(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル層を１つの基板から分離し、この分離したエピタキシャル層を他の基板に移し替えるための方法であって、
第１のエピタキシャル層を第１の基板上に成長させるステップと、
前記第１のエピタキシャル層の表面上の一部にマスクを設けるステップと、
第２のエピタキシャル層を、前記マスクと前記第１のエピタキシャル層との上に形成するステップと、
前記第２のエピタキシャル層にトレンチを形成して前記マスクを露出させるステップと、
第２の基板を、前記トレンチを形成した前記第２のエピタキシャル層にボンディングするステップと、
前記ボンディングするステップの後に、前記トレンチにエッチング剤を注入し、前記マスクをエッチングして前記第２のエピタキシャル層を前記第１のエピタキシャル層から分離するステップと、
をそれぞれ含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の基板がサファイアを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のエピタキシャル層が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２のエピタキシャル層が窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の基板が、珪素（Ｓｉ）、ガリウム燐（ＧａＰ）及びインジウム燐（ＩｎＰ）から成るグループより選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の基板上に成長した前記第２のエピタキシャル層が追加のエピタキシャル層を含み、前記追加のエピタキシャル層が半導体発光素子を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチングが弗化水素酸（ＨＦ）を用いて実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の基板をボンディングするステップの前に、
前記第２のエピタキシャル層の表面に追加のトレンチを形成するステップと；
分布型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）を形成するために前記追加のトレンチの中に誘電体層を設けるステップと、
前記マスクをエッチングして前記第２のエピタキシャル層を前記第１のエピタキシャル層から分離するステップの後に、前記第２のエピタキシャル層の上に第２の分布型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）を形成するために追加の誘電体層を設けるステップと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第２のエピタキシャル層を前記第１のエピタキシャル層から分離するステップの後に、前記第２の基板及び前記第２のエピタキシャル層を劈開するステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に半導体材料の製作方法に関し、より具体的には、エピタキシャル成長させた層を１つの基板から分離して他の基板に移し替えるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオード，トランジスタ，レーザ等のような多くの電子デバイスのビルディング・ブロック（構成基礎）は、基板上に成長させることができる半導体材料である。この半導体材料は、半導体材料のエピタキシャル層を基板上に成長させることにより製作される。基板材料としては、エピタキシャル層の成長に用いる材料とは異なる組成及び格子パラメータ（格子定数）を持つものが利用可能であり、そのような材料は頻繁に利用されている。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）のエピタキシャル層は、サファイア基板上に成長させることができる。
【０００３】
半導体材料から様々な発光構造を製作することが可能である。これらの構造を完成させるためには、エピタキシャル層を元の基板から分離して他の基板に移し替えることが望ましい場合が多い。例えば、エッジ放出レーザ（端面放出型レーザ、或いは吸収端発光レーザ）を製造する場合、反射面を得るためにエピタキシャル層を劈開（cleavage）しなければならない。ここで、劈開とは、基板とエピタキシャル層とを含むウエハの端部に刻み目又は切り込みを入れて破断し、エピタキシャル材料の格子面に沿ったきれいで滑らかな断面を露出する処理である。平行な一対の切子面が、反射ミラーとしてエッジ放出型半導体レーザにおいて用いられる。
【０００４】
しかしながら、ＧａＮエピタキシャル層がサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板に結合している間は、劈開を実施することは難しい。従って、ＧａＮエピタキシャル層がサファイア上で成膜された場合、ＧａＮをサファイア基板から分離するのが望ましい。これは、サファイア基板を簡単には劈開できないためであり、更には、サファイア及びＧａＮエピタキシャル材料が異なる格子定数を持っていて格子面が正確に揃わないことに起因する。これにより、エピタキシャル層とサファイア基板とが互いに結合している場合は、劈開によりきれいなエピタキシャル層の平行面を得ることができない。従って、エッジ放出レーザを作成するためは、エピタキシャル層をサファイア基板から分離し、このエピタキシャル層を、劈開がより容易な珪素（Ｓｉ）等のような異なる基板に移し替えることが望ましい。
【０００５】
垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）は、通常、非常に薄いＧａＮ及びＡｌＧａＮの交互の層から成る複数の量子井戸層の領域を含み、その回りには分布型ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）が形成されている。
【０００６】
従来型のＶＣＳＥＬにおいては、少なくとも基板と量子井戸層の間にあるＤＢＲは、交互に配置されたＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層から形成されており、これにより量子井戸層をほぼ正確な格子パラメータを持つ結晶性材料上に成長させることができるようになっている。しかしながら、結晶性ＧａＮ／ＡｌＧａＮのＤＢＲは、充分な反射率を持つものを作ることが困難である。二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）及び酸化ハフニウム（ＨｆＯx ）のような２つの誘電体材料の交互の層から構成される誘電体ＤＢＲは、必要とされる反射率を持たせるように作成することがより容易ではあるものの、これらの誘電層上に量子井戸層を成長させることはできない。
【０００７】
第１のクラッド層、一組の量子井戸層、第２のクラッド層及び誘電体から成る第１のＤＢＲをそれぞれ含む部分的ＶＣＳＥＬ構造を１つの基板上に成長させ、そしてそれを他の基板に移し替えることができるようにするのが望ましい。こうすることにより、第２のクラッド層及び第１のＤＢＲが新しい基板と接触し、第１のクラッド層が露出することになり、この上に誘電体から成る第２のＤＢＲを成長させることができる。
【０００８】
従来においては、サファイア基板の上に成長（形成）されたエピタキシャル層とその基板との間の界面においてエピタキシャル層をレーザを使って溶かすことにより、そのエピタキシャル層をサファイア基板から分離するようにしていた。サファイア基板上に成長させたＧａＮエピタキシャル層の場合は、紫外線レーザの出力ビームをサファイア基板を通して照射し、ＧａＮとサファイア基板との界面付近のＧａＮの薄い層を溶かすことにより、ＧａＮエピタキシャル層をサファイア基板から分離するようにしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
エピタキシャル層を基板から分離するためにレーザを用いる方法の欠点は、レーザビームのスポット径に限界があるために、一度の照射ではエピタキシャル層の小さな部分しか分離することができないというところにある。
【００１０】
エピタキシャル層を基板から分離するためにレーザを用いる方法の他の欠点は、レーザ光の透過深度を制御することが困難なことにある。このことは、ＧａＮエピタキシャル層の一部がその表面の粗さや材料中の熱衝撃が原因で使用できなくなる可能性をもたらす結果となる。なお、透過深度を制御することが難いのは、ＧａＮエピタキシャル層とサファイア基板との間の界面で放散する熱を正確に制御することができないからである。
【００１１】
従って産業界においては、エピタキシャル層を１つの基板から分離してそのエピタキシャル層を他の基板に移し替えるための、より良く制御が可能でかつ実用的な方法に対するニーズが、解消されないまま残っているのである。
【００１２】
本発明は、エピタキシャル層を１つの基板から分離し、それを他の基板に移し替えるための方法を提供するものである。エピタキシャル層を１つの基板から分離し、それを他の基板に移し替えるための本発明の方法は、特定の適用要件に限定されるものではないが、ＧａＮ材料から成るエピタキシャル層をサファイア基板から分離し、それを珪素（Ｓｉ）等の他の材料から成る基板に移し替える場合に特に好適な方法である。ＧａＮ材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ），窒化ガリウム砒素（ＧａＡｓＮ），窒化インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓＮ），窒化アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓＮ），窒化ガリウム燐（ＧａＰＮ），窒化インジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰＮ），窒化アルミニウムガリウム燐（ＡｌＧａＰＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族の元素が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エピタキシャル層を１つの基板から分離し、その分離したエピタキシャル層を他の基板に移し替えるための方法として概念化することができる。本方法は、第１のエピタキシャル層を第１の基板上に成長させるステップと、前記第１のエピタキシャル層の表面の一部にマスクを設けるステップと、前記第１のエピタキシャル層上に第２のエピタキシャル層を成長させるステップと、前記第２のエピタキシャル層中にトレンチ（溝又は凹部）を形成してマスクを露出させるステップと、第２の基板を前記第２のエピタキシャル層にボンディング（結合）するステップと、前記マスクをエッチングして前記第２のエピタキシャル層を前記第１のエピタキシャル層から分離するためにエッチング剤を前記トレンチを通して注入するステップと、をそれぞれ有している。
【００１４】
上述したエピタキシャル層を１つの基板から分離して他の基板に移し替えるための方法を、サファイア基板上にエピタキシャル層を作成する際に利用した場合には、高品質光学素子の製造に好適な安定した均一なエピタキシャル層を得ることができる。
【００１５】
本発明には多くの利点があるが、以下にそのうちの幾つかを単なる事例として挙げることとする。
【００１６】
本発明の利点は、高品質光学素子の製造に好適な高品質の切子面（結晶体の平面）を形成することができることにある。
【００１７】
本発明の他の利点は、分離され、露出されたエピタキシャル層の表面上に成長させた高い反射率の誘電体ＤＢＲを組み込んだ垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製造することが可能となることにある。
【００１８】
本発明の他の利点は、光学素子中の電流分布が改善されることにある。
【００１９】
本発明の他の利点は、単純であり、商業用の大量生産を容易に実現することができるということにある。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び添付図面を参照することにより、当業者には明らかとなるであろう。これらの更なる特徴及び利点は、本発明の範囲に含まれるものである。
【００２１】
本発明は、様々な基板及びエピタキシャル成長材料を利用して実現することができる。本発明は、様々な材料に適用可能であるが、エピタキシャル層を１つの基板から分離してそれを他の基板に移し替えるための方法についての推奨される実施形態は、窒化ガリウム材料から成るエピタキシャル成長層をサファイア基板から効率的に分離し、それを珪素（Ｓｉ）のような他の材料から成る基板に移し替えるために特に有用である。ＧａＮ材料としては、窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ），窒化ガリウム砒素（ＧａＡｓＮ），窒化インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓＮ），窒化アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓＮ），窒化ガリウム燐（ＧａＰＮ），窒化インジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰＮ），窒化アルミニウムガリウム燐（ＡｌＧａＰＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族の元素を含むが、これらに限定されない。本発明の概念及び特徴は、他の材料のエピタキシャル層及び他の基板材料にも適用可能である。更に、同じ材料から成るエピタキシャル層上でのエピタキシャル層の成長は、異なる材料から成るエピタキシャル層上でのエピタキシャル層の成長と同様、本発明に含まれるものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
ここで、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、請求項に定義の本発明に対するより深い理解が以下の図面を参照することにより得られるであろう。なお、図中における構成要素は必ずしも相対的な大きさを表わすものではなく、本発明の原理を明確に説明することに重点をおいて描かれたものである。
【００２３】
図１〜図５は、本発明の方法に係る第１の実施形態を示すものであって、エピタキシャル層を１つの基板から分離してそれを他の基板に移し替えるための方法を示している。図１は、エピタキシャル集合体１０を示している。エピタキシャル集合体１０はサファイア基板（第１の基板）１１と、その上に成長させた第１のエピタキシャルＧａＮ層１２とを含んでいる。サファイアは、理想に近い絶縁材料であり、高品質のＧａＮ層を成長させることができる格子パラメータを持っているＡｌ2 Ｏ3 の一形態である。第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の上面には、マスク１４が形成されている。マスク１４は、エピタキシャル成長を生じないような材料でなければならず、また、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２、その上に成長させられる第２のエピタキシャル層、及びこの第２のエピタキシャル層に取付けられる第２の基板にそれぞれ使用される何れの材料よりも先に選択的にエッチングされる材質ものでなければならない。なお、第２の基板及び第２のエピタキシャル層については後に説明する。マスク１４の材料は、二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）のような誘電材料であっても、タングステンのような導電性材料であっても良い。マスク１４は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の表面の一部を覆うように設けられる。
【００２４】
第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の表面のうちマスク１４で覆われた表面部分は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２上に成長される第２のエピタキシャルＧａＮ層１７が第１のエピタキシャルＧａＮ層１２から分離される位置を画定する。第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の材料の無駄を可能な限り少なく抑えるという観点から、理想的にはマスク１４中のウィンドウはできるだけ狭く作ることが望ましい。しかしながら、実際上では、ウィンドウの最低幅は２つの要因により制約される。第１には、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７用の種層として作用することができるように第１のエピタキシャルＧａＮ層１２が適切な位置に露出していなければならないという点である。第２には、マスク１４を除去するエッチング剤のために通路が設けられていなければならないという点である。マスク１４中の細長いウィンドウは現在推奨される実施形態を表わしている。その代わりに、円形又は多角形のウィンドウを用いても良い。
【００２５】
次に、図２に示すように、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７が第１のエピタキシャルＧａＮ層１２上に成長せしめられる。この第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の成長は、最初の段階においては、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の露出面上から始まる。そして、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７がマスク１４中のウィンドウを満たした後に、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２及びマスク１４上に連続的なエピタキシャル層が形成される。
【００２６】
ここでは、ＧａＮ材料の単一層として図示したが、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７は、不純物をドープした半導体層，クラッド層及び活動層（active layer）等のような追加のエピタキシャル層を含んでいても全くかまわない。これらの追加のエピタキシャル層は、通常、半導体レーザ等の半導体発光素子を作成する場合に形成される。第２のエピタキシャルＧａＮ層１７が、製造しようとするデバイスに必要とされるだけの追加層を含んでいても良いことは言う迄もない。しかしながら、本発明の概念は第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の構成に関係なく適用可能である。
【００２７】
次に、図３に示すように、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７を貫通して延び、マスク１４を露出するトレンチ（溝又は凹部）２０が形成される。このトレンチ２０は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の厚さ方向の一部にまで延びていても良い。トレンチ２０は、後にマスク１４を除去するためにエッチング剤（後に詳細に説明する）を流すための溝を形成する。トレンチ形成工程においては、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７のうち、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の表面に直接的に接触している部分を全て除去し、マスク１４を介して第１のエピタキシャルＧａＮ層１２に繋がっている第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の一部分だけを残すようにすることが必要である。
【００２８】
トレンチ２０は、図３に示すように、マスク１４を露出させるために第２のエピタキシャルＧａＮ層１７を例えばエッチングすることにより形成されるが、この形成方法に限定されない。トレンチ２０は、また、エッチング剤の流れを促進するために、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２をも貫通してサファイア基板１１まで達するように形成しても良い。
【００２９】
図４に示すように、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の露出面上に、第２の基板１８が取付けられる。本実施形態においては、第２の基板１８は、当業者に既に知られているウエハボンディング法によって、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７にボンディング（結合）される。本実施形態においては、第２の基板１８は、珪素（Ｓｉ）から成る導電性基板であり、これは劈開特性が良好であるために選択されたものである。この第２の基板１８には、２つの機能がある。第１の、そして最も重要な機能は、第２の基板１８が第１の基板１１から分離されるエピタキシャル層に機械的な支持を提供するという機能である。そして、第２の機能は、第２の基板１８が第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の上面と良好な電気接触を形成することができるような電気特性を有しているという機能である。
【００３０】
本発明によれば、化学エッチング剤がトレンチ２０に導入される。エッチング剤は、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７，第１のエピタキシャルＧａＮ層１２、又は第２の基板１８よりも大幅に速い速度でマスク１４の材料をエッチングするものである。第２のエピタキシャル層１７がＧａＮであり、マスク１４が二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）である一実施形態においては、エッチング剤は、弗化水素酸（ＨＦ）である。ＨＦは、マスク１４に化学的破壊作用を及ぼし、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２，第２のエピタキシャルＧａＮ層１７，又は第２の基板１８をエッチングするよりも速い速度でマスク１４をエッチングする。
【００３１】
図５は、第２の基板１８及び第２のエピタキシャルＧａＮ層１７を含むエピタキシャル集合体１０の一部を示したものである。この集合体１０は、第２の基板１８が集合体１０の底部となるように垂直にひっくり返した状態で示されている。マスク１４をエッチングにより除去すると、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７がサファイア基板１１及び第１のエピタキシャルＧａＮ層１２からきれいにかつ効率的に分離される。
【００３２】
図５は、また、図３に示したトレンチ形成工程で分割された第２のエピタキシャルＧａＮ層１７の個々のストリップ間のトレンチ２０がポリイミド材料１９で埋められている状態を示している。ポリイミド材料１９は、後のデバイス加工工程の期間中に、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７を構成する様々な材料の層の端部を保護する。なお、これらの端部は、エッチングによりトレンチ２０が形成される際に露出した部分である。端部が露出された材料（層）は、ドーピング層，クラッド層，及び複数の量子井戸を有する活性領域を含んでいる。ポリイミド材料１９は、後のデバイス加工工程において付加される金属材料により層間に電気短絡を生じるのを防ぐためのものである。第２のエピタキシャルＧａＮ層１７は、ＳｉＯ2 マスク１４をエッチングすることによりサファイア基板１１から分離されているため、従来の分離技術を利用した場合のように、最終的にレーザ構造を成す層がその構造の分解や損傷の原因となり得る高温にさらされることはない。従って、第２のエピタキシャルＧａＮ層１７は、良好な光学特性を持つ半導体材料を含み、高品質の電気光学デバイスのベースとして利用することができる。例えば、この結果得られたエピタキシャル集合体１０の良好な劈開及び電気特性を利用して、エッジ放出レーザを製作することができる。
【００３３】
図６は、図５のエピタキシャル集合体１０の平面図である。第２のエピタキシャルＧａＮ層１７は、第２の基板１８にボンディングされた、典型的にはストリップ１６として形成されている。図６に示すように上方から見ると、きれいな面を得るためにＧａＮのストリップ１６を劈開するには、刻み目又は切り込みをライン２５に沿って第２の基板１８に入れれば良いことがわかる。第２の基板１８及び第２のエピタキシャルＧａＮ層１７をこのライン２５に沿って破断すれば、露出した第２のエピタキシャルＧａＮ層１７中にきれいな面が作られる。更に、導電性の第２の基板１８によって第２のエピタキシャルＧａＮ層１７中の全ての層への電流分布が改善されるが、これは、電流が導電性の第２の基板１８から第２のエピタキシャルＧａＮ層１７中に構成されたデバイス構造に直接的に流れるためである。
【００３４】
図７〜図１１は、エピタキシャル層を１つの基板から分離して他の基板に移し替えるための本発明による方法の他の実施形態を説明するものである。図７〜図１１に示した実施形態においては、第１のエピタキシャル層１２上に成長させる第２のエピタキシャル層３７は、第１のエピタキシャル層１２と同じ材料を使ったものである。しかしながら、第２のエピタキシャル層３７中の転位密度を低減するために、第２のエピタキシャル層３７をトレンチ１５の一面から成長させるようにしている。なお、第１のエピタキシャル層１２上に成膜される第２のエピタキシャル層３７は、第１のエピタキシャル層１２とは異なる材料としても良い。
【００３５】
図７〜図１１において、図１〜図５と同様の構成要素には同一の符号が付されている。図７は、エピタキシャル集合体３０を示している。このエピタキシャル集合体３０は、サファイア基板１１と、このサファイア基板１１上に成長させた第１のエピタキシャルＧａＮ層１２とを含んでいる。第１のエピタキシャルＧａＮ層１２を成長させた後に、そこに好ましくはエッチングにより第１のトレンチ１５が形成される。第１のトレンチ１５は、好ましくはリアクティブイオンエッチングのような異方性エッチング手法により、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２中にエッチングされ得る。
【００３６】
図７においてはトレンチ１５の側壁２１ａ及び２１ｂを基板１１の主面２６に対して垂直に描いたが、これに代えて、傾斜をつけた側壁としても良い。第１のエピタキシャル層１２の上面、トレンチ１５の底面１３及び随意的な選択によりトレンチ１５の一方の側壁２１ａ又は２１ｂ上にマスク１４がそれぞれ設けられる。マスク１４の存在により、エピタキシャル成長は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の表面のうちマスク１４にて覆われていない結晶面上に優先的に生じることになる。本実施形態では、マスク１４は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の上面及びトレンチ１５の底面１３の両方に設けられる。なお、マスク１４はトレンチ１５の一方の側壁２１ａ又は２１ｂにも成膜しても良い。
【００３７】
マスク１４の存在により、第２のエピタキシャル層３７は、側壁２１ａ及び２１ｂから横向きの方向に沿って成長することになる。このようにすれば、第２のエピタキシャル層３７の成長方向を従来の成長方向に対して９０度、或はほぼ９０度転換させることができ、これによって、より低い転位密度を持つエピタキシャル層が得られる。第２のエピタキシャル層３７は、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２の露出面から優先的に成長する。
【００３８】
その後、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、図８に示すように第１のエピタキシャルＧａＮ層１２上に成長する。本願に参考資料として添付した、共通譲渡され、同時係属出中の米国特許出願番号：ＸＸＸの「クラックのない領域を有するエピタキシャル材料及びそれを製造する方法」（Epitaxial Material Having a Crack-Free Region and Method For Producing Same）と題された米国特許出願（出願日：ＸＸＸ、事件整理番号：１０９９０３７７）に開示の発明によれば、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、マスク１４の配置に依存して第１のトレンチ１５の側壁２１ａ及び２１ｂの何れか一方、或は両方から横向きに成長する。本実施形態においては、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は第１のエピタキシャルＧａＮ層１２と同じ材料から成り、従って上述した米国特許出願に開示されているトレンチ１５における横成長は有利である。
【００３９】
また、第２のエピタキシャル層３７を第１のエピタキシャルＧａＮ層１２とは異なる材料としても良く、この場合の横方向成長は、格子不整合歪みによるクラックをトレンチ１５の領域内に局在化する作用を提供する。クラックがトレンチ１５付近に局在化されるために、結果的には、トレンチ１５の外へと成長した第２のエピタキシャル層３７にはクラックが生じない。
【００４０】
第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を成長させる場合、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、まず、トレンチ１５を埋め、最終的にはそこからあふれて第１のエピタキシャルＧａＮ層１２上に連続的なエピタキシャル層を形成する。これに代えて、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の成長をトレンチ１５の側壁２１ａ及び２１ｂのうちの一方の側壁（例えば、側壁２１ａ）から開始させるようにしても良く、この場合、更なるマスク１４が前記一方の側壁とは反対側のトレンチ１５の側壁（例えば、側壁２１ｂ）にも設けられる。
【００４１】
ここでは第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を単層のＧａＮ材料として示しているが、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、実際には、ドーピングされた半導体層，クラッド層及び活性層等から成る追加のエピタキシャル層を含んでいても良い。これらの追加のエピタキシャル層は、通常、半導体レーザ等の半導体発光デバイスを作る場合に形成される。第２のエピタキシャルＧａＮ層３７が、製作しようとするデバイスに必要とされるだけの数の多くの追加層を含むものであっても良いことは言うまでもない。しかしながら、本発明の概念は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の構成に拘わりなく適用することができる。
【００４２】
次に、図９に示すように、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を貫通して延び、マスク１４を露出する第２のトレンチ２０が形成される。第２のトレンチ２０は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の第１のトレンチ１５中に成長させた部分に達していても良い。第２のトレンチ２０は、マスク１４を除去するために上述した如く後にエッチング剤を流すための溝を形成する。トレンチ形成工程においては、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の一部分であって、マスク１４を介して第１のエピタキシャルＧａＮ層１２に繋がっている部分のみを残すために、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を充分に除去しなければならない。
【００４３】
第２のトレンチ２０は、例えば第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を少なくとも図９に示すように第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の露出面により近い方のマスク１４部分のレベルにまでエッチングして形成したものであるが、これに限定されるものではない。トレンチ２０は、エッチング剤の流れを促進するために、更に第１のエピタキシャルＧａＮ層１２を貫通してサファイア基板１１にまで達するものであっても良いことに留意が必要である。
【００４４】
図４に関連して先に説明した方法と同様の方法で、第２の基板１８が第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の露出面上に取付けられる（図１０参照）。この実施形態においては、第２の基板１８は、当業者に周知のウエハボンディング法により第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の露出面へとボンディングされる。本実施形態においては、第２の基板１８の材料は、導電性の珪素基板である。しかしながら、第２の基板１８の材料は、これに限らず、良好な劈開特性を持ち、かつ、上述した品質を呈するものを選択すれば良い。
【００４５】
本発明によれば、化学エッチング剤が第２のトレンチ２０を通して導入される。エッチング剤は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７，第１のエピタキシャルＧａＮ層１２及び第２の基板１８の何れの層よりも大幅に速い速度でマスク１４の材料をエッチングする。第２のエピタキシャル層３７の材料がＧａＮであり、マスク１４の材料が二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）である本実施形態においては、エッチング剤は、弗化水素酸（ＨＦ）である。ＨＦは、マスク１４に化学的破壊作用を及ぼし、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２や第２のエピタキシャルＧａＮ層３７、或は第２の基板１８よりも著しく速い速度でエッチング除去する。
【００４６】
図１１は、第２の基板１８及び第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を含むエピタキシャル集合体３０の一部を示したものである。この集合体３０は、第２の基板１８が底部にくるように縦方向にひっくり返した状態で示されている。マスク１４をエッチング除去すると、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、サファイア基板１１及び第１のエピタキシャルＧａＮ層１２からきれいに、そして効率的に分離される。
【００４７】
図１１は、また、図５に関する説明と同様の方法で、図９に示したトレンチ形成工程において分割された第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の個々のストリップ間のトレンチ２０をポリイミド材料１９で埋めた状態を示している。ポリイミド材料１９は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を構成する様々な材料の端部を後続のデバイス加工工程において保護する。これらの端部は、エッチングによりトレンチ２０を形成した際に露出したものである。端部が露出した材料には、ドーピング層，クラッド層，及び複数の量子井戸を含む活性領域が含まれる。
【００４８】
ポリイミド材料１９は、後のデバイス加工工程において付加される金属材料により層間に電気短絡を生じるのを防ぐためのものである。第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、ＳｉＯ2 マスク１４をエッチングすることによりサファイア基板１１から分離されているため、従来の分離技術を利用した場合のように、最終的にはレーザ構造を成す層がその構造の分解や損傷の原因となり得る高温にさらされることはない。
【００４９】
従って、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、良好な光学特性を持つ半導体材料を含み、高品質な電気光学デバイスのベースとして利用することができる。
この結果得られたエピタキシャル集合体３０は、良好な劈開及び電気特性を持っているため、これをベースにエッジ放出レーザを製作することができる。
【００５０】
図１２は、図１１のエピタキシャル集合体３０の平面図である。図６に関する説明と同様に、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、典型的には、第２の基板１８にボンディングされたストリップ３６から形成される。図１２に示す如く上方から見ると、きれいな面を得るために第２のエピタキシャルＧａＮ層３７のストリップ３６を劈開するには、シリコン基板（第２の基板１８）、ＧａＮストリップ３６及びポリイミド材料１９にライン２５に沿った刻み目又は切り込みを入れれば良いことがわかる。第２の基板１８及び第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を破断することにより、露出した第２のエピタキシャルＡｌＧａＮ層３７中にきれいな面を作ることができる。
【００５１】
更に、導電性の第２の基板１８により第２のエピタキシャルＧａＮ層３７中の全ての層への電流分布が改善されるが、これは電流が導電性の第２の基板１８から第２のエピタキシャルＡｌＧａＮ層３７中に作られたデバイス構造へと直接的に流れるためである。
【００５２】
図１３は、図１１の第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を利用して作成したエッジ放出レーザ（吸収端発光レーザ；半導体発光素子）５０の断面概略図である。この実施形態においては、ｐ型珪素である導電性の基板１８には、ｐ型の電極５１が設けられている。第２の基板１８は、劈開が容易なものでなければならず、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７と低抵抗接触を形成するために高い導電率を持つものが望ましい。導電性の基板１８は、ｐ型ガリウム燐（p-type ＧａＰ）又はｐ型インジウム燐（p-type ＩｎＰ）等（これらに限定されない）のような他のｐ型材料であっても良い。第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、この事例においてはｐ型層５２を含んでおり、この上にはｐ型のクラッド層５４が形成される。そして、このｐ型のクラッド層５４の上には、活性層５５が成長せしめられる。活性層５５は、当業者に知られているように複数の量子井戸（ＭＱＷ）を含んでいる。
【００５３】
活性層５５の上には、ｎ型のクラッド層５６が設けられるが、これはクラッド層５４と同様の構造及び機能を持っている。クラッド層５４及び５６は、エッジ放出レーザ素子５０内において、キャリアの閉じ込めや光の光学的閉じ込めを行う。クラッド層５６上には、ｎ型層５７が成膜される。そして、ｎ型層５７の上には、ｎ型のコンタクト材料５８が設けられる。
【００５４】
本発明によれば、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を構成する全ての層は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７が第１のエピタキシャルＧａＮ層１２から分離される前に形成される。
【００５５】
図１４〜図１６は、エピタキシャル集合体１００を使った垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）を製作するために、本発明の方法を用いた場合を説明する図である。上述したように、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７は、複数の量子井戸活性層を含む複数の層を有している。図１４は、図９に示したものと同様であるが、ここでは第２のエピタキシャルＧａＮ層３７にトレンチ７０が形成されている。追加のトレンチ７０は、図７〜図９に基づく説明と同様の技術を用いてエッチングすることができる。
【００５６】
本発明の方法によれば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮから成るＤＢＲよりも優れた光学特性を持つ誘電体ＤＢＲ７５を追加のトレンチ７０中に成膜することができる。ＤＢＲ７５は、組成の異なる誘電体を交互に重ねた複数の層から構成することが可能であり、これにより交互に屈折率の値が異なる層を持つ構造が形成される。高屈折率層と低屈折率層との差異、及び層の数によりミラーの反射率を決定する。このようなミラーの各々の低屈折率及び高屈折率層の厚みは、λ／４ｎ（又はその奇数倍）である。なお、λはＶＣＳＥＬが放出する光の真空内波長であり、ｎはその材料の屈折率である。留意すべきことは、λ／４ｎの奇数整数倍を利用することもできるという点である。材料の厚さとして、例えば３λ／４ｎ、或は５λ／４ｎも同様に採用可能である。
【００５７】
次に、図１５は、図１４に示したエピタキシャル集合体１００に第２の基板１８をボンディングした状態の断面概略図である。第２の基板１８は、好ましくは珪素基板である。第２の基板１８と第２のエピタキシャルＧａＮ層３７との間の電気接触はコンタクト領域２２においてなされており、このコンタクト領域２２は、電流が第２の基板１８から第２のエピタキシャルＡｌＧａＮ層３７中にあるレーザ構造へと流れるように低インピーダンスの経路を提供している。
【００５８】
本発明によれば、化学エッチング剤がトレンチ２０に注入される。このエッチング剤は、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７，第１のエピタキシャルＧａＮ層１２及び第２の基板１８の何れの層よりも著しく速い速度でマスク１４の材料をエッチングする。第２のエピタキシャル層３７の材料がＧａＮであり、マスク１４の材料が二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）であるこの実施形態においては、エッチング剤は、弗化水素酸（ＨＦ）である。ＨＦは、マスク１４に化学的破壊作用を及ぼし、第１のエピタキシャルＧａＮ層１２、第２のエピタキシャル層３７及び第２の基板１８の何れよりも著しく急速にマスク１４をエッチング除去する。
【００５９】
図１６は、第２の基板１８及び第２のエピタキシャルＧａＮ層３７を含むエピタキシャル集合体１００の一部を描いた図である。第２の基板１８が集合体１００の底部にくるように集合体１００を縦方向にひっくり返した状態で示している。マスク１４をエッチング除去すると、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７がサファイア基板１１及び第１のエピタキシャルＧａＮ層１２からきれいにかつ効率的に分離する。上述と同様の方法により、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７の個々のストリップの間にポリイミド材料１９が設けられる。加えて、ＧａＮ／ＡｌＧａＮから成るＤＢＲよりも優れた光学特性を持つ第２の高品質誘電体ＤＢＲ８０が、第２のエピタキシャルＧａＮ層３７上に形成される。このＤＢＲ８０は、既述のＤＢＲ７５と同様の特性を持ったものである。しかしながら、ＤＢＲ７５及び８０の比較反射率は、所望の光出力方向により異なる。例えば、矢印９０に示した光出力とする場合には、ＤＢＲ８０にはＤＢＲ７５よりも若干低めの反射率を持たせる。ポリイミド材料１９は、第２のＤＢＲ８０を形成する前にエッチング除去しても良い。
【００６０】
図１７は、図１４〜図１６に基づいて説明した方法を利用して作成した垂直空洞面放出レーザ（半導体発光素子）１５０の断面の概略図である。第２の基板１８上には、図１４〜図１６に基づいて説明した第２のエピタキシャルＡｌＧａＮ層３７が形成されている。第２のエピタキシャルＡｌＧａＮ層３７は、この事例では、ｐ型材料１５２中にＤＢＲ７５を含んでいる。ｐ型材料１５２は、コンタクト領域２２において第２の基板１８と電気的に接続されている。ｐ型材料１５２の上にはクラッド層１５４が設けられており、このクラッド層１５４の上に活性層１５５が形成されている。活性層１５５は、当業者に周知の方法で作られており、図１３に基づいて説明した活性層５５と同様に複数の量子井戸を含んでいる。活性層１５５の上にはクラッド層１５６が設けられており、このクラッド層１５６がクラッド層１５４と共に従来より周知のキャリアの閉じ込め作用を提供している。また、クラッド層１５６の上には、ｎ型材料１５７が形成されている。ＤＢＲ８０は、このｎ型材料１５７上に形成されている。ｎ型材料１５７の上には、更に、ｎ型の接触材料１５８が形成されている。
【００６１】
ここで、以上述べたことを要約すると、次の通りである。１つの基板１１からエピタキシャル層１７，３７を分離してこのエピタキシャル層を他の基板１８に移し替えるための本発明の方法は、エピタキシャル成長材料層を、良好なエピタキシャル成長特性を有する第１の基板１１から容易に分離することを可能にし、かつ、分離したエピタキシャル成長材料層を、第１の基板１１よりも良好な劈開性や電気的或いはその他の特性を有する他の基板１８に移し替えることを可能にする。マスク１４が第１のエピタキシャル層１２の表面上の一部に適用され、第２のエピタキシャル層１７，３７が第１のエピタキシャル層１２及びマスク１４の上に成長せしめられる。トレンチ２０が第２のエピタキシャル層１７，３７に形成され、第２の基板１８が第２のエピタキシャル層１７，３７にボンディング（結合）される。エッチング剤がトレンチ２０を通して導入されてマスク１４がエッチング除去され、これにより第２のエピタキシャル層１７，３７が第１の基板１１及び第１のエピタキシャル層１２から分離される。かくして、第２のエピタキシャル層１７，３７は、エピタキシャル材料の光学的特性を損なうような操作を行なうことなく、第１の基板１１から分離されて第２の基板１２に移し替えられる。
【００６２】
本発明の上述した実施形態には、本発明の原理から大きく離れることなく多くの変更及び改変を加えることができることは当業者にとって明らかである。例えば、１つの基板からエピタキシャル層を分離し、それを他の基板に移し替えるためのこの方法を発光ダイオードや他の高品質光学素子に利用することができる。このような変更及び改変の全ては、添付請求項に定義した本発明の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】エピタキシャル層を１つの基板から分離して他の基板に移し替えるための本発明の方法の第１実施形態を説明するためのものであって、エピタキシャル集合体の断面図である。
【図２】図１のエピタキシャル集合体の上に第２のエピタキシャルＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図３】図２のエピタキシャル集合体にトレンチを形成した状態を示す断面図である。
【図４】図３のエピタキシャル集合体に第２の基板を取付けた状態示す断面図である。
【図５】図４のエピタキシャル集合体から分離した集合体を示す断面図である。
【図６】図５に示すエピタキシャル集合体の平面図である。
【図７】エピタキシャル層を１つの基板から分離して他の基板に移し替えるための本発明の方法の第２実施形態を説明するためのものであって、エピタキシャル集合体の断面図である。
【図８】図７のエピタキシャル集合体の上に第２のエピタキシャルＧａＮ層を形成した状態を示す断面図である。
【図９】図８のエピタキシャル集合体に第２のトレンチを形成した状態を示す断面図である。
【図１０】図９のエピタキシャル集合体に第２の基板を取付けた状態示す断面図である。
【図１１】図１０のエピタキシャル集合体から分離した集合体を示す断面図である。
【図１２】図１１に示すエピタキシャル集合体の平面図である。
【図１３】図１１に示す集合体を利用して製作したエッジ放出レーザの断面図である。
【図１４】垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）の製作のために図７〜図１１に示す製造方法を用いた場合を示すものであって、エピタキシャル集合体の断面図である。
【図１５】図１４のエピタキシャル集合体に第２の基板を取付けた状態を示す断面図である。
【図１６】図１５のエピタキシャル集合体から分離した集合体を示す断面図である。
【図１７】図１４〜図１６に示す製造方法を用いて製作した垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）の断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，１００  エピタキシャル集合体
１１  第１の基板
１２  第１のエピタキシャル層
１４  マスク
１５，２０，７０  トレンチ
１７，３７  第２のエピタキシャル層
１８  第２の基板
１９  ポリイミド材料
５０  エッジ放出レーザ
７５，８０  分布型ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）
１５０  垂直空洞面放出レーザ（ＶＣＳＥＬ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１３】
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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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