(57)【要約】  ８０％以上の素子歩留まりと高い信頼性を有するＧａＮ基板、Ａｌ２Ｏ３基板、ＺｒＢ２基板などの結晶基板の上に形成された窒化物半導体発光素子およびその素子ウエハを提供する。  本発明は、少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、基板面に垂直な方向のウエハの厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上でウエハの厚さが１４５μｍ以下である、あるいは、基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴する窒化物半導体発光素子用ウエハである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、前記基板面に垂直な方向の基板の厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上で基板の厚さが１４５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項２】
前記窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面が鏡面であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項３】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項４】
前記窒化物半導体用ウエハースは、サファイア基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項５】
前記窒化物半導体用ウエハースは、Ａｌ２Ｏ３基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項６】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＺｒＢ２基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項７】
前記ＺｒＢ２基板は、Ｃ面に対する傾斜角度が０度より大きく１０度以下であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項８】
前記ＺｒＢ２基板は、Ｃ面に対する傾斜角度が０度より大きく１度以下であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項９】
前記ＺｒＢ２基板は、Ｃ面に対する傾斜角度が２度以上１０度以下であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１０】
前記窒化物半導体発光素子用ウエハ上に形成された全てのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘ（０＜ｘ≦１）とその層厚ｄ（μｍ）との積ｘ・ｄの総和として定義される基板上に形成されたＧａＮ層に対する格子不整合度ｄＬＭ（μｍ）が、０．０８≦ｄＬＭ≦０．３５であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１１】
少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、前記基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴する窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１２】
前記窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面が鏡面であることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１３】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１４】
前記窒化物半導体用ウエハースは、サファイア基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１５】
前記窒化物半導体用ウエハースは、Ａｌ２Ｏ３基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１６】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＺｒＢ２基板上に少なくともＧａＮ層とＧａと窒素とを含む発光層とを有していることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１７】
前記ＺｒＢ２基板、はＣ面に対する傾斜角度が０度より大きく１０度以下であることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１８】
前記ＺｒＢ２基板は、Ｃ面に対する傾斜角度が０度より大きく１度以下であることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項１９】
前記ＺｒＢ２基板は、Ｃ面に対する傾斜角度が２度以上１０度以下であることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項２０】
前記窒化物半導体発光素子用ウエハ上に形成された全てのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘ（０＜ｘ≦１）とその層厚ｄ（μｍ）との積ｘ・ｄの総和として定義される基板上に形成されたＧａＮ層に対する格子不整合度ｄＬＭ（μｍ）が、０．０８≦ｄＬＭ≦０．３５であることを特徴とする請求項１１項に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項２１】
基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、
その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、
前記基板面に垂直な方向のウエハの厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上で基板の厚さが１４５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２２】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項２３】
前記化学機械研磨時の基板への研磨圧力が０．０５ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２４】
前記化学機械研磨が、平均粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＭｎ２Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の砥粒と、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２，Ｆｅ（ＮＯ）２およびＫＩＯ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の薬液を含むスラリを用いたことを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２５】
前記化学機械研磨の研磨パッドがスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれかであることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２６】
前記化学機械研磨時の研磨速度が１ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２７】
前記化学機械研磨後、前記化学機械研磨により形成された研磨歪み層を除去する研磨歪み層除去工程とを有することを特徴とする請求項２１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２８】
研磨歪み層除去工程が、ウエットエッチングあるいはＡｒイオンミリングあるいは反応性イオンエッチングやドライエッチングであることを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２９】
前記研磨歪み除去工程で、研磨表面から１μｍ以上の研磨歪み除領域を除去することを特徴とする請求項２７に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３０】
基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、
その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、
前記基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３１】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項３２】
前記化学機械研磨時の基板への研磨圧力が０．０５ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３３】
前記化学機械研磨が、平均粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＭｎ２Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の砥粒と、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２，Ｆｅ（ＮＯ）２およびＫＩＯ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の薬液を含むスラリを用いたことを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３４】
前記化学機械研磨の研磨パッドがスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれかであることを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３５】
前記化学機械研磨時の研磨速度が１ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３６】
前記化学機械研磨後、前記化学機械研磨により形成された研磨歪み層を除去する研磨歪み層除去工程とを有することを特徴とする請求項３０記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３７】
前記研磨歪み層除去工程が、ウエットエッチングあるいはＡｒイオンミリングあるいは反応性イオンエッチングやドライエッチングであることを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３８】
前記研磨歪み除去工程で、研磨表面から１μｍ以上の研磨歪み除領域を除去することを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３９】
基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、
その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、
前記化学機械研磨による前記基板裏面が鏡面であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４０】
前記窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハ。
【請求項４１】
前記化学機械研磨時の基板への研磨圧力が０．０５ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４２】
前記化学機械研磨が、平均粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＭｎ２Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の砥粒と、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２，Ｆｅ（ＮＯ）２およびＫＩＯ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の薬液を含むスラリを用いたことを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４３】
前記化学機械研磨の研磨パッドがスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれかであることを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４４】
前記化学機械研磨時の研磨速度が１ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４５】
前記化学機械研磨後、前記化学機械研磨により形成された研磨歪み層を除去する研磨歪み層除去工程とを有することを特徴とする請求項３９記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４６】
研磨歪み層除去工程が、ウエットエッチングあるいはＡｒイオンミリングあるいは反応性イオンエッチングやドライエッチングであることを特徴とする請求項４３に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４７】
前記研磨歪み除去工程で、研磨表面から１μｍ以上の研磨歪み除領域を除去することを特徴とする請求項４５に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４８】
窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面研磨工程において、
研磨ホルダ上にワックスあるいは接着剤層を形成する工程と、
該ワックスあるいは接着剤層の表面に前記窒化物半導体発光素子用ウエハの表面が接する様に前記窒化物半導体発光素子用ウエハ載置する工程とを有し、
前記窒化物半導体発光素子用ウエハと前記研磨ホルダの間には前記ワックスあるいは接着剤が狭持され、前記窒化物半導体発光素子用ウエハの中央部での前記ワックスあるいは接着剤層の層厚ｔが、５μｍ≦ｔ≦５０μｍであることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４９】
前記ワックスあるいは接着剤は、前記窒化物半導体発光素子用ウエハの外周囲に隣接して形成され、前記窒化物半導体発光素子用ウエハの外周囲に隣接して形成された前記ワックスあるいは接着剤の幅Ｗが、１ｍｍ≦Ｗ≦２０ｍｍである請求項４８記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項５０】
前記窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面研磨前の反りの曲率半径Ｒ１とワックスで研磨ホルダ貼り付けられた状態での前記ウエハの反りの曲率半径Ｒ２が、Ｒ１＜Ｒ２であることを特徴とする請求項４８に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項５１】
前記ワックスあるいは接着剤は、アルカリ溶液（ＰＨ８〜ＰＨ１１）に耐性があり、融点ｔｍが、７０℃≦ｔｍ≦２００℃で、且つ、アルコ−ル以外の有機溶媒に可溶であることを特徴とする請求項４８に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項５２】
前記研磨ホルダの材料の熱膨張係数Ｋ１が、前記窒化物半導体発光素子用ウエハの基板の熱膨張係数Ｋ０に対して、Ｋ１＜６×Ｋ０であることを特徴とする請求項４８に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項５３】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハから得られたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５４】
請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子用ウエハから得られたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスクなどに用いられる青色レ−ザ光源などに適用される窒化物半導体発光素子用ウエハとその製造方法および窒化物半導体発光素子用ウエハから得られた窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
青色光を出力する半導体発光素子や半導体レーザ・ダイオ−ド（ＬＤ）は、光表示用や次世代の光ディスク用の光源として注目されている。これらの青色半導体発光素子は、主にサファイア基板上に、エピタキシャル結晶成長技術によりＧａＮやＩｎＧａＮやＡｌＧａＮなどの材料を積層して形成されている。これに対して近年の技術の発展に伴い、ＧａＮ基板上に形成された青色用の半導体レーザが報告されている。例えば、２００１年９月のアプライド・フィジックス・レタ−誌７９巻の１９４８ページから１９５０ページには、「純粋な青色領域におけるＩｎＧａＮレーザ・ダイオ−ドの特性」と題する報告がある。そこには、１５０μｍ厚のＧａＮ基板上に形成された青色半導体レーザが、環境温度５０℃の下で５ｍＷの光出力で３０００時間の推定寿命で動作したことが報告されている。【０００３】
ここで用いられている基板は厚さ１６５μｍ厚のＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース）のＧａＮ基板である。上記文献中でＥＬＯのＧａＮ基板は、サファイア基板上に２．５μｍ厚のＧａＮを低温成長し、その表面に１２μｍ幅のＳｉＯ２マスク（０．１μｍ厚）を２０μｍ周期で施し、さらに１５μｍ厚のＧａＮをＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）成長で形成させたＥＬＯ基板上にハイドライド気相成長法で２００μｍ厚のＧａＮ厚膜を形成してからサファイア基板を除去して１５０μｍ厚のＧａＮ厚膜を得、さらにその上に２０μｍ周期で８μｍ幅のＳｉＯ２マスクを施し、ＭＯＶＰＥ成長で１５μｍ厚のＧａＮを形成させたＧａＮの厚さが１６５μｍ厚のＥＬＯのＧａＮ基板である。【０００４】
図１は、上記文献に示された窒化物半導体レ−ザの断面図を示す。上記文献の窒化物半導体レ−ザは、ｎ電極１０１、層厚１６５μｍのｎ型ＥＬＯ−ＧａＮ基板１０２、５μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層１０３、１００ｎｍ厚のｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層１０４、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２．５ｎｍ）／ｎ−ＧａＮ（２．５ｎｍ）周期の合計１μｍ厚のｎ型変調ド−プ超格子クラッド層１０５、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（４０ｎｍ）の多重量子井戸の活性層１０６、１０ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ電流オーバーフロー防止層１０７、１５０ｎｍ厚のＧａＮ層１０８、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（２．５ｎｍ）／ｐ−ＧａＮ（２．５ｎｍ）周期の合計０．５μｍ厚のリッジ型ｐ型変調ド−プ超格子クラッド層１０９、１５ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層１１０、３００ｎｍ厚のＳｉＯ２電流狭窄マスク１１１、ｐ電極１１２、からなる。ＡｌＧａＮクラッド層の全層厚は６．５μｍと極めて厚い。リッジ幅は２．５μｍ、共振器は劈開で形成されており、共振器長は６７５μｍである。【０００５】
サファイア基板の除去には、エッチングによる方法の他にレーザ照射により界面のＧａＮを溶かす方法がある。ＥＬＯのＧａＮ基板を用いる製造方法は、基板内に転位密度の低い領域を形成し、その上に素子を形成することで高い素子寿命が得られる。ＬＤ部分の結晶成長はＭＯＶＰＥ法で行われている。ｐド−パントにはＭｇ（マグネシウム）を用い、ｎド−パントにはＳｉ（シリコン）が用いられている。スプトライプ方向の光閉じ込めのためのリッジ型ｐクラッド層１０９はドライエッチングで形成されている。青色ＬＤの場合、基本横モ−ド発振を得るために、典型的なストライプ幅は１．８μｍ〜２．６μｍである。【０００６】
ＥＬＯのＧａＮ基板を用いた青色レーザは、信頼度の高いレーザが得られるという長所を持っているが、サファイア基板上に膜厚１５０〜１７０μｍのＧａＮを成長させた後、半導体レーザ層を形成し、更に、サファイア基板を除去しなければならないために、製造のＴＡＴが長い、更に、製品歩留まりが悪いと言う欠点を持っている。【０００７】
一方、青色レーザは、今後のデジタル記憶媒体への記録・読み出し用に大量に使用される。このため、ＧａＮ基板の製造と、青色レーザの製造と分けて行うことが試みられている。この場合、サファイアやＧａＡｓなどの基板上に４５０μｍ以上の厚膜のＧａＮを成長させた後に基板を除去し、得られた厚膜ＧａＮの表面と裏面が平行になるまで研磨して製造された、基板サイズが直径２ｃｍ〜５ｃｍで膜厚が３００μｍ〜４５０μｍの反りのないＧａＮ基板が用いられる。【０００８】
ＧａＮ基板上のＬＤ素子は、例えば、ＧａＮ基板の表面上にＬＤ構造をエピ成長により形成する工程、ドライエッチングでリッジ型ストライプを形成する工程、ストライプ上にｐ電極を形成する工程、裏面をエッチングあるいは研磨して薄膜化する工程、裏面にｎ電極を蒸着する工程、劈開により共振器を形成する工程、素子分離により所望のサイズの素子を得る工程からなる。典型的なＬＤの場合、活性層はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造であり、発振波長は３９０ｎｍ〜４１０ｎｍもしくは４１０ｎｍ〜４６５ｎｍであり、量子井戸のウエルとバリアの層厚とＩｎ組成を制御して決定される。典型的な素子のサイズは共振器長５００μｍ〜１０００μｍ、幅２５０μｍ〜４００μｍである。
【非特許文献１】Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ  Ｎａｋａｇａｗａ，Ｔｏｍｏｙａ  Ｙｎａｍｏｔｏ，Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｓａｎｏ  ａｎｄ  Ｔａｋａｓｈｉ  Ｍｕｋａｉ，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ７９，  Ｎｕｍｂｅｒ  １３，Ｓｅｐｔ．２００１，ｐ１９４８−ｐ１９５０，“Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ＧａＮ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｐｕｒｅ  ｂｌｕｅ  ｒｅａｇｉｏｎ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら膜厚が３００μｍ〜４５０μｍの反りのないＧａＮ基板に半導体レーザを製造する場合、基板上に半導体層を形成後、基板を薄くする必要がある。【００１０】
従来の光デバイスは、基板が、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板で、これらの基板は比較的軟らかい材料であるため、研磨歪みによるウエハ反りが問題にならなかった。しかしながらＧａＮ基板は硬い材料であるために研磨歪みによるウエハ反りが重要な解決すべき課題であることが明らかになった。【００１１】
ＧａＮ基板を研磨により、基板の厚さを１５０μｍ程度まで薄くすると、研磨終了後にウエハを固定していたワックスを溶かして、ウエハを研磨冶具から取り外す際にウエハが顕著に反って割れてしまう。ウエハがワックスで固定されている間には反りは抑制されているが、ワックスを溶かしてウエハを研磨冶具から取り外すと、機械研磨により基板の裏面に形成された研磨歪み層が、研磨面が凸になる方向にウエハを反らせる力を働かせ、ウエハが顕著に反ってしまうからである。【００１２】
ウエハ反りによる割れは、３つの問題点を持っている。【００１３】
第１の問題点は、素子歩留まりが著しく低いことである。【００１４】
閃亜鉛鉱型結晶であるＧａＡｓの（１００）基板は面内の劈開方向が直交しているが、通常のＧａＮ基板は六方晶であり、面内の３つの劈開方向が６０°の角度をなしている。そのため、ＧａＮ基板上のウエハは、反りが大きいと、６０°方向にクラックが入りやすく、三角形状に割れやすい。ウエハの反りが大きいほど細かく割れる。その結果、平行な共振器面を形成できなくなり、歩留まりが著しく低下する。【００１５】
第２の問題点は、十分な信頼性が得られないことである。【００１６】
原因は、２つあり、第１の原因は、ＬＤウエハの反りや割れによりエピ層にクラックや非発光センタが生じることに起因する。第２の原因は、素子の反りにより、ＬＤ素子と放熱用のヒ−トシンクとの接触面積が低減し、放熱効率が低下するために活性層温度が上昇することに起因する。通常ＧａＮ基板には転位密度の高い領域があるので、反りが大きいと、高転位密度領域から転位が活性層の電流注入領域に侵入することがあり、素子寿命を低下させる。【００１７】
第３の問題点は、劈開不良が生じやすいことである。劈開不良は素子の歩留まりと素子特性を低下させる。ＧａＮの場合、ウエハ厚が１５０μｍ以上の場合に、劈開できない、所望の位置に劈開できない、所望の位置に劈開できても平坦な共振器面が得られにくいという劈開不良が生じ易い。【００１８】
劈開不良は光スポットの形状が劣化する、あるいは反射ロスが増大して電流閾値が増加するなどＬＤ特性の低下を引き起こす。劈開により共振器を歩留まり良く形成するためには、ＬＤウエハの厚さは、少なくとも１５０μｍ以下にする必要がある。【００１９】
以下に、ウエハ反りが発生する原因について述べる。【００２０】
ウエハ反りが生じる第１の原因は、ウエハ厚に対して機械研磨による研磨による歪みが基板の裏面に生じる。この研磨により裏面に生じた機械研磨歪み層は、欠陥密度と厚さが大きいことである。ＧａＮは他のＩＩＩ−Ｖ材料に較べて硬い材料であるため、ＧａＮの研磨表面には研磨傷や結晶構造が乱れた研磨歪み層が深く形成されやすい。例えば、ＧａＮ基板上に形成されたＬＤウエハを機械研磨で薄膜化する場合、研磨表面から５μｍ〜２０μｍ厚程度の深さまで歪みの大きな研磨歪み層が導入される。この研磨歪み層は、非歪みの結晶領域に対して格子不整合している。そのためウエハが１５０μｍ以下の劈開可能な厚さになると、研磨面が凸になる方向に顕著な反りを生じさせる。【００２１】
一方、機械研磨により生じた研磨傷は、研磨砥粒の粒径によるが、通常は最大で約２μｍの深さの研磨傷が発生する。【００２２】
反りによりウエハが割れるのは、結晶の結合力以上に内部応力が増大するためである。ＧａＮは硬いが、サファイアに比べると非常に脆い材料であるため、ウエハが反ると容易に割れる。特に研磨傷の部分は応力が集中しやすいため、そこからウエハ割れが生じやすい。研磨傷はあらゆる方向のものがあるため、ウエハの割れを複雑にする。さらに研磨傷は、ウエハ劈開時に研磨傷の方向に割れるといった現象を引き起こすため、素子歩留まりを低下させる。【００２３】
ウエハ反りが生じる第２の原因は、ＡｌＧａＮクラッド層のＧａＮ基板に対する格子不整合によるものである。ＡｌＧａＮクラッド層は、研磨歪み層による反りと同じ方向、すなわちウエハ裏面が凸になる方向にウエハを反らせる。従って、ＡｌＧａＮクラッド層の厚さやＡｌ組成を増加させるとウエハ反りは増加する。しかしながらウエハ反りを低減するために、ＡｌＧａＮクラッド層の厚さやＡｌ組成を小さく制限すると、ＬＤ特性が低下してしまう。なぜなら活性層への光閉じ込めが低下して電流閾値が増加するからである。【００２４】
ＧａＮ基板に対する格子不整合による歪みが加わることで生じるウエハ反りは、例えば、Ｇ．Ｈ．オルセン氏らが「多層ヘテロエピタキシャル構造における計算された歪量」と題して１９９７年のジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジックス誌の４８巻の２５４３〜２５４７ペ−ジに報告した方法で計算できる。【００２５】
ウエハ反りが生じる第３の原因は、ＥＬＯのＧａＮ基板でも同様であるが、ウエハに用いているＧａＮ基板自体に、成長方向の欠陥密度分布があることである。成長方向の欠陥密度を減少させるために、サファイア基板上にＧａＮの厚膜を形成してから、サファイア基板を除去してＧａＮ基板を得ている。この場合でも、サファイアとＧａＮの格子不整合のためにＧａＮ厚膜に成長方向の欠陥密度分布が形成される。そのためサファイア基板を除去すると、ＧａＮ厚膜に大きな反りが生じる。【００２６】
３００μｍ〜４５０μｍの反りのないＧａＮ基板上に半導体層を形成後、基板を薄くする際の反りの発生の第１の原因である、機械研磨による研磨歪み層は、裏面を化学機械研磨することで、最も歪みが大きい表面部分が除去され、機械研磨による歪が解消される。化学機械研磨による研磨歪み層は、機械研磨による研磨ゆがみそうに比べて歪みが小さく薄い。第２の原因はＡｌＧａＮ層の歪を最適化することでウエハの反りを小さくでる。更に、ＧａＮを３００μｍ〜４５０μｍと厚くすることで、ＥＬＯ法を用いた場合であっても、基板裏面の第３の原因である、基板となるサファイアとＧａＮとの格子不整合による成長方向の欠陥密度の高い領域が研磨により除去されることで反りの小さいウエハが得られることを発明者は見出した。【００２７】
従来の機械研磨は、研磨に用いるダイヤモンド砥粒の粒径を段階的に小さくすることで、裏面に発生する研磨傷を小さくする研磨方法が採用されていた。この研磨方法では、ダイヤモンド砥粒の粒径を２μｍ以下に小さくすることで、裏面に発生する研磨損傷を小さく且つ浅くする効果はあったが、ウエハを研磨冶具から取り外す際に生じるウエハ割れを防止できなかったことから、機械研磨により生じる研磨歪み層の厚さを薄くするあるいは歪みの大きさを小さくすることはできていないと考えられる。【００２８】
研磨以外にウエハを薄くする方法はあるが、それらは実用的ではない。例えば３００μｍ〜４５０μｍ厚のＧａＮ基板上に形成されたＬＤウエハを１００μｍ程度の厚さにする方法として、裏面を燐酸と硫酸の混合液で温度２００℃にてウエットエッチングする方法がある。しかしこの方法では、表面側の電極が侵される、Ｃ軸方向の貫通転位が拡大する、あるいはエッチング表面に顕著な凹凸が形成されるといった現象を引き起こすため、素子歩留まりが低下するあるいは熱抵抗が増加し寿命を短くする等の問題が発生する。ドライエッチングを用いた場合は、エッチング速度が小さいため、加工時間と費用がかかり、量産に適しない。結局、ＧａＮ基板上のＬＤウエハを１００μｍ程度の厚さにする方法としては、ＬＤウエハの裏面を研磨するのが最も歩留まりが高く、加工費用を小さくできる。【００２９】
サファイア基板上の窒化物半導体発光素子においても、素子分離のために、サファイア基板を研磨する必要がある。その場合も、研磨歪みによるウエハの反りは、歩留まりや素子寿命を低下させる。あるいはホウ化ジルコニウム基板上の窒化物半導体発光素子においても同様の問題がある。【００３０】
本発明の目的は、高い生産性と信頼性と性能を有する窒化物半導体発光素子および素子ウエハとそ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】
【００３１】
本発明は、少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、基板面に垂直な方向の基板の厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上で基板の厚さが１４５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハである。更に、本発明は、少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴する窒化物半導体発光素子用ウエハであり、さらに、窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面が鏡面であることを特徴とするものである。【００３２】
本発明の窒化物半導体用ウエハースは、ＧａＮ基板上、サファイア基板上、Ａｌ２Ｏ３基板上あるいはＺｒＢ２基板上に少なくともＧａと窒素とを含む発光層を有していることが好ましい。ＺｒＢ２基板はＣ面に対する傾斜角度が０度より大きく１０度以下であることが好ましく、Ｃ面に対する傾斜角度が０度より大きく１度以下あるいはＣ面に対する傾斜角度が２度以上１０度以下であることがより好ましい。【００３３】
本発明の窒化物半導体発光素子用ウエハ上の全てのＡｌｘＧａ１−ｘＮ層のＡｌ組成ｘ（０＜ｘ≦１）とその層厚ｄ（μｍ）との積ｘ・ｄの総和として定義される少なくともＧａＮ基板あるいは基板上に形成されたＧａＮ層に対する格子不整合度ｄＬＭ（μｍ）が、０．０８≦ｄＬＭ≦０．３５であることが好ましい。【００３４】
更に、本発明は、基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、基板面に垂直な方向のウエハの厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上で基板の厚さが１４５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法である。また、本発明は、基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法であり、更に、本発明は、基板の裏面を機械研磨法で研磨する機械研磨工程と、その後化学機械研磨法を用いて研磨する化学機械研磨工程とを有し、化学機械研磨による基板裏面が鏡面であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法である。【００３５】
この場合、化学機械研磨時の研磨圧力が０．０５ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２であることが好ましい。化学機械研磨が、平均粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍのＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびＭｎ２Ｏ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の砥粒と、ＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２，Ｆｅ（ＮＯ）２およびＫＩＯ３からなる群から選ばれた少なくとも１以上の薬液を含むスラリを用いることが好ましく、化学機械研磨の研磨パッドがスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれかであることが好ましく、研磨速度が１ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎであることが好ましい。【００３６】
化学機械研磨後、化学機械研磨により形成された研磨歪み層を除去する研磨歪み層除去工程を有することが好ましい。研磨歪み層除去工程が、ウエットエッチングあるいはＡｒイオンミリングあるいは反応性イオンエッチングやドライエッチングであることが好ましい。研磨歪み除去工程で、研磨表面から１μｍ以上の領域を除去することが好ましい。【００３７】
本発明は、窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面研磨工程において、研磨ホルダ上にワックスあるいは接着剤層を形成する工程と、該ワックスあるいは接着剤層の表面に窒化物半導体発光素子用ウエハの表面が接する様に窒化物半導体発光素子用ウエハ載置する工程とを有し、窒化物半導体発光素子用ウエハと研磨ホルダの間にはワックスあるいは接着剤が狭持され、窒化物半導体発光素子用ウエハの中央部でのワックスあるいは接着剤層の層厚ｔが、５μｍ≦ｔ≦５０μｍであることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハの製造方法である。ワックスあるいは接着剤は、窒化物半導体発光素子用ウエハの外周囲に隣接して形成され、窒化物半導体発光素子用ウエハの外周囲に隣接して形成されたワックスあるいは接着剤の幅Ｗが、１ｍｍ≦Ｗ≦２０ｍｍであることが好ましく、窒化物半導体発光素子用ウエハの裏面研磨前の反りの曲率半径Ｒ１とワックスで研磨ホルダ貼り付けられた状態でのウエハの反りの曲率半径Ｒ２が、Ｒ１＜Ｒ２であることが好ましい。【００３８】
更に、ワックスあるいは接着剤は、アルカリ溶液（ＰＨ８〜ＰＨ１１）に耐性があり、融点ｔｍが、７０℃≦ｔｍ≦２００℃で、且つ、アルコ−ル以外の有機溶媒に可溶であることが好ましく、研磨ホルダの材料の熱膨張係数Ｋ１が、窒化物半導体発光素子用ウエハの基板の熱膨張係数Ｋ０に対して、Ｋ１＜６×Ｋ０であることが好ましい。【００３９】
本発明の、窒化物半導体発光素子は、上記の窒化物半導体発光素子用ウエハから得られたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００４０】
化学機械研磨を用いない従来製法のＬＤでは、研磨傷が見られ、研磨歪み層の実効厚が５μｍ〜２０μｍと大きいため、厚さ１５０μｍ以下のウエハの曲率半径は０．５ｍ以下であった。従来はウエハ反りが大きいため、ウエハが割れた。その結果、素子歩留まりは基板厚が厚いもので２２％以下、９０μｍ程度の薄いものでは１０％以下であった。【００４１】
それに対し、本発明のウエハは研磨傷がなく、研磨歪み層の実効厚が２μｍと小さいため、基板の厚さが１４５μｍ以下のウエハの曲率半径は１ｍ以上であった。ウエハ反りが小さいため、ウエハが割れず、エピ層にクラックもない。その結果、８０％以上あるいは９８％以上の高い素子歩留まりを実現できた。【００４２】
更に、鏡面状態の裏面には、従来の機械研磨された基板では基板裏面と金属層との間でオーミック接続が取れなかったが、基板裏面を、化学機械研磨を用いて鏡面にすることで、基板と金属層との間でオーミック接続を取ることが可能となり、基板の裏面にｎ電極を形成することが可能となった。【００４３】
基板の厚さが１４５μｍ以下であれば、ウエハからチップに切り出すときに劈開に沿って割ることができ、熱抵抗が大きくなることもない。【００４４】
信頼性に関しても、従来のＬＤは１００ｍＷの光出力で１００時間程度の素子寿命であったが、本発明では１０００時間以上の素子寿命が得られた。従来に比べて本発明の窒化物半導体レ−ザは、素子歩留まりと信頼性において１０倍程度の向上が見られた。【００４５】
ＧａＮ基板は、同じサイズの赤色発光素子で用いられるＧａＡｓ基板に比べて、価格が５０倍〜１００倍高いので、赤色発光素子に代わる商品として産業化されるためには素子歩留まりが非常に重要である。本発明によって実用的な窒化物半導体発光素子が提供することができると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来例の窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図２】本発明の第１の実施例である窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図３】本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法である化学機械研磨の実施図。
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子用ウエハの断面図。
【図５】本発明の実施例の窒化物半導体レーザ用ウエハの曲率半径の層厚依存性を示す図。
【図６】本発明の実施例の窒化物半導体レ−ザの素子歩留まりのＬＤウエハ厚さ依存性を示す図。
【図７】本発明の実施例の窒化物半導体レ−ザの素子寿命のＬＤウエハ厚さ依存性を示す図。
【図８】本発明の第１０の実施例である窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図９】本発明の第１１の実施例である窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図１０】本発明の窒化物半導体発光素子ウエハを研磨ホルダに貼り付けた状態を示す図。
【図１１】図１０の断面図。
【図１２】レーザダイオードチップの、共振器方向の曲率半径Ｒの共振器長Ｌ依存性を示す図である。
【図１３】図１２の横軸を０＜Ｌ＜５の範囲で拡大した図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０１  ｎ電極
１０２  ｎ型ＥＬＯ−ＧａＮ基板
１０３  ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層
１０４  ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層
１０５  ｎ型変調ド−プ超格子クラッド層
１０６  多重量子井戸の活性層
１０７  ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ電流オーバーフロー防止層
１０８  ＧａＮ層
１０９  リッジ型ｐ型変調ド−プ超格子クラッド層
１１０  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１１  ＳｉＯ２電流狭窄マスク
１１２  ｐ電極
２０１  ｎ電極
２０２  研磨歪み層
２０３  ＧａＮ基板
２０４  ｎ−ＧａＮバッファ−層
２０５  ｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
２０６  ３層の量子井戸の活性層
２０７  ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層
２０８  ｐ−ＧａＮ層
２０９  リッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
２１０  ｐ−ＧａＮコンタクト層
２１１  ＳｉＯ２電流狭窄マスク
２１２  ｐ電極
３０１  ふち付研磨盤
３０２  研磨パッド
３０３  コロイダルシリカ溶液
３０４  研磨冶具
３０５  アーム
３０６  ＬＤウエハ
４０１  Ｎ電極
４０２  研磨歪み層
４０３  ＧａＮ基板
４０４  ＡｌＧａＮ系ＬＤエピ層
４０５  Ｐ電極４０５
４０６  反り  １／Ｒ
４０７  曲率半径  Ｒ
４０８  ＬＤウエハの厚さｄ
４０９  撓み量δ
５０１  化学機械研磨あり
５０２  化学機械研磨なし
５０３  研磨歪み層なし
５０４  研磨歪み層厚２μｍ
５０５  研磨歪み層厚３μｍ
５０６  研磨歪み層厚４μｍ
５０７  第１の範囲
５０８  第２の範囲
５０９  第３の範囲
５１０  第４の範囲
６０１  化学機械研磨あり
６０２  化学機械研磨なし
７０１  化学機械研磨あり
７０２  化学機械研磨なし
８００  研磨歪み層
８０１  サファイア基板
８０２  ｎ−ＧａＮ層
８０３  ｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
８０４  ３層の量子井戸活性層
８０５  ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層
８０６  ｐ−ＧａＮ層
８０７  ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
８０８  ｐ−ＧａＮコンタクト層
８０９  ＳｉＯ２マスク
８１０  Ｐ電極
８１１  ｎ電極
８１２  ｎ−ＧａＮ層
９０１  ＺｒＢ２の研磨歪み層
９０２  層厚１１０μｍのＺｒＢ２基板
９０３  ｎ−ＧａＮ層
９０４  ｎ型超格子層
９０５  ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
９０６  ３層の量子井戸の活性層
９０７  ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層
９０８  ｐ−ＧａＮ層
９０９  リッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層
９１０  ｐ−ＧａＮコンタクト層
９１１  ＳｉＯ２電流狭窄マスク
９１２  ｐ電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
本発明の窒化物半導体発光素子用ウエハ（以下、ウエハと略記する場合がある）は、
１．  少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、基板裏面の化学機械研磨による研磨歪み層の厚さが５μｍ以下であることを特徴する窒化物半導体発光素子用ウエハ。
２．  少なくとも化学機械研磨を用いて基板裏面を研磨することでウエハ厚さを薄くしている窒化物半導体発光素子用ウエハの、基板面に垂直な方向のウエハの厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、曲率半径Ｒが０．５ｍ以上でウエハの基板の厚さが１４５μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子用ウエハ。
である。【００４９】
更に、研磨により厚さを薄くしたウエハの反りの大きさは、ＡｌＧａＮクラッド層の基板に対する格子不整合度すなわちＡｌＧａＮクラッド層の厚さとＡｌ組成の大きさの積と、ウエハの厚さに対する研磨歪み層の厚さで決まる。つまりＡｌＧａＮクラッド層の厚さとＡｌ組成が大きい程、ウエハの厚さが小さい程、研磨歪み層の厚さが大きい程、ウエハ反りは大きくなる。【００５０】
本発明の窒化物半導体発光素子用ウエハでは更に、ＡｌＧａＮ格子不整合度と劈開歩留まりを考慮した。７５μｍ以上かつ１４５μｍ以下の範囲内のウエハの基板の厚さに対して、ＡｌＧａＮ格子不整合度を小さく限定した素子構造と研磨歪み層が極めて薄い素子構造と研磨面に研磨傷がない構造により、ウエハおよび素子の反りの曲率半径を０．５ｍ≦Ｒ≦２０ｍに制御できた。本発明のウエハは反りが小さい特徴と研磨傷がない特徴により、ウエハ結晶の結合力以上に内部応力が増大して研磨傷に応力が集中することがないため、ウエハが割れない。そのため素子の収量が従来の５倍〜２０倍に向上した。【００５１】
曲率半径Ｒと基板の厚さとは比例関係にあり、曲率半径Ｒの上限は特に設ける必要はないが、曲率半径Ｒが大きくなると基板が厚くなりウエハの歩留まり上の問題は発生しないが、熱抵抗が高くなり寿命が短くなる問題が発生する。熱抵抗による寿命は、発光出力と関係し、低出力の場合の基板の厚さは高出力の場合の基板の厚さより厚く設定することは可能であるが、近年のＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｋ）の高密度化の要求に対応する青色半導体レーザダイオードの場合、記録時は１００ｍｗを超える出力が要求されるために、ウエハの厚さは１４５μｍ以下であることが好ましい。ウエハの厚さが１４５μｍ以下であれば、ウエハから半導体レーザ素子を製造する場合に歩留まりの低下を生じることもない。【００５２】
これに対し、基板の厚さの下限はウエハやウエハから得られる半導体レーザチップのハンドリング性によって決定され、ウエハの厚さが７５μｍ以上であればハンドリング性が悪くなることもない。更に、曲率半径が０．５ｍ以上であれば、エッチングあるいは研磨によりウエハ薄くした後、ウエハを冶具から取り外す際にウエハ割れが生じることもない。【００５３】
以下に本発明の製造法の一部であるウエハの貼り付け工程を図１０および図１１を用いて詳しく説明する。図１０は、窒化物半導体発光素子用ウエハを研磨ホルダに貼り付けた状態を示す。研磨用ホルダ９５１に、貼り付けワックス９５２を用いて、ワックス幅Ｗ９５３で素子ウエハの裏面１０４を上にして貼り付けた状態で研磨を行う。図１１にその断面図を示す。窒化物半導体発光素子用ウエハはホルダ９５１にワックス厚ｔ９５５でほぼ水平に貼り付けられている。貼り付けられた研磨前のウエハの表面は曲率半径Ｒ９５６を有する。ここでワックスの厚さｔはウエハの中央部での値で定義する。【００５４】
本発明では、ワックス厚ｔ９５５とワックス幅Ｗ９５３、貼り付けられたウエハの表面の曲率半径Ｒ９５６、貼り付けワックス９５２の性質、研磨用ホルダ１０１の熱膨張係数（材質）を制御する特徴を有する。【００５５】
本発明の製造方法では、ワックスにはＣＭＰのアルカリ溶液に耐性のあるもので、接着力が強く、硬いものを用いる。但しワックスはメタノ−ル、エタノ−ル、イゾプロピルアルコ−ルなどの有機溶媒に可溶なものを用いる。たとえば、メチルエチルケトンに可溶であるものを用いる。典型的なワックスの融点は８０℃〜１６０℃である。ワックスの融点は高いものほど、硬くなる傾向があるので、好ましい。【００５６】
ワックス貼り付けの際に、ウエハの中央部を押さえてウエハとワックスの間にある気泡を抜き、ウエハを溶けたワックスで埋め込んでホルダに付けた後、ホルダをガイドリングに入れた状態で下向きにして水平で清浄な台に置いて上から垂直に１００ｇ／ｃｍ２以上かつ５００ｇ／ｃｍ２以下の加重をかけて冷却して張り付ける。この方法によって、ウエハの反りを低減させて水平に貼り付けられる。またワックスがウエハ周囲の側面を覆い、ウエハとワックスの面が揃う。本発明の製造方法では、研磨後のウエハの付いたホルダをヒ−タで暖めてワックスを溶かし、ウエハをずらすように押し出して、ウエハをホルダから取り外す。取り外したウエハはメチルエチルケトンに浸して超音波洗浄しワックスを除去する。その後、アルコト−ル洗浄して窒素ブロ−して乾燥させる。【００５７】
（ワックス厚ｔ）
従来のＧａＡｓやＩｎＰ基板のウエハでは、素子用ウエハを研磨ホルダに貼り付けるワックスの厚さは２μｍ程度で、５μｍ以下であった。ワックスが薄い方がウエハ面内の厚さムラが小さくウエハ厚の均一性が向上するからである。しかし本発明のウエハの裏面研磨工程では、素子用ウエハを研磨ホルダに貼り付けるワックスあるいは接着剤の層厚ｔが、５μｍ≦ｔ≦５０μｍ、好ましくは８μｍ≦ｔ≦３０μｍ、より好ましくは１０μｍ≦ｔ≦２０μｍであることが好ましい。【００５８】
本発明では、研磨後のウエハの付いたホルダをヒ−タで暖めてワックスを溶かし、ウエハをずらすように押し出して、ウエハをホルダから取り外す。研磨後のウエハは、薄くかつ反りによって割れやすい状態になっている。ウエハの直径が１５ｍｍ以上になると、ワックス厚ｔが５μｍ以下の場合は、取り外しの際にウエハ割れが生じてしまう。５μｍ以上のワックス厚があると、ワックスが潤滑材となって、取り外しの際のウエハ割れを防ぐことができる。本発明のワックス厚ｔは、研磨前の５０ｍｍ径のウエハが反っており、ウエハ中央部に５μｍ〜３０μｍの撓みがある場合でも貼り付けられる利点がある。【００５９】
（ワックス幅Ｗ）
図１０および図１１に示すように、ワックスあるいは接着剤は素子用ウエハの側面の周囲の隣接する様に形成される。隣接する様に形成されたワックスの幅Ｗは、１ｍｍ≦Ｗ、好ましくは２ｍｍ≦Ｗ≦２０ｍｍ、より好ましくは３ｍｍ≦Ｗ≦８ｍｍである。ＧａＮは強固な材料であるが、研磨の際の衝撃に対して、欠損や研磨傷による割れが生じ易い材料である。特にウエハ周辺は、研磨盤に埋め込まれたダイヤなどの研磨剤とぶつかる衝撃に対して、欠損が生じやすい。本発明では硬いワックスでウエハ周辺部を保護できるので、欠損が生じにくい。ワックスの幅Ｗは、場所によって異なるが、少なくとも、１ｍｍ≦Ｗが必要である。２０ｍｍ≦Ｗでは、ワックスが研磨盤（図３参照）に蓄積する、あるいは研磨荷重がウエハ以外にワックスにかかり、研磨速度の低下が顕著になるので好ましくない。Ｗの揺らぎを考慮すると、２ｍｍ≦Ｗ≦２０ｍｍが好ましく、３ｍｍ≦Ｗ≦８ｍｍがより好ましい。【００６０】
（貼り付けられたウエハの表面の曲率半径Ｒ）
ウエハの裏面研磨前の反りの曲率半径Ｒ１とワックスで研磨ホルダ貼り付けられた状態でのウエハの反りの曲率半径Ｒ２は、Ｒ１＜Ｒ２、好ましくは１．５・Ｒ１＜Ｒ２、より好ましくは３・Ｒ１＜Ｒ２、最も好ましくは６・Ｒ１＜Ｒ２、である。【００６１】
表１に５０ｍｍ直径のウエハでの撓み量と曲率半径との関係を示す。ウエハの裏面研磨前の反りの曲率半径Ｒ１の典型的な値は１０ｍである。５０ｍｍ直径のウエハでは、貼り付け後のウエハ反りの曲率半径Ｒ２が１．５・Ｒ１以上であれば撓み量は２０μｍであり、ウエハが水平に貼り付けられているならば、ウエハ中央の厚さが１００μｍの時に、ウエハ端では１２０μｍになる。１２０μｍ以内ならは劈開歩留まりが高いので、本発明の製造方法は歩留まり向上に効果がある。貼り付け後のウエハ反りの曲率半径Ｒ２が３・Ｒ１以上であれば撓み量は１０μｍであり、ウエハの面内均一性が向上する。貼り付け後のウエハ反りの曲率半径Ｒ２が６・Ｒ１以上であれば撓み量は５μｍであり、ウエハの水平性が少々低下しても、高い歩留まりが得られるので最も好ましい。【００６２】
【表１】
2005099057.tif 000002
【００６３】
（貼り付けワックスの性質）
貼り付け用のワックスあるいは接着剤には、化学機械研磨（ＣＭＰ）の研磨剤などのアルカリ溶液（ＰＨ８〜ＰＨ１１）に耐性があり、かつその融点ｔｍが、７０℃≦ｔｍ≦２００℃であり、好ましくは１００℃≦ｔｍ≦１７０℃であり、より好ましくは１４０℃≦ｔｍ≦１６０℃であり、かつアルコ−ル以外の有機溶媒に可溶なものを用いることが好ましい。【００６４】
ワックスの融点は高いものほど、接着力が強く、硬くなる傾向があるので、ウエハの欠損を防ぐのに有効である。但し融点が２００℃以上のものは、扱いにくい。ワックスがアルコ−ルに溶けないため、研磨中にウエハおよびホルダおよびワックス表面をアルコ−ルで拭くことにより、研磨剤を除去することができる。【００６５】
（研磨用ホルダの熱膨張係数（材質））
研磨用ホルダにはその熱膨張係数がウエハの熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。素子用ウエハを貼り付ける研磨ホルダの材料の熱膨張係数Ｋ１がウエハの基板の熱膨張係数Ｋ０に対して、Ｋ１＜６・Ｋ０、好ましくはＫ１＜３・Ｋ０、より好ましくはＫ１＜２・Ｋ０、である特徴を有する。【００６６】
表２に１００℃融点のワックスを使用した時のホルダの材質に対する５０ｍｍサイズでのホルダ収縮量を示し、表３に１５０℃融点のワックスを使用した時のホルダの材質に対する５０ｍｍサイズでのホルダ収縮量を示す。【００６７】
【表２】
2005099057.tif 000003
【００６８】
【表３】
2005099057.tif 000004
【００６９】
ＧａＮ基板を用いたウエハの場合で説明する。アルミ製ホルダにＧａＮ基板上のウエハをワックスで貼り付けると、融点から室温に戻る過程で、薄膜の貼り付けワックスに、ホルダとウエハの熱膨張差に起因する応力分布が生じる。【００７０】
５０ｍｍ径のウエハの場合、アルミ製ホルダは９９μｍ収縮し、ＧａＮは１２μｍ収縮するのでその収縮差は８８μｍになる。ウエハに圧縮応力が加わってしまい基板割れの原因にもなり得る。それに加えて１０μｍ厚程度の薄いワックスに歪が加わるとワックス割れが生じてしまう。その結果、ＣＭＰのアルカリ溶液がウエハのおもて面の電極部を侵食するため、歩留まりが低下する。ワックスの融点が高くなるとその傾向は増大する。例えばアルミ製ホルダとＧａＮの収縮差は１４５μｍになるので、アルミ製ホルダは適さない。ＧａＮウエハの場合は、ホルダ材料として、ＳｉＣを用いるとＫ１＜６・Ｋ０、アルミナを用いるとＫ１＜３・Ｋ０、ステンレスを用いるとＫ１＜６・Ｋ０、を満たす。但し、その中では加工性と価格の面からはアルミナ製ホルダが適当である。【００７１】
本発明では、機械研磨に用いるダイヤモンド砥粒の粒径を段階的に小さくする従来の機械的な研磨方法に加えて、ウエハ裏面に化学機械研磨を行う工程を有するために、研磨傷がなく、研磨歪み層の厚さを２μｍ以下にできる。その結果、研磨歪み層をエッチングにより除去しても、エッチング表面に顕著な凹凸が形成されるあるいはＣ軸方向の貫通転位が拡大することがない。【００７２】
本発明では、ウエハ反りが最小限に抑えられ、研磨後のウエハの取り外し時に割れが生じないため、高い素子歩留まりを実現できた。【００７３】
化学機械研磨は、主に研磨面にアルカリ水溶液と反応してできた生成物が形成される化学的な過程と、反応生成物がＳｉＯ２などの微細な粒子と擦れあうことで除去される物理的な過程とからなる。反応生成物と基板結晶との結合は、基板結晶内の原子結合より弱くなっているので、反応生成物を除去する方が、直接表面層を除去するより容易である。ＧａＮをそれより軟らかいＳｉＯ２粒で化学機械研磨できるのは、そのような化学的作用が含まれているからである。そのため化学機械研磨は、研磨速度は小さいが、結晶内部へ歪みが及びにくい特徴を有する。【００７４】
機械研磨は、基板より硬いダイヤモンドなどの砥粒を基板にこすり付けて研磨面を物理的に除去する過程である。機械研磨は、研磨速度が大きいが研磨歪みが顕著に生じる難点がある。一方、湿式化学エッチングは、結晶内部への歪みは生じないが、機械研磨後の表面凹凸が顕著に拡大しやすい。【００７５】
化学機械研磨は、湿式化学エッチングと異なり、微小凹凸の凸部を優先的に順次加工除去する。これによって平坦性が実現し、かつ機械研磨で形成された研磨歪み層の歪みの最も大きい表面が化学機械研磨により取り除かれ、基板に加わっていた歪が回復する。この結果、研磨歪み層の厚さが薄くなると同時に歪量が極めて小さくなる。このために、機械研磨に引き続いて化学機械研磨を行うことで、機械研磨により基板裏面に生じた傷を除去し、裏面を平滑化し鏡面状態得ることができ、更に、機械研磨による５〜２０μｍの歪み層の厚さを、２〜５μｍの厚さの歪み層にすることができる。化学機械研磨による歪み層の厚さが５μｍ以下であれば反りによりウエハが割れることなくなるが、３μｍ以下がより好ましく、２μｍ以下であることが更に好ましい。【００７６】
化学機械研磨の砥粒種はＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３またはＭｎ２Ｏ３のいずれかあるいはそれらを組み合わせたものでもよい。砥粒の平均粒子径は、５ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、５ｎｍ〜５０ｎｍであるとより好ましい。加工液はＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２、Ｆｅ（ＮＯ）２あるいはＫＩＯ３のいずれかあるいはそれらを組み合わせたものでもよい。研磨パッドはスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれかでもよい。化学機械研磨時の圧力は、低すぎると研磨速度が小さいので、基板への荷重が０．１ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２が適当である。研磨速度は５ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎが好ましく、５ｎｍ／ｍｉｎ〜２０ｎｍ／ｍｉｎがより好ましい。【００７７】
化学機械研磨による研磨歪み層を薄くするために、化学機械研磨終了後、研磨歪み層を除去するために、基板の裏面をエッチングすることができる。エッチングは、ウエットエッチング、Ａｒイオンミリング、反応性イオンエッチングあるいはドライエッチングを用いることができる。【００７８】
これに対し、Ａｒイオンミリング、反応性イオンエッチングまたはドライエッチングによるエッチングは、エッチングダメージを基板に与えるが、研磨歪み層に比べて厚さが１桁以上浅く、通常０．００１〜０．０１μｍ程度の厚さであり、化学機械研磨による歪みと比べて歪みの程度がさらに低いので基板の反りへの影響が小さく、ウエットエッチングの様にウエハ表面を保護することなくエッチングできるのという長所を持っている。【００７９】
図１２は、ＣＭＰを用いて基板の厚さを１０８μｍにしたレーザダイオード（以下、ＬＤと略す）チップの、ＬＤ共振器方向の曲率半径Ｒの共振器長Ｌ依存性を示す図である。共振器長Ｌが小さくなると素子の曲率半径は小さくなる。具体的には、ウエハサイズがＬ＝４０ｍｍの時はＲ＝３．４ｍであったが、ＬＤチップにすると、Ｌ＝１．５ｍｍではＲ＝０．６７ｍ、Ｌ＝０．８５ｍｍではＲ＝０．３１ｍ、Ｌ＝０．６０ｍｍではＲ＝０．２２ｍであった。図１３に図１２の横軸を０＜Ｌ＜５の範囲で拡大した図を示す。【００８０】
０＜Ｌ＜５の範囲では実験値はＲ＝０．３８７・Ｌの関係を満たしていた。従ってＬ＝０．３ｍｍではＲ＝０．１１６ｍと推定される。ＬＤチップの共振器長は通常０．３ｍｍ以上であるから、この場合のＣＭＰを用いたＬＤチップの曲率半径Ｒは０．１ｍ以上である。典型的なサイズＬ＝０．６ｍｍでは、ＬＤチップの曲率半径Ｒは０．２ｍ以上である。従ってＬＤチップはＬＤウエハより曲率半径Ｒが一桁小さい。【００８１】
これまでの経験ではＣＭＰを用いた４０ｍｍ径のウエハの曲率半径は、ウエハ厚、エピ厚、機械研磨後の損傷層厚、ＣＭＰ時間、基板の転位密度などの影響により、０．５ｍ以上になる。典型的な共振器長Ｌ＝０．６ｍｍでは、ＬＤウエハから得られたＬＤチップの曲率半径Ｒは０．０５ｍ以上である。【００８２】
曲率半径が０．５ｍ以上のウエハを用いてもＬＤチップの共振器長方向の曲率は小さくなる。【００８３】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態である窒化物半導体レ−ザの断面図を示す。【００８４】
本実施の形態の窒化物半導体レ−ザは、ｎ電極２０１、ＧａＮ基板の研磨歪み層２０２、層厚１１０μｍのＧａＮ基板２０３、ｎ−ＧａＮバッファ−層２０４、１．２μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層２０５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（１０ｎｍ）の３層の量子井戸の活性層２０６、８ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層２０７、１００ｎｍ厚のｐ−ＧａＮ層２０８、０．６μｍ厚のリッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層２０９、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１０、３００ｎｍ厚のＳｉＯ２電流狭窄マスク２１１、ｐ電極２１２、からなる。リッジ幅は１．８μｍ〜２．３μｍである。ｐド−パントにはＭｇ（マグネシウム）を用い、ｎド−パントにはＳｉ（シリコン）を用いたが、Ｏ（酸素）を用いてもよい。Ｍｇの原子濃度はｐ−ＧａＮコンタクト層２１０には１×１０２０ｃｍ−３、それ以外には２×１０１９ｃｍ−３、Ｓｉの原子濃度はすべて２×１０１８ｃｍ−３である。結晶成長はＭＯＶＰＥ成長で行った。成長温度はｎ−ＧａＮバッファ−層２０４が６００℃、ｎクラッド層２０５およびｐクラッド層２０９は１０５０℃、活性層６は８００℃である。Ｎ原料にはアンモニアを用い、キャリアガスは活性層では窒素、それ以外では水素を用いた。【００８５】
３００μｍ〜４５０μｍ厚のＧａＮ基板上に上記構造を成長したのち、ドライエッチングでリッジ型ｐクラッド層２０９を形成する。あるいは１００ｎｍ厚のｐ−ＧａＮ層２０８を成長した後で、３００ｎｍ厚のＳｉＯ２電流狭窄マスク２１０を形成して、選択成長により、ｐクラッド層２０９を成長して形成することもできる。【００８６】
ｐクラッド層２０９には、ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層の代わりに、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ｐ−ＧａＮ（２．５ｎｍ）の多周期からなる超格子クラッド層を用いてもよい。この場合、光閉じ込めを維持するためには、同じ層厚で平均のＡｌ組成は同一にする。本発明では、反りを低減するためにＡｌＧａＮ層の格子不整合度を小さくしたものが好ましい。ＧａＮ基板上に形成されたＬＤにおいて、ｄｎ（μｍ）厚のｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層とｄｐ（μｍ）厚のｐ−ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を有する場合には、ＡｌＧａＮ層の格子不整合度ｄＬＭを、ｄＬＭ＝ｘ・ｄｎと＋ｙ・ｄｐで定義する。本発明の実施例の場合、ｄＬＭ＝０．０７・１．２＋０．０７・０．６＝０．１２６から、格子不整合度は０．１２６（μｍ）である。本発明の適用にあたって、格子不整合度ｄＬＭは、０．０８≦ｄＬＭ≦０．３５が必要であり、０．０９≦ｄＬＭ≦０．２０が好ましく、０．１０≦ｄＬＭ≦０．１５がより好ましい。【００８７】
図４に本発明の窒化物半導体発光素子用ウエハの断面図を示す。窒化物半導体発光素子用ウエハは、ＧａＮ基板４０３の表面上にＡｌＧａＮ系ＬＤエピ層４０４およびＰ電極４０５が形成され、ＧａＮ基板４０３の裏面側には研磨損傷層４０２が形成され、研磨損傷層４０２上にＮ電極４０１が形成されている。曲率半径はＬＤウエハおよびＬＤ素子の表面あるいは裏面の曲がり具合あるいは結晶のＣ軸の傾き具合を用いて、図４のように定義される。ウエハ反り  １／Ｒ  ４０６は、ウエハ内で最も反りの大きい部分の曲率半径  Ｒ  ４０７で表す。つまり曲率半径  Ｒ  ４０７が小さいほど、反りは大きい。局所的に定義したのは、ウエハ反りがウエハ全面で必ずしも完全な球面ではないためである。通常はウエハ中央部の反りが大きいので、中央部の、電極面ではなく、基板面の反りを測定する。ウエハの撓み量  δ  ４０９、ウエハサイズをＬとすると、曲率半径Ｒは、Ｒ＝２Ｌ／８δで与えられる。撓み量δ  ４０９は、図４のように凸を下にして水平面にウエハを置いた時に水平面からウエハ端部までの距離である。【００８８】
本実施の形態のウエハの製造方法を説明する。【００８９】
３００μｍ〜４５０μｍ厚のｎ型ＧａＮ基板上にＬＤ構造をＭＯＶＰＥ法で成長してＬＤウエハを得た。さらにＬＤウエハのｐ側にリッジ構造を形成し、ｐ電極を形成した。ここまでは従来の製造方法と同じである。【００９０】
次に、ウエハ裏面を研磨することでウエハの厚さを所望の厚さまで薄くする。まず耐アルカリのワックスを用い、研磨冶具にＬＤウエハのｐ電極側を貼り付けた。【００９１】
次にウエハを荷重３００ｇ／ｃｍ２の圧力で砥粒径６０μｍのダイヤモンド焼付け研磨盤に押し付けて保持し、３０回転／分の速度で研磨盤を回転させて機械研磨した。研磨速度は１０μｍ／分であり、ウエハ厚を４５０μｍから１４０μｍに機械研磨した。その後、１１４μｍ厚まで、６μｍ径と２μｍ径のダイヤモンドスラリと銅盤と錫盤を用いて機械研磨を行った後、仕上げとして化学機械研磨を行った。【００９２】
図３に、化学機械研磨の実施図を示す。化学機械研磨は、ふち付研磨盤３０１、研磨パッド３０２、コロイダルシリカ溶液３０３、研磨冶具３０４、アーム３０５、ＬＤウエハ３０６、からなる。コロイダルシリカ溶液３０３を研磨パッド３０２が貼られたふち付研磨盤３０１に満たし、その中にＬＤウエハ３０６を浸し、荷重３００ｇ／ｃｍ２で押し付けながら、ふち付研磨盤３０１を２０回転／分の速さで回転させた。その時の研磨速度は２μｍ／時間であった。【００９３】
ＧａＮ基板やサファイア基板の場合、化学機械研磨用のスラリ溶液として、平均粒子径が２０ｎｍ程度のＳｉＯ２砥粒をアルカリ溶液に分散させたコロイダルシリカ溶液３０３を用いるのが適切である。研磨パッド３０２にはサ−フィンと呼ばれるポリエチレン系の発泡構造体を用いた。１時間程度の化学機械研磨によって、光学顕微鏡で詳細に観察しても研磨傷が殆ど見られなくなり、鏡面が得られた。ヒータ上に研磨冶具を載せて、ワックスを溶かし、ウエハを研磨冶具３０４から取り外したが、ウエハの割れは生じなかった。ウエハを有機洗浄した後に厚さを計測したところ、ウエハの層厚は１１２μｍであり、４０ｍｍ径で±１μｍの均一性であった。基板の撓み具合から求めた反りの曲率半径は５ｍと小さかった。【００９４】
さらにウエハ反りを小さくするために、ウエハの基板側表面を、化学機械研磨を用いて研磨した後にＡｒイオンミリングを４００Ｗの高周波電力で１時間の条件で用い、表面から厚さ２μｍの深さの研磨歪み層を取り除いた。この裏面処理工程は、Ａｒイオンミリング以外に燐酸硫酸系のウエットエッチングや塩素系のプラズマを用いたドライエッチングや反応性イオンエッチングなどを用いても実行できる。塩素ドライエッチングの条件は、例えば塩素２０ｃｃ／ｍｉｎ、圧力１．０Ｐａ、４００Ｗの高周波電力で１時間である。Ａｒイオンミリングで５μｍ以上の深さを取り除いても、ウエハ反り量は変わらなかったことから、化学機械研磨後の裏面処理工程による研磨歪み層の厚さは５μｍ以下であると考えられる。【００９５】
研磨によりウエハを薄くした後、ウエハ裏面にｎ電極を形成して、５００℃で１５分間の熱処理を行い、その後、共振器長が６５０μｍになるように、ダイヤモンドカッタ−でウエハの縁を１ｍｍ長さけがいた後、けがき線に沿ってエッジを押し当てて、ウエハを劈開した。劈開面を走査電子顕微鏡で観察したところ、殆どの素子で完全な鏡面が得られていた。ＬＤバ−の横割りを行い、ＬＤ素子を得た。本発明の製造方法である化学機械研磨を用いたことによって９８％の素子歩留まりが得られた。【００９６】
機械研磨は、パッドがウエハ裏面表面上を移動する際、ウエハ表面上に押し付けられた砥粒との間ですべり摩擦的な挙動によって磨耗が起こる。除去速度は、荷重、接触面積、パッドの移動速度により決まる。ウエハのふちだれを防ぐには、変形量が小さくて硬くて薄いパッドに対して、１００ｇ／ｃｍ２〜４００ｇ／ｃｍ２程度の低い圧力をウエハ全体に均一にかけるのがよい。【００９７】
化学機械研磨の砥粒種はＳｉＯ２に限らず、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３のいずれかあるいはそれらを組み合わせたものでもよい。砥粒の平均粒子径が５ｎｍ〜１００ｎｍあるいはより望ましくは５ｎｍ〜５０ｎｍである。加工液はＫＯＨ、ＮＨ４ＯＨ、
ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ２，Ｆｅ（ＮＯ）２、ＫＩＯ３のいずれかあるいはそれらを組み合わせたものでもよい。研磨パッドはスエ−ド、不織布、人工皮革、発泡構造体のいずれでもよい。化学機械研磨時の圧力は、低すぎると研磨速度が小さいので、０．１ｋｇ／ｃｍ２〜５ｋｇ／ｃｍ２が適当である。研磨速度は５ｎｍ／ｍｉｎ〜１００ｎｍ／ｍｉｎが好ましく、５ｎｍ／ｍｉｎ〜２０ｎｍ／ｍｉｎであるほうがより好ましい。【００９８】
得られた素子にＡＲ−ＨＲコ−ティングを施した。素子の閾値は４５ｍＡであり、スロ−プ効率は１．２Ｗ／Ａ、５ｍＷでの動作電流は約５０ｍＡ、１００ｍＷでの動作電流は約１３０ｍＡであった。【００９９】
寿命試験は、５０℃、５ｍＷあるいは６０℃、１００ｍＷの動作条件で２０本で行い、故障（失格）判定規格は、動作電流が２割上昇した時点と定義した。【０１００】
その結果、５０℃、５ｍＷの低出力では６０００時間以上の平均推定寿命（ＭＴＴＦ：Ｍｅａｎ  Ｔｉｍｅ  Ｔｏ  Ｆａｉｌｕｒｅ）を達成し、非特許文献１に記載の、３０００時間に対して倍の寿命を持っている。また５０℃、５ｍＷの条件に対し約８．６倍に加速される、６０℃、１００ｍＷの高出力でも７００時間以上の推定平均寿命が得られた。【０１０１】
層厚１１２μｍ、曲率半径５．０ｍの窒化物半導体レーザ素子では、９８％の高い素子歩留まりと、１００ｍＷの高出力で１１６０時間の平均寿命が得られた。活性層の成長条件など、他の要因を最適化することで、今後、更に、高出力素子として長寿命の素子が得られると思われる。【０１０２】
以下に、本実施の形態の製造法を詳細に説明するが、本実施の形態の製造方法を用いると、ウエハの基板厚ｄとウエハの曲率半径Ｒが各々７５μｍ≦ｄ≦１４５μｍおよび０．５ｍ≦Ｒ≦２０ｍの条件を満たすＬＤウエハおよびＬＤ素子、あるいは上記の条件を満たすＬＤウエハから得られたＬＤ素子を得ることができる。【０１０３】
本発明の製造方法で得られたＬＤの研磨歪み層２０２の実効歪量は０．１６５％程度であり、その時の実効層厚は２μｍ〜５μｍ以下と極めて小さい。このため、反りの曲率半径が１ｍ以上のＬＤウエハおよびＬＤ素子、あるいは上記の条件を満たすＬＤウエハから得られたＬＤ素子を得ることができる。【０１０４】
本発明の反りは、曲率半径１ｍ以上の反りであり、通常のウエハサイズや素子サイズで確認することができる。例えばウエハサイズが１ｃｍの場合、曲率半径１ｍのウエハの撓み量は１２．５μｍである。これは通常の膜厚計で十分測定できる値である。ＬＤ素子の場合、素子サイズが６５０μｍのとき、曲率半径１ｍの素子の撓み量は５２．８ｎｍである。これは走査電子顕微鏡で断面形状を観察することで測定できる値である。具体的には、青色ＬＤ素子を平坦なＧａＡｓ基板に隣接させて走査電子顕微鏡装置に投入して撓み量を測定し、得られた撓み量から素子の反りを求めることができる。あるいはレ−ザ光線の反射を用いてもよい。局所的な反りを求める場合は、素子を冷却し光学的な測定から結晶の歪量を測定して、反りを求めることができる。あるいはＸ線回折を用いた方法により、結晶軸の傾きから、素子やウエハの反りを求めることができる。あるいはＧａＮ基板上の素子であれば、それを５Ｋに冷却し、励起子エネルギ−とＣ軸格子定数の線形関係を用いて、励起子エネルギ−の変化からＧａＮの残留歪量を得ることができる。これにより研磨歪み層厚を推定できる。【０１０５】
尚、実施の形態での説明は全てウエハの厚さで行っているが、ウエハの厚さから基板上に成長したエピタキシャル成長層の厚さを引くことで基板の厚さを求めることができる。【０１０６】
（発明の他の実施の形態）
本発明の実施形態において、素子の成長方法、層構造、光導波路の構造、共振器の有無、転位分布を制御するための構造の有無などに関して、特に制限はない。しかし反り低減のために、クラッド層の格子不整合度が請求項で記載のものであることが望ましい。本発明の実施形態において、窒化物半導体基板の種類や面方位は特に制限されない。例えば基板材料はＧａＮ基板に限らず、ＡｌＧａＮ基板、ＩｎＮ基板、ＧａＩｎＮ基板、ＡｌＩｎＮ基板、あるいはＡｌＧａＩｎＮ基板でもよい。本発明においてはエピ層に少なくともひとつの窒化物半導体層があればよく、特に基板の種類や面方位の制限もない。例えば基板材料はＡｌ２Ｏ３基板、ＺｒＢ２基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板でもよい。ただし、ＺｒＢ２基板、ＳｉＣ基板およびＳｉ基板に関しては、傾斜基板を使うことが望ましい。ＺｒＢ２基板を用いた窒化物半導体素子は信頼性に優れる特徴、ＳｉＣ基板を用いた窒化物半導体素子は放熱性に優れる特徴、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体素子は低コスト性に優れる特徴を有するので、目的に応じて使い分けることができる。
【実施例】
【０１０７】
次に、ＬＤの厚さと曲率半径が異なる９つの実施例を説明する。表４に、本発明の９つの実施例である窒化物半導体レ−ザ用ウエハの基板厚と曲率Ｒに対する歩留まりと平均寿命を示す。第４の実施例については、すでに第１の実施の形態で詳しく述べたものである。下の９つの実施例では、それぞれの層厚と曲率半径は異なるが、それ以外の構造は、第１の実施の形態とすべて同じである。【０１０８】
表４に本発明の実施例である窒化物半導体レ−ザ用ウエハの基板厚と曲率Ｒに対する歩留まりと平均寿命を示す。【０１０９】
【表４】
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第１の実施例は、ウエハの基板厚１３６μｍ、曲率半径８．３ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは８１％、素子の平均寿命は７００時間であった。【０１１０】
第２の実施例は、ウエハの基板厚１２８μｍ、曲率半径７．０ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは８９％、素子の平均寿命は１０３０時間であった。【０１１１】
第３の実施例は、ウエハの基板厚１１９μｍ、曲率半径６．２ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは９４％、素子の平均寿命は１１００時間であった。【０１１２】
第４の実施例は、ウエハの基板厚１１２μｍ、曲率半径５．０ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは９８％、素子の平均寿命は１１６０時間であった。【０１１３】
第５の実施例は、ウエハの基板厚１０８μｍ、曲率半径４．３ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは９９％、素子の平均寿命は１１５０時間であった。【０１１４】
第６の実施例は、ウエハの基板厚１０５μｍ、曲率半径３．８ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは９８．５％、素子の平均寿命は１２００時間であった。【０１１５】
第７の実施例は、ウエハの基板厚９４μｍ、曲率半径２．９ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは９８％、素子の平均寿命は１１５０時間であった。【０１１６】
第８の実施例は、ウエハの基板厚８３μｍ、曲率半径１．５ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは８９％、素子の平均寿命は１０５０時間であった。【０１１７】
第９の実施例は、ウエハの基板厚７５μｍ、曲率半径１．０ｍの窒化物半導体レーザ素子である。素子歩留まりは８０％、素子の平均寿命は８００時間であった。【０１１８】
図５に本発明の実施例の窒化物半導体レーザ用ウエハの曲率半径のウエハの基板厚依存性を示す。図５の菱形印は、本発明の実施例である化学機械研磨を用いたＬＤウエハの値を示し、白丸は化学機械研磨を用いない従来製法のＬＤによる値を示している。ＬＤの曲率半径はウエハの基板厚さと共に増大する傾向が見られた。【０１１９】
化学機械研磨を用いた場合、研磨表面はいずれも鏡面であり、光学顕微鏡でも研磨傷は殆ど見られなかった。本発明で鏡面とは光学顕微鏡を用いて研磨傷が観測されない状況まで化学機械研磨された状態示す。鏡面になっていると、斜光を表面に照射した状態で、肉眼で基板面に傷が観測されない状態とほぼ一致する。斜光を表面に照射した状態で、肉眼で見て傷が観測されない場合でも良い。しかし化学機械研磨を用いない従来のラッピングのみの研磨では、研磨傷が見られ、厚さ１５０μｍ以下のウエハの曲率半径は０．５μｍ以下であり、反りが大きい。それに対し、本発明の実施例のＬＤウエハの曲率半径は１ｍ以上であり、従来製法のＬＤより明らかに反りが小さい。【０１２０】
化学機械研磨を用いない従来製法のＬＤでは、研磨歪み層の実効厚が５μｍ〜２０μｍと大きいため、ウエハの基板厚ｄが７０μｍ≦ｄ≦１４５μｍでは、曲率半径が０．５ｍ以下であり、反りによるウエハ割れが著しく、２２％以下に歩留まりが低下していた。一方、本発明の反りの小さいウエハでは、８０％以上の格段に高い素子歩留まりが得られた。【０１２１】
図５に研磨歪みがない場合のＬＤウエハ層厚に対する曲率半径の計算値を一点鎖線５０３で示す。本実施例のＧａＮ基板上のＬＤでは合計１．８μｍ厚のＡｌ組成０．０７のＡｌＧａＮ層があり、この一点鎖線５０３は歪量０．０５％、層厚１．８μｍのＡｌＧａＮ格子不整合層による反りを表している。ウエハを薄くすると、ＡｌＧａＮ層の影響で反りが大きくなる。曲率半径が３ｍ以上の反りの小さいＬＤを得るには、ウエハの基板厚は７０μｍ以上必要である。ウエハの基板厚が１４５μｍを超えると劈開歩留まりが低下するので、本発明においてウエハの基板厚ｄは７０μｍ≦ｄ≦１４５μｍに制限した。【０１２２】
図５の実線５０４は歪量０．１６５％の研磨歪み層が層厚２μｍある場合のＬＤ層厚に対する曲率半径の計算値である。同様に、破線５０５は研磨歪み層が層厚３μｍの場合、点線５０６は層厚４μｍの場合のＬＤウエハ層厚に対する曲率半径の計算値である。実施例とほぼ一致する計算値の研磨歪み層の歪量０．１６５％程度であった。曲率半径が３ｍ以上の反りの小さい実施例のＬＤの研磨歪み層厚は２μｍ〜３μｍと推定される。反りの小さいＬＤを得るには、研磨表面が鏡面でも、２μｍ程度の研磨歪み層が存在しているので、それを考慮して、層厚を決定しなければならない。さらに２μｍ程度の研磨歪み層をドライエッチングやウエットエッチングで取り除けば、一層反りの小さいＬＤが得られる。【０１２３】
図６に本発明の実施例の窒化物半導体レ−ザの素子歩留まりのＬＤウエハの基板厚さ依存性を示す。従来のＬＤは１０％以下もしくは２０％以下の素子歩留まりであったのに対し、本発明では８０％以上もしくは９８％以上の素子歩留まりが実現できた。【０１２４】
図７に本発明の実施例の窒化物半導体レ−ザの素子寿命のＬＤウエハ厚さ依存性を示す。従来のＬＤは１００ｍＷで１００時間程度の素子寿命であったが、本発明では１０００時間以上の素子寿命が得られた。【０１２５】
図６、図７から、素子歩留まりと寿命の点において、ＬＤウエハの基板厚が１００μｍ〜１１５μｍの場合が最も好ましいことが分かった。従来に比べて本発明の窒化物半導体レ−ザは、素子歩留まりと信頼性において１０倍程度の向上が見られた。【０１２６】
図５は、基板面に垂直な方向の厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒの相関を示す図である。第１の範囲５０７、すなわち基板面に垂直な方向の基板厚さｄと基板面の反りの曲率半径Ｒが、７０μｍ≦ｄ≦１４５μｍかつ０．５ｍ≦Ｒ≦２０ｍの場合、８０％以上の素子歩留まりと１００ｍＷで７００時間以上の平均寿命が得られた。第２の範囲５０８、すなわち８０μｍ≦ｄ≦１３５μｍかつ１ｍ≦Ｒ≦１５ｍの場合、８９％以上の素子歩留まりと１００ｍＷで１０００時間以上の平均寿命が得られた。第３の範囲５０９、すなわち９０μｍ≦ｄ≦１２５μｍかつ２ｍ≦Ｒ≦９ｍの場合、９４％以上の素子歩留まりと１００ｍＷで１１００時間以上の平均寿命が得られた。第４の範囲５１０、すなわち１００μｍ≦ｄ≦１１５μｍかつ３ｍ≦Ｒ≦８ｍの場合、９８％以上の素子歩留まりと１００ｍＷで１１５０時間以上の平均寿命が得られた。【０１２７】
以上のように本発明の化学機械研磨により、研磨による傷をなくし、歪み深さを低減できた。この結果、ウエハ反りが低減し、クラックの発生やウエハの割れが防止できるため、素子の歩留まりや信頼性が著しく向上した。素子の裏面が平坦化したことで、素子を基台（ヒートシンクを兼ねる場合がある）にマウントすると素子の裏面に形成された金属電極と基台との接触抵抗が低減し、素子の動作電圧を１Ｖ低減でき、ｎ電極の通電劣化もなくなった。【０１２８】
図８に本発明の第１０の実施例である窒化物半導体レ−ザの断面図を示す。本実施例の窒化物半導体レ−ザは、サファイア基板上に形成されており、その構造は、２μｍ厚のサファイア基板の研磨歪み層８００、８０μｍ厚のサファイア基板８０１  、５μｍ厚のｎ−ＧａＮ層８１２、２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層８０２、１．２μｍ厚のｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層８０３、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（１０ｎｍ）の３層の量子井戸の活性層８０４、８ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層８０５、１００ｎｍ厚のｐ−ＧａＮ層８０６、０．６μｍ厚のリッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層８０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層８０８、３００ｎｍ厚のＳｉＯ２電流狭窄マスク８０９、ｐ電極８１０、ｎ電極８１１、からなる。リッジ幅は２．３μｍである。ｐド−パントにはＭｇ（マグネシウム）を用い、ｎド−パントにはＳｉ（シリコン）を用いる。Ｍｇの原子濃度はｐ−ＧａＮコンタクト層２１０には１×１０２０ｃｍ−３、それ以外には２×１０１９ｃｍ−３、Ｓｉの原子濃度はすべて２×１０１８ｃｍ−３である。結晶成長は前期の実施例と同様にＭＯＶＰＥ法で行った。【０１２９】
ドライエッチングを用いて、ｎ電極のために２μｍ厚のｎ−ＧａＮ層８０２を除去し、ｎ−ＧａＮ層８１２の表面を出し、その表面にＳｉＯ２マスク８０９を用いて、ｎ電極８１１を形成する。同様にドライエッチングを用いて、０．６μｍ厚のリッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層８０７を形成する。ドライエッチング用のマスクには、ＳｉＯ２のほかにＺｒＯ２などを使用してストライプ状のリッジ構造を形成することができる。さらにＳｉＯ２マスク８０９を用いて、ｐ電極８１０を形成した。次にサファイア基板８０１の研削と研磨を行った。本実施例における特徴は、素子のサファイア基板８０１の厚さが８０μｍであり、元ウエハの反りの曲率半径が１．５ｍであることである。その製造方法の特徴は、サファイア基板８０１の裏面に従来のダイヤモンド砥粒による研磨工程の後に化学機械研磨を用いたことである。これによって、反りの曲率半径が１．５ｍと小さいものができた。このときの研磨歪み層８００の厚さは、サファイア基板においても２μｍ以内になったと考えられる。【０１３０】
本発明の実施例の製造工程を詳しく述べる。サファイア基板（Ｃ面）の厚さは初期に３５０μｍであったが、裏面研削によって素子ウエハを１１０μｍ厚に減少させた。その後、粒径６μｍと２μｍのダイヤモンドスラリを順番に用いて錫研磨盤上で８２μｍ厚まで研磨し、さらに化学機械研磨を用いて８０μｍ厚まで研磨した。研削は粒径６０μｍのダイヤモンド研削盤を用い１５００回転で平均０．４μｍ／秒の速度で行った。化学機械研磨は粒径３０ｎｍのコロイダルシリカを用い、７００ｇ／ｃｍ２の圧力で５０回転／分の速度で１時間行った。得られたウエハのそりは１．５ｍであり、従来のものに比べて反りが低減した。ダイヤモンドでウエハのダイシングを行い、横幅３００μｍ、ストライプ方向の縦幅６００μｍの窒化物半導体発光素子が得られた。素子端面にＴｉＯ２とＳｉＯ２の多層膜をつけ反射率を制御し、片方の端面から自然放出光を取り出した。活性層部分の端面が完全な劈開面ではないので発振しなかったが、５ｍＷの強い青色の自然放出光が得られた。この素子は１０ＧＨｚの高い高速変調動作が可能であるので、屋内での広帯域のワイヤレス光通信等に活用できる。あるいは本発明の実施例は、蛍光体と組み合わせることで、低電圧で高寿命の白色光源として利用できる。【０１３１】
図９に本発明の第１１の実施例である窒化物半導体レ−ザの断面図を示す。本実施例の窒化物半導体レ−ザは、Ｃ面から劈開方向である［１１−２０］方向に４度傾斜したホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）基板上に形成した。本発明の第１１の実施例は、ＺｒＢ２基板の研磨歪み層９０１、層厚１１０μｍのＺｒＢ２基板９０２、０．１μｍ厚のｎ−ＧａＮ層９０３、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（３ｎｍ）／ｎ−ＧａＮ（３ｎｍ）の２０周期からなる１２０ｎｍ厚のｎ型超格子層９０４、１．７μｍ厚のｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層９０５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（１０ｎｍ）の３周期からなる３層の量子井戸の活性層９０６、８ｎｍ厚のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ電流オーバーフロー防止層９０７、１００ｎｍ厚のｐ−ＧａＮ層９０８、０．６μｍ厚のリッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層９０９、ｐ−ＧａＮコンタクト層９１０、３００ｎｍ厚のＳｉＯ２電流狭窄マスク９１１、ｐ電極９１２、からなる。本実施例のウエハは、ウエハ厚１１０μｍ、ウエハの反りの曲率半径３．５ｍである。【０１３２】
Ｃ面から劈開方向である［１１−２０］方向に０度から１０度以下傾斜したＺｒＢ２基板を用い、ＭＯＶＰＥ法でステップフロ−成長させると、ＧａＮの成長面を広い範囲でＧａ面にすることができるのでが好ましく、０度から１度以下の場合、量子井戸界面の急峻性が得られる。２度から１０度にすると、水素パッシベーションにより、例えばマグネシウム（Ｍｇ）を拡散した場合、結晶のサイトにＭｇが入りやすくなり、ｐ型の不純物が活性化しやすい。【０１３３】
これまでの実施例と同様に、得られたエピウエハに光導波路用のリッジを形成し、ｐ電極をつけ、ウエハの裏面研磨を行った。裏面研磨の仕上げとして化学機械研磨を行った。化学機械研磨は、コロイダルシリカを用い、サ−フィン上で圧力５００ｇ／ｃｍ２、回転速度３０回転／分の条件で１時間行った。レーザ用の共振器面は劈開により形成し、素子分離を行いレーザ素子を得た。ＺｒＢ２基板上にエピタキシャル成長したＧａＮエピ層の劈開方向はＺｒＢ２基板の劈開方向［１１−２０］に一致しているために、平坦な共振器面が得られた。ＺｒＢ２基板上に成長したＬＤ結晶の転位密度は５×１０６ｃｍ−２であり、デバイスレベルの品質のものが得られた。【０１３４】
ＺｒＢ２（ホウ化ジルコニウム）単結晶は、融液による浮遊帯域溶融法（ＦＺ法、フロ−ティング・ゾ−ン法）で、温度３２５０℃、熱勾配１５０℃／ｍｍ、引き出し速度２０ｍｍ／時間の条件で育成される。【０１３５】
ＺｒＢ２基板は大光出力の窒化物半導体発光素子の基板として優れた特徴を有する。ＺｒＢ２基板は、ＧａＮと同じく６方晶であり、ＧａＮに対して０．６％の格子定数差で格子整合する特徴と、５％の熱膨張係数差で熱膨張する特徴のため、サファイア基板上のＧａＮに較べ遥かに優れた品質のＧａＮ結晶を成長できる。ＺｒＢ２基板は、金属Ｃｕを凌ぐ高い電気伝導性があり、ＺｒＢ２／ｎ−ＧａＮ界面はオ−ミック接合するため、基板をそのまま電極として使用できる。またＺｒＢ２基板は金属Ｍｏとほぼ同じ高い熱伝導性があるため、熱の放散性に優れている。【０１３６】
ＺｒＢ２基板はＧａＮと同様に硬くて脆い性質を有する。そのため研磨歪みが深く形成されやすく、従来の研磨では、ウエハ反りが大きくなり、ウエハを研磨冶具から取り外す際に割れが生じ、歩留まり低下が著しかった。本発明の化学機械研磨を適用することにより、ウエハ厚を１１０μｍにしても、ウエハの反りの曲率半径は３．５ｍと小さく、ウエハ割れがなく、良好な劈開ができた。結局、ＺｒＢ２基板上に形成されたＧａＮ系半導体レ−ザを８０％以上の歩留まりで得ることができた。用いたＺｒＢ２基板の直径は２ｃｍであったが、将来はより大口径のものが可能であり、低コストの素子が実現できる。
【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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【国際調査報告】
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