から見た図である。
【０１１９】
ここで、１５０はｎ型ＧaＮ基板であり、この基板１５０中には低欠陥領域が存在している。
【０１２０】
図１１に示すIII族窒化物半導体膜は、ｎ型ＧaＮ層(１.０μｍ)１６０上にｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第一クラッド層(１.５μｍ)１６１、ｎ型Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ第二クラッド層(０.２μｍ)１６２、ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第三クラッド層(０.１μｍ)１６３、ｎ型ＧaＮガイド層(０.１μｍ)１６４、ＩnＧaＮ／ＧaＮ−３ＭＱＷ活性層(ＩnＧaＮ／ＧaＮ＝４ｎｍ／８ｎｍ)１６５、ｐ型Ａl0.3Ｇa0.7Ｎ蒸発防止層(２０ｎｍ)１６６、ｐ型ＧaＮガイド層(０.０５μｍ)１６７、ｐ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎクラッド層(０.５μｍ)１６８、ｐ型ＧaＮコンタクト層１６９(０.１μｍ)が順番に積層されている。
【０１２１】
この図１１のIII族窒化物半導体膜と同じ構成のIII族窒化物半導体膜(エピタキシャル成長層)１５３が基板１５０上に形成されている。また、III族窒化物半導体膜１５３上面には、レーザ光導波路構造であるレーザストライプ１５４が作製されている。このレーザストライプ１５４は、基板１５０に含まれる低欠陥領域上に位置するように形成される必要がある。この第２実施形態で用いている基板は、基板全面で低欠陥領域であるため、どこにレーザストライプを形成してもよいが、掘り込み領域上には、レーザストライプを形成してはいけない。その理由に関しては後述する。
【０１２２】
III族窒化物半導体膜１５３の上面には、電流狭窄を目的とした電流狭窄用ＳiＯ2膜１５５が形成されており、その電流狭窄用ＳiＯ2膜１５５の上面にはｐ型電極１５６が形成されている。また、基板５０下面には、ｎ型電極１５７が形成されている。III族窒化物半導体膜１５３のうちの掘り込み領域１５２上に位置する部位の上面は、掘り込み領域１５２の影響を受けて凹部となっている。
【０１２３】
上記掘り込み領域１５２上の部位の上面が凹部となるか否かは、III族窒化物半導体膜の厚さによる。なお、III族窒化物半導体膜の厚さが大きくなると、掘り込み領域１５２上の部位の上面の平坦性が上がるが、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、掘り込み領域の上部が凹部となっているか平坦であるかは問題ではない。
【０１２４】
図１０(b)において、レーザストライプ１５４の中央部と掘り込み領域１５２の端との距離をｄで表すとき、ｄ＝４０μｍとした。この第２実施形態では、全面においてクラックが全くない窒化物半導体膜１５３が得られた。
【０１２５】
そして、ウェハーを分割してIII族窒化物半導体レーザ素子とするには、一般の素子化プロセスを採用することができる。この素子化プロセスについては説明を省略する。チップ分割後のIII族窒化物半導体レーザ素子内には、クラックは認められなかった。そのため、III族窒化物半導体レーザ素子の発振特性が安定し、この第２実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の所定の発振特性(光出力が３０ｍＷの時の駆動電流Ｉopが７０ｍＡ以下である。)が得られる歩留まりは９０％を超えた。
【０１２６】
このようにして素子化されたIII族窒化物半導体レーザ素子の寿命試験を、ＡＰＣ(Automatic Power Control)駆動で６０℃、出力３０ｍＷの条件下で行った。寿命試験における各素子の発光波長は４０５±５ｎｍであった。各ウェハーから、所定の初期特性を満足した素子を無作為に５０素子取り出し、III族窒化物半導体レーザ素子の寿命が３０００時間を越えた数を歩留まりとして調べた。このとき、この第２実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の歩留まりは８５％を超えた。
【０１２７】
ここで、掘り込み領域上部に、レーザストライプを形成してはいけない理由について説明する。
【０１２８】
III族窒化物半導体膜のエピタキシャル成長工程において、掘り込み領域上部は、掘り込まれていない両脇部分から横方向に膜の成長が起こり、掘り込み領域の凹部に流れ込みが生じる。このとき両脇から押されるため、掘り込み領域上部は、掘り込まれていない領域に比べ大きな歪みを内包することになると考えられる。また、掘り込み領域は両側が壁になっているために、両側に広がろうとする成長を壁によって妨げられて歪みを内包することになる。掘り込み領域の成長は複雑で、色々な方向からの成長(掘り込み領域の底面からの通常の成長、掘り込み領域の側面からの成長、掘り込まれていない領域からの流れ込み成長など)が起こるため、歪み量が掘り込み領域内でも異なるばかりでなく、歪む方向も場所によって異なってくるため、再現性に乏しく安定しない。このことが歩留まりを落とす原因であると考えられる。
【０１２９】
また、色々な方向からの成長が起こるため、各成長の会合部には、転位や欠陥等が多く発生する。したがって、掘り込み領域上にレーザストライプを作製すると、この転位や欠陥等により劣化が促進されることになって、長寿命化ができない。
【０１３０】
一方、掘り込まれていない領域は、III族窒化物半導体膜のエピタキシャル成長に際して掘り込み領域に流れ込むため、歪みを外側に解放することができる。この歪みの解放がクラックの発生を抑えると同時に、掘り込まれていない領域の歪みを解放する。この歪みの解放は非常に再現性良く安定して生じる。また、掘り込み領域上とは異なり、色々な方向からの成長がないため、転位、欠陥等も少なく良好な結晶性の膜となる。これらの理由で、掘り込まれていない領域上にレーザストライプを作製すると、III族窒化物半導体レーザ素子の信頼性が向上し、寿命特性も向上したものと考えられる。
【０１３１】
この第２実施形態では、掘り込み領域１５２を作製し、掘り込み領域１５２の上部以外の表面平坦部１５１にレーザストライプ１５４を作りこむことにより、ＬＤ素子特性の信頼性を格段に向上させ、クラックの発生を抑え、歩留まりを飛躍的に改善することができた。
【０１３２】
ここで、III族窒化物半導体レーザ素子のレーザストライプ１５４は、掘り込み領域１５２の影響によるばらつき(歪みと平坦性)を抑えるために、掘り込み領域１５２からある程度の距離、最低でも５μｍ以上離す必要がある(３０μｍ以上離したほうが望ましい)。掘り込み領域１５２から５μｍ未満の位置では、基板からの欠陥の伝搬を横方向成長によって抑制するような効果は得られない。
【０１３３】
この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、基板に設ける掘り込み領域１５２は、いわゆるラテラル(横方向)成長技術(例えばＥＬＯＧ技術など)の効果により、基板から結晶成長膜に伸びる欠陥の密度を低減する目的で基板に溝を設ける技術とは、全く異なっている。欠陥密度を低減する目的の場合、横方向成長による効果を得るために、溝の間隔は、通常形成させられる層の膜厚程度以下であり、最大限の間隔を広げたとしても、その３倍程度以下である。この構造では、上記に示したような溝に平行な方向に層厚が均一になるという領域が得がたいため、レーザストライプを形成したときに、ストライプ方向に変化した均一でない膜厚分布になってしまい好ましくない。
【０１３４】
一方、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法における掘り込み領域１５２は、このような基板から結晶成長膜に伸びる欠陥の密度を低減する目的で設けられたものではなく、レーザストライプ位置における平坦度をある程度保持し、かつ、クラックを有効に防止する目的で設けるものである。その間隔は、半導体レーザ素子の幅程度のオーダであって、最小限で、５０μｍ程度になる。好ましくは１００μｍ以上離したほうが良い。
【０１３５】
ここで、掘り込み領域のパターンとしては、図１２(a)に示すように、２本の掘り込み領域１７２がある間隔で並んでいる場合であっても良いし、図１２(ｂ)〜図１２(ｄ)に示すように、掘り込み領域１７２の本数が２本以上であっても、また異なる周期が、混在していてもよく、また、１本と２本の掘り込み領域１７２のパターンが混在しているなど、様々な場合が考えられるが、表面平坦部１７１と掘り込み領域１７２との周期が、III族窒化物半導体レーザ素子の幅程度のオーダである５０μｍ以上あればよい。
【０１３６】
また、掘り込み領域の方向に関して、図１０において[１−１００]方向に平行に掘り込み領域を形成しているが、例えば[１１−２０]方向に平行に掘り込み領域を形成しても良いし、この発明の効果は基本的に掘り込む方向には依存しないため、どの方向に形成してもよい。
【０１３７】
また、使用する基板には、欠陥密度の高い領域があっても良いが、エピタキシャル成長するときに、表面モフォロジーの悪化を引き起こすことがあるため、無い方が好ましい。
【０１３８】
さらに、ここでは半導体レーザ素子に関して詳細に記述したが、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法は、これに限定したものではなく、発光ダイオード(ＬＥＤ(Light Emitting Diode))、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)などの電子デバイスを、この第２実施形態で示した基板上に作製した場合においても、上述した内容と同様の議論により、III族窒化物半導体膜に内包される歪みおよびクラックを大幅に低減して、歩留まりを向上させることができる。ＬＥＤなどでは、膜に内包される歪みにより、発光パターンにムラを生じる、発光強度の低下など問題が指摘されている。
【０１３９】
このようなデバイスの場合、図１３Ａ,図１３Ｂに示すように、掘り込み領域１８１を、ストライプ状に作成し、網目状に縦横に掘り込んでも良い。図１３Ａ,図１３Ｂにおいて、１８２はｎ型ＧaＮ基板、１８３はｐ型電極、１８４はｎ型電極、１８５はIII族窒化物半導体膜である。図１３Ａ,図１３Ｂのような構造でＬＥＤを作成した場合においても、III族窒化物半導体膜に内包される歪みを低減し、発光パターンのムラを抑え、クラックを０本に抑え込むことができた。
【０１４０】
また、半導体レーザ素子と同様、掘り込まれていない領域上に発光ダイオード(ＬＥＤ)などの電子デバイスを作製することが、信頼性が向上し、寿命特性も向上することから好ましい。
【０１４１】
次に、この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法およびそれを用いて製造されたIII族窒化物半導体レーザ素子の第３実施形態について説明する前に、その背景について詳細を説明する。
【０１４２】
ＧaＮ、ＡlＮ、ＩnＮおよびそれらの混晶に代表される半導体材料から成るIII−Ｖ族化合物半導体は、高温等の過酷な環境下での動作が可能であるため、トランジスタ等の電子デバイスへの応用も期待されており、特に青色より短波長の光を発する半導体レーザ素子は光記録ディスク用の光源として期待されており、今後も光出力のさらなる増大が期待されている。
【０１４３】
このような半導体レーザ素子において、光出力が増大するにつれて問題となるのが、レーザ共振器端面に発生する損傷である。この損傷は、一般的な光学素子でも起こる現象であるが、半導体レーザ素子の場合では、特にＣＯＤ(Catastrophic Optical Damage：光学損傷)と呼ばれ、ＧaＡsあるいはＩnＰ系の赤外・赤色レーザにおいても観測されている現象である。この損傷は、光出力端面がレーザ光を吸収して局所的に温度が上昇し、溶融するために生じる損傷であり、ファブリペロー共振器の端面が損傷により反射鏡の役目を果たさなくなるため、レーザ発振が止まってしまうという、半導体レーザ素子にとっては致命的な損傷である。
【０１４４】
これまで、ＧaＡsやＩnＰ系の素子において、このＣＯＤを防止する方法として、ファブリペロー共振器の両端面をイオン注入法やバンドギャップを広げることによって、光吸収を低減する方法が採られていた。このバンドギャップを広げた領域は窓領域と呼ばれ、窓領域以外の領域、つまり発光が起こる領域を活性領域と呼ぶ。
【０１４５】
一方、特開平７−９４８３０号公報では、両端面あるいは活性層の両端をケミカルエッチングによりエッチングすることにより、共振器端面の界面準位を低減して、界面再結合による発熱を防止する方法が提案されている。
【０１４６】
また、特開２００４−２６００５８号公報では、劈開もしくは誘導結合プラズマエッチングにより形成されたIII族窒化物半導体素子の少なくとも一方の端面に低エネルギーのイオンビームエッチングを行い、劈開もしくはエッチングの際に形成される端面のマイクロクラックを除去するという技術が開示されている。
【０１４７】
しかし、特開平７−９４８３０号公報は、ＧaＡs系半導体やＩnＰ系半導体で形成された赤外から赤色までの発光素子に適用したものである。III族窒化物半導体を用いた発光素子は、フォトンエネルギーの高い短波長のレーザ光を出射するため、端面損傷(ＣＯＤ)がＧaＡs系あるいはＩnＰ系半導体以上に発生しやすいと考えられるが、III族窒化物半導体においては特有の強固な結晶構造あるいは構成元素の強固な結合から化学的な手法によるエッチングは困難である。反応性イオンエッチング等の低圧雰囲気下でのドライエッチングの手法は可能であるが、通常の方法でレーザ共振器の両端面にそれを行うと平坦性が損なわれるため、そのままでは半導体レーザ素子としては使用不可能である。
【０１４８】
併せて、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子では、強固でしかも、六方晶系の結晶構造を持つという理由から、劈開による共振器端面の形成がＧaＡsやＩnＰ系といった正方晶系の半導体を用いた発光素子と比較して大変困難である。そのために、劈開後の端面にも多くの微細な結晶欠陥(マイクロクラック)が存在し、これも端面損傷(ＣＯＤ)を引き起こす原因の一つであると考えられる。
【０１４９】
また、特開２００４−２６００５８号公報では、III族窒化物半導体を用いた発光素子の端面に対する処理技術として、イオンビームエッチング法はプラズマ中で発生したイオンを電圧で加速させ、イオンを被処理物表面に衝突させて加工を行う方法が開示されている。この方法では、加速電圧を十分に低くしたとしても、その加工の機構から物理的なダメージが基板表面に発生すると考えられる。
【０１５０】
この発明のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、容易に高出力で長寿命なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【０１５１】
以下、この発明の第３実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１５２】
〔第３実施形態〕
第３実施形態においては、大気圧または大気圧近傍の圧力下でプラズマを形成し、そのプラズマをIII族窒化物半導体レーザ素子の共振器端面に接触させて処理を行う。
【０１５３】
使用する大気圧プラズマ加工処理装置は、第２実施形態に示す装置と同様であり、電極１０２として、図９(c)に示す形状のグラファイトから成る電極を用いた。その他の装置構成は第２実施形態と同一であり、また、プロセスの手順も同じである。
【０１５４】
次に、この第３実施形態における被処理体について、図１５,図１６を参照にして説明する。
【０１５５】
図１５は第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法によって製造されるIII族窒化物半導体レーザ素子の構成を示す断面図であり、光出射方向から見た図である。２３０はＧaＮ基板であり、そのＧaＮ基板２３０上には、図１６に示すIII族窒化物半導体膜と同じ構成のIII族窒化物半導体膜(エピタキシャル成長層)２３１が形成されている。また、III族窒化物半導体膜２３１上面には、レーザ光導波路構造であるレーザストライプ２３２が作製されている。III族窒化物半導体膜２３１の上面には電流狭窄用ＳiＯ2２３３が形成されており、その電流狭窄用ＳiＯ2２３３上面にはｐ型電極２３４が形成されている。また、ＧaＮ基板２３０下面には、ｎ型電極２３５が形成されている。
【０１５６】
次に、III族窒化物半導体膜(エピタキシャル成長層)の構造について図１６を用いて説明する。図１６に示すように、ｎ型ＧaＮ層(１.０μｍ)２４０上にｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第一クラッド層(１.５μｍ)２４１、ｎ型Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ第二クラッド層(０.２μｍ)２４２、ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第三クラッド層(０.１μｍ)２４３、ｎ型ＧaＮガイド層(０.１μｍ)２４４、ＩnＧaＮ／ＧaＮ−３ＭＱＷ活性層(ＩnＧaＮ／ＧaＮ＝４ｎｍ／８ｎｍ)２４５、ｐ型Ａl0.3Ｇa0.7Ｎ蒸発防止層(２０ｎｍ)２４６、ｐ型ＧaＮガイド層(０.０５μｍ)２４７、ｐ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎクラッド層(０.５μｍ)２４８、ｐ型ＧaＮコンタクト層２４９(０.１μｍ)が順番に積層されている。
【０１５７】
このような構造を有するIII族窒化物半導体膜２３１、レーザストライプ２３２、電流狭窄用ＳiＯ2２３３、ｐ型電極２３４、ｎ型電極２３５は、直径１インチのＧaＮ基板全面に対して形成される。
【０１５８】
ここで、ＧaＮ基板全面に対して、上記の構造を形成した物体を積層体２５０と呼ぶことにする。
【０１５９】
図１７はこの第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法を工程順に示した構造断面図である。図１７に示す積層体２５０に対して、ＧaＮ結晶の[１−１００]方向と平行にストライプを形成するためと、所望の共振器長となるようＧaＮ結晶の[１−１００]方向と垂直な方向に共振器端面を形成するために、レジストパターン２５１を形成する(図１７(ａ))。レジストを塗布した積層体２５０上にＧaＮ結晶の[１−１００]方向と平行な方向と垂直な方向にストライプが切ってある。レーザ共振器に沿った間隔は１００〜５００μｍとし、レーザ共振器長を決める共振器端面に沿った間隔は６００〜８００μｍとした。なお、ここで述べている使用基板、窒化物系半導体の構成および膜厚、レジストパターンの間隔、共振器長、その他積層体２５０の構成は一例であり、この発明の適用範囲を限定するものではない。
【０１６０】
その後、低圧雰囲気下で行うＩＣＰプラズマエッチング装置を用いてｎ型ＧaＮ層２４０(図１６に示す)までエッチングを行うことにより、溝２５２を形成する。この工程により積層体２５０は、レーザ共振器部分のみが格子状に残った状態となる(図１７(ｂ))。
【０１６１】
次にIII族窒化物半導体が部分的にエッチングされた箇所である溝２５２に対して、レーザ出射面と平行にサファイア基板をスクライブすることによりスクライブ溝２５３を形成し(図１７(ｃ))、破線２５４に沿ってバー状に分割する(図１７(ｄ))。このバー状に分割された積層体をバー状積層体２５５と呼ぶことにする。
【０１６２】
ここで、上記第３実施形態では、積層体２５０をバー状に分割する方法として、ＩＣＰプラズマエッチング法を用いた方法を示したが、必ずしもこれに限らない。高い異方性エッチングが可能であり、被処理体である共振器端面に対してダメージを与えることが抑制でき、かつ端面表面の形状が滑らかであれば、マイクロ波を利用した方式など、その他の方式のプラズマエッチング装置を用いてもよい。また、劈開により積層体２５０をバー状に分割して、端面を形成してもよい。
【０１６３】
分割されたバー状積層体２５５は、洗浄された後、図１８に示すように共振器端面が上向きになるような状態で、複数を一度にホルダー２６１に配置する。このホルダー２６１上にバー状積層体２５５が配置されたものが被処理体２０６であり、大気圧プラズマ加工処理装置に搬入される。
【０１６４】
この大気圧プラズマ加工処理装置により、ＩＣＰプラズマエッチングや劈開により形成された端面に対して大気圧プラズマプロセスを行い、端面作成時に生じるマイクロクラックなどの欠陥を除去する。
【０１６５】
この第３実施形態においては、図９(c)に示すような形態の電極で、形成されるプラズマの幅が７ｃｍとなる電極を使用した。供給する高周波の周波数を１５０ＭＨz、投入電力を１５０Ｗ、被処理体２０６表面と電極部１０２の下面の間隔を０.５ｍｍと設定し、Ｈe=９９％、Ｃl2=１％の条件下でプラズマを生成した。基板温度は、ガリウムと塩素の化合物であるＧaＣl3の沸点以上となる２３０℃と設定した。そして、XYステージ１０８の搬送スピードを２０ｍｍ／ｍｉｎ、搬送回数を５回と設定し、図１８に示すようにプラズマ２２５に対して、図中の矢印Ｒ２の方向に被処理体２０６を相対的に移動させた。
【０１６６】
この第３実施形態の大気圧プラズマ加工処理装置を用いることにより、以下に示す効果を得ることができる。
【０１６７】
この第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法においては、大気圧近傍の圧力下でプラズマを生成する。大気圧近傍の圧力下でのプラズマ中のイオンの平均自由行程は０.１μｍ程度であり、また、高周波の周波数が１５０ＭＨzであれば通常イオンはプラズマ中でほぼ静止しているか、振動してプラズマ中の分子と原子と衝突しているため、イオンは被処理体２０６表面には達することがなく、物理的な衝突は起きない。また、電気的に中性なラジカル(塩素活性種)は被処理体２０６表面に達するが、被処理体２０６と化学的な反応のみを起こす。よって、被処理体２０６表面に対する物理的な損傷を抑制することができる。
【０１６８】
また、この第３実施形態の大気圧プラズマ加工処理装置を用いることにより、プラズマの生成条件を変更することなく、被処理体２０６の搬送速度や搬送回数を変更するだけで、加工量を制御することができる。
【０１６９】
以上の処理を行ったバー状積層体２５５の端面表面に誘電体膜(図示せず)を形成した後、個々の素子に分割して、III族窒化物半導体レーザ素子が完成する。
【０１７０】
このようにして素子化されたIII族窒化物半導体レーザ素子の寿命試験を、ＡＰＣ(Automatic Power Control)駆動で６０℃、出力３０ｍＷの条件下で行った。寿命試験における各素子の発光波長は４０５±５ｎｍであった。各ウェハーから、所定の初期特性を満足した素子を無作為に50素子取り出し、半導体レーザ素子の寿命を測定した結果、大気圧プラズマプロセスを行った素子の寿命は、上記プロセスを行っていない素子の寿命の１.５倍となることが確認され、端面損傷(ＣＯＤ)に強いIII族窒化物半導体レーザ素子を得ることができた。
【０１７１】
なお、この第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法おいて、プロセスガスとしてヘリウムガスと塩素ガスとの混合ガスを使用したが、必ずしもこれに限らない。ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガスまたはキセノンガスのいずれか１種または複数種を用いることができる。但し、水素原子が含まれていないガスを使用することとする。水素原子が含まれていると、半導体レーザ素子の端面にプラズマ処理をしたときに、水素原子が活性層に侵入して、結晶性を低下させる可能性がある。また、活性層の周囲の化合物半導体層に水素原子が拡散すると、水素パッシベーションが行われ、化合物半導体層が高抵抗化し、素子性能を劣化する可能性がある。以上の理由により、水素原子が含まれていないガスを使用することとする。
【０１７２】
また、この第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、反応容器１０１の内部の圧力は特に大気圧において最もその効果を発揮するものであるが、１００Ｔｏｒｒ〜２気圧を好適な圧力範囲とし、適用可能な圧力範囲としては例えば１０Ｔｏｒｒ〜５気圧が挙げられる。
【０１７３】
また、この発明のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法では、基板に窒化ガリウム基板を用いた例を挙げているが、この発明は共振器端面の処理に関するものであり、基板にサファイア基板などを用いた場合においても、同様の効果が得られる。また、横方向選択成長を用いて低転位密度のIII族窒化物半導体結晶を成長させることにより得た半導体レーザ素子においても、同様の効果が得られる。
【０１７４】
また、レーザ光出射端面付近に不純物を拡散することによりバンドギャップを大きくするいわゆる窓効果と、この発明のレーザ共振器端面に対する大気圧プラズマプロセスとを組み合わせた場合においても、この発明は同様の効果が得られる。
【０１７５】
また、これらの発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。また、説明に使用した図面は一部分を誇張して表現したものであり、図面内の寸法、寸法比率および位置関係は必ずしも正しいものではない。
【０１７６】
以上のように、この発明によるIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法を用いることにより、レーザ光出射端面近傍に生じるマイクロクラックなどの結晶欠陥の除去を行い、端面損傷を抑制することができ、従来のIII族窒化物半導体レーザ素子と比べて、寿命と光出力を向上した素子を得ることを可能とする。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
この発明により加工されたIII族窒化物半導体は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子やパワーデバイス等の半導体素子に好適に利用される。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１Ａ】図１Ａはこの発明の実施の一形態のIII族窒化物半導体の大気圧プラズマ加工処理装置の模式的な側面透視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは図１Ａに示す大気圧プラズマ加工処理装置の一部を示す模式的な斜視図である。
【図２】図２は第１実施例において加工された単結晶ＧaＮ基板の加工量と基板加熱温度の関係を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは第１実施例において加工された単結晶ＧaＮ基板の加工後の表面を組成分析した結果を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図３Ａの一部を拡大した図である。
【図４】図４は第１実施例において加工された単結晶ＧaＮ基板の加工前後において、カソードルミネッセンス(ＣＬ)法でバンド端発光を計測した結果を示す図である。
【図５】図５は第２実施例において加工された単結晶ＧaＮ基板の加工量と加工時間の関係を示す図である。
【図６】図６はこの発明の第２実施形態のIII族窒化物半導体の加工方法を用いたIII族窒化物半導体発光素子の製造方法による大気圧プラズマ加工処理装置の断面図である。
【図７】図７は上記大気圧プラズマ加工処理装置の電極近傍を拡大した斜視図である。
【図８】図８は図６とは別形態の電極の部分拡大図である。
【図９】図９は図６とは別形態の電極の部分拡大図である。
【図１０】図１０はこの発明を用いて作製したIII族窒化物半導体レーザ素子の構成を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は上記III族窒化物半導体レーザ素子のIII族窒化物半導体膜の層構造を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は上記III族窒化物半導体基板の掘り込み領域の形成パターンを模式的に示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは掘り込み基板上のＬＥＤの構成を模式的に示す平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは掘り込み基板上のＬＥＤの構成を模式的に示す側面図である。
【図１４】図１４は従来のIII族窒化物半導体基板表面上への溝加工を行う工程を示す図である。
【図１５】図１５はこの発明の第３実施形態における被処理体となるIII族窒化物半導体レーザ素子の構成を模式図である。
【図１６】図１６は上記III族窒化物半導体レーザ素子のIII族窒化物半導体膜の層構造を模式図である。
【図１７】図１７は上記第３実施形態のIII族窒化物半導体レーザ素子の製造方法を工程順に示した構造断面図である。
【図１８】図１８は上記第３実施形態におけるプラズマプロセスを行うときのプラズマ近傍の斜視図である。
【符号の説明】
【０１７９】
１…反応容器
２…円筒型回転電極
３…回転軸
４…基板ステージ
５…ヒータ
６…III族窒化物半導体
７…高周波電源
８…ガス導入ライン
９…ガス排気ライン
１３…プラズマ
１０１…反応容器
１０２…電極
１０３,１０４…電力供給部材
１０５…高周波電源
１０６…基板
１０７…基板ヒータ
１０８…XYステージ
１０９…ベローズ
１１０…昇降機構
１１１…絶縁部材
１１２…ガス供給部
１１３…流量制御装置
１１４…ガスボンベ
１１５…排気ポンプ
１１６…整合器
１１７…プラズマ
１３１…金属製の電極部材
１３２…誘電体部材
１３３…誘電体被覆部材
１５０…ｎ型ＧaＮ基板
１５１…表面平坦部
１５２…掘り込み領域
１５３…III族窒化物半導体膜
１５４…レーザストライプ
１５５…電流狭窄用ＳiＯ2膜
１５６…ｐ型電極
１５７…ｎ型電極
１６０…ｎ型ＧaＮ層(１.０μｍ)
１６１…ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第一クラッド層
１６２…ｎ型Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ第二クラッド層
１６３…ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第三クラッド層
１６４…ｎ型ＧaＮガイド層
１６５…ＩnＧaＮ／ＧaＮ−３MQW活性層
１６６…ｐ型Ａl0.3Ｇa0.7Ｎ蒸発防止層
１６７…ｐ型ＧaＮガイド層
１６８…ｐ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎクラッド層
１６９…ｐ型ＧaＮコンタクト層
１７１…表面平坦部
１７２…掘り込み領域
１８１…表面平坦部
１８２…掘り込み領域
１８３…ｐ型電極
１８４…ｎ型電極
１８５…III族窒化物半導体膜
２０６…被処理体
２２５…プラズマ
２３０…ＧaＮ基板
２３１…III族窒化物半導体膜
２３２…レーザストライプ
２３３…電流狭窄用ＳiＯ2
２３４…ｐ型電極
２３５…ｎ型電極
２４０…ｎ型ＧaＮ層(１.０μｍ)
２４１…ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第一クラッド層
２４２…ｎ型Ａl0.1Ｇa0.9Ｎ第二クラッド層
２４３…ｎ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎ第三クラッド層
２４４…ｎ型ＧaＮガイド層
２４５…ＩnＧaＮ／ＧaＮ−３MQW活性層
２４６…ｐ型Ａl0.3Ｇa0.7Ｎ蒸発防止層
２４７…ｐ型ＧaＮガイド層
２４８…ｐ型Ａl0.062Ｇa0.938Ｎクラッド層
２４９…ｐ型ＧaＮコンタクト層
２５０…積層体
２５１…レジストパターン
２５２…溝
２５３…スクライブ溝
２５４…破線
２５５…バー状積層体
２６１…ホルダー
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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