(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有することを特徴とするサファイア基板。
【請求項２】
上記（１−１０−５）面からのオフ角が±８°以下であることを特徴とする請求項１記載のサファイア基板。
【請求項３】
（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有するサファイア基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記サファイア基板をその（１−１０２）面に沿って劈開することにより上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開する工程とを有することを特徴とする窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劈開方法。
【請求項４】
（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有するサファイア基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記サファイア基板をその（１−１０２）面に沿って劈開することにより上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、サファイア基板、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劈開方法および半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物（ナイトライド）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、その禁制帯幅が１．８ｅＶから６．２ｅＶに亘っており、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子の実現が理論上可能であるため、近年、注目を集めている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により半導体レーザを製造する場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどを多層に成長させ、発光層（活性層）をｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層によりはさんだ構造を形成した後、共振器の端面を形成する必要がある。
【０００４】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させるために用いられる代表的な基板の一つに、サファイア基板がある。従来、このサファイア基板としては、（０００１）面（「ｃ面」と呼ばれる）方位のものが多く用いられていた。そして、このｃ面サファイア基板上にＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長させてレーザ構造を形成した半導体レーザで、室温パルス発振に成功したとの報告が最近なされている（Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)pp.L74-L76) 。この半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板上に成長した窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は劈開が困難であることから、これらの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いてエッチングすることにより共振器の端面を形成していた。しかしながら、このＲＩＥ法によるエッチングにより窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に形成された端面は、５０ｎｍ程度の高さの凹凸が存在する荒れた面であるため、これが端面の反射率を低下させ、反射損失の原因となる。そして、この反射損失は、半導体レーザのしきい値電流密度の上昇の原因となり、エネルギー損失や寿命の低下の原因となっていた。
【０００５】
その後、（１１−２０）面（「ａ面」と呼ばれる）方位のサファイア基板を用い、このａ面サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法により窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させてレーザ構造を形成し、このａ面サファイア基板を（１−１０２）面（「ｒ面」と呼ばれる）に沿って劈開することによりその上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開して共振器の端面の形成に成功したとの報告がなされている（Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)pp.L217-L220) 。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の知見によれば、上述のようにａ面サファイア基板をｒ面に沿って劈開することによりその上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に形成される端面にも、やはり凹凸が発生してしまい、これが端面の反射損失の原因となり、ひいては、半導体レーザのしきい値電流密度の上昇の原因となり、エネルギー損失や寿命の低下の原因となっていた。
【０００７】
したがって、この発明の目的は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後に基板を劈開することによりこの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開して凹凸のない鏡面の端面を形成することができるサファイア基板、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の劈開方法および半導体レーザの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術が有する上述の課題を解決すべく、結晶学的観点から、鋭意考察を行った。その概要について説明すると、次の通りである。
【０００９】
図１はサファイア基板の種々の面方位を示す。図１においては、ａ面については、結晶学的に等価な二つの面（ａ面（１）およびａ面（２）で示す）が示されている。図２〜図５は、種々の面方位のサファイア基板上に成長させたＧａＮ系半導体の劈開容易面を示す。このＧａＮ系半導体はウルツ鉱（Wurtzite) 型結晶構造を有し、その劈開容易面は（−１１００）面（「ｍ面」と呼ばれる）および（２−１−１０）面（「ａ面」と呼ばれる）であると考えられている。図２〜図５においては、実線の三角形がａ面を示し、破線の三角形がｍ面を示す。なお、図１〜図５において、（ｒ）はｒ面に垂直な方向を示す。（ａ）、（ｍ）および（ｃ）も同様である。
【００１０】
図２はｃ面サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を成長させた場合を示す。すでに述べたように、この場合は、ｃ面サファイア基板を劈開することによりその上のＧａＮ系半導体層を劈開することは困難である。
【００１１】
図３および図４は、ａ面サファイア基板上にＧａＮ系半導体層を成長させた場合を示す。すでに述べたように、この場合、ａ面サファイア基板をｒ面に沿って劈開することによりその上のＧａＮ系半導体層を劈開することが可能であるが、このときのＧａＮ系半導体層の劈開面はｍ面である。ところが、このＧａＮ系半導体層のｍ面とａ面サファイア基板のｒ面との間には２．４°の角度差がある。これが、ａ面サファイア基板をｒ面に沿って劈開することによりその上のＧａＮ系半導体層に形成される端面に凹凸が発生する原因と考えられる。
【００１２】
そこで、本発明者は、種々の検討を行った結果、サファイア基板上のＧａＮ系半導体層の劈開面に凹凸が形成されないか、仮に凹凸が形成されてもその高さを劈開面での反射損失を無視することができる程度に小さく（例えば、３０〜５ｎｍ程度以下）抑えるためには、サファイア基板の劈開面とこのサファイア基板上のＧａＮ系半導体層の劈開容易面との角度差をほぼ０°にすることが有効であるという結論に至った。そして、結晶学的観点から種々の考察を行った結果、ｒ面（（１−１０２）面）およびａ面（（１１−２０）面）にほぼ垂直な主面を有するサファイア基板を用い、その上にＧａＮ系半導体層を成長させればよいことを見出した。図５は、このｒ面およびａ面にほぼ垂直なサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を成長させた場合を示す。図５からわかるように、この場合、ＧａＮ系半導体層のｃ軸は基板表面に対して垂直な方向に配向し、このＧａＮ系半導体層の劈開容易面であるａ面はサファイア基板の劈開容易面であるｒ面と平行になる。したがって、このサファイア基板をｒ面に沿って劈開することにより、その上のＧａＮ系半導体層をそのａ面に沿って容易に劈開することができる。
【００１３】
このようなサファイア基板のｒ面およびａ面にほぼ垂直な主面は、ミラー指数で表すと、（１−１０−５）面となる。ここで、この（１−１０−５）面とａ面とのなす角は正確に９０°であるが、（１−１０−５）面とｒ面とのなす角は厳密には８９．８４°であり、９０°よりわずかに小さい。
【００１４】
次に、このサファイア基板の主面が、ｒ面およびａ面に垂直な面からどの程度の角度オフすることが許されるかについて検討する。いま、ＧａＮ系半導体のｍ面とａ面との違いに注目すると、図１において、サファイア基板のｒ面およびａ面に垂直な面からａ軸方向に±９０°オフしたものがサファイア基板のａ面（ａ面（１）およびａ面（２））に相当する。この場合、サファイア基板のａ面（１）においては、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のｍ面との角度差は２．４°となり、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のａ面（１）との角度差は２７．６°となる。一方、サファイア基板のｒ面およびａ面に垂直な面においては、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のｍ面との角度差は３０°となり、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のａ面との角度差は０°となる。
【００１５】
すなわち、ｒ面およびａ面に垂直な面からａ軸方向に±９０°オフすることにより、サファイア基板上のＧａＮ系半導体は、その方位が２７．６°回転することになる。そこで、この変化がオフ角に対して線型に変化すると仮定すると、オフ角が７．８°のとき、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のｍ面との角度差は３０−２７．６×（７．８／９０）≒２７．６°、サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のａ面とのなす角は０＋２７．６×（７．８／９０）≒２．４°となり、ａ面サファイア基板上でのサファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体のｍ面との角度差２．４°と等価になる。このことから、オフ角は、７．８°、すなわち約８°以下にするのが好ましいと考えられる。一方、本発明者の知見によれば、ＧａＮ系半導体のａ面の方がｍ面より劈開が容易であり、このことから考えると、オフ角が１５°以下であれば、ａ面サファイア基板上のＧａＮ系半導体のｍ面と等価またはそれ以上の平坦性が得られるものと考えることができる。
【００１６】
以上の考察は、ａ面サファイア基板のｒ面とＧａＮ系半導体層の劈開容易面であるｍ面との間に２．４°の角度差があることが、ａ面サファイア基板をｒ面に沿って劈開することによりＧａＮ系半導体層に形成される端面に凹凸が発生する原因であるとの前提に立つものであるが、この凹凸の発生は、ＧａＮ系半導体層の劈開面がｍ面であることによる可能性もある。そこで、この前提に立って、ｒ面およびａ面に垂直な主面を有するサファイア基板上にＧａＮ系半導体層を成長させ、サファイア基板をｒ面に沿って劈開する場合について改めて考察すると、この場合には、ＧａＮ系半導体はそのａ面に沿って劈開する点で著しく異なる。したがって、このようにＧａＮ系半導体層がａ面に沿って劈開することが、凹凸のない端面が得られる理由である可能性もある。
本発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。
【００１７】
すなわち、上記目的を達成するために、この発明によるサファイア基板は、
（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有することを特徴とする。
【００１８】
この発明においては、（１−１０−５）面からのオフ角は、好適には±８°以下である。
【００１９】
上述のように構成されたこの発明によれば、サファイア基板が（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有するので、このサファイア基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後にこのサファイア基板をそのｒ面に沿って劈開することによりこの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開して凹凸のない鏡面の端面を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２１】
この一実施形態においては、図６Ａに示すように、まず、ｒ面およびａ面に垂直な主面を有するサファイア基板１上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光導波層４、ＧａＩｎＮ活性層５、ｐ型ＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７およびｐ型ＧａＮコンタクト層８を順次成長させ、レーザ構造を形成する。ここで、ＧａＮバッファ層は例えば５１０℃程度の温度で成長させ、ｎ型ＧａＮコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光導波層４、ｐ型ＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７およびｐ型ＧａＮコンタクト層８は例えば１０００℃程度の温度で成長させ、ＧａＩｎＮ活性層５は例えば７００〜８５０℃の温度で成長させる。
【００２２】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層８上にリソグラフィーにより一方向に延びるストライプ形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてｎ型ＧａＮコンタクト層２の厚さ方向の途中の深さまでエッチングする。これによって、図６Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層２の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光導波層４、ＧａＩｎＮ活性層５、ｐ型ＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７およびｐ型ＧａＮコンタクト層８が、一方向に延びるストライプ形状にパターニングされる。
【００２３】
次に、エッチングマスクとして用いたレジストパターンを除去した後、ストライプ形状のｐ型ＧａＮコンタクト層８上にｐ側電極９を形成するとともに、このストライプ部の一方の側の部分におけるｎ型ＧａＮコンタクト層２上にｎ側電極１０を形成する。
【００２４】
次に、図７に示すように、サファイア基板１をその劈開容易面であるｒ面に沿ってバー状に劈開することにより、このサファイア基板１上に成長されたｎ型ＧａＮコンタクト層２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光導波層４、ＧａＩｎＮ活性層５、ｐ型ＧａＮ光導波層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層７およびｐ型ＧａＮコンタクト層８をそれらの劈開容易面であるａ面に沿って劈開する。これによって、図８に示すように、共振器の端面が形成される。
この後、このバー状に劈開されたサファイア基板１をチップ化し、レーザチップを形成する。
【００２５】
以上のように、この一実施形態によれば、ｒ面およびａ面に垂直な主面を有するサファイア基板１を用い、その上にレーザ構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、サファイア基板１をｒ面に沿って劈開することによりその上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をそれらのａ面に沿って劈開して共振器の端面を形成しているので、このａ面からなる端面を凹凸のない鏡面とすることができる。このため、共振器の端面の反射率を大きくすることができ、したがって反射損失を低く抑えることができる。そして、これによって、低しきい値電流密度、低エネルギー損失、長寿命のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００２６】
以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００２７】
例えば、上述の一実施形態においては、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長をＭＯＣＶＤ法により行っているが、これらの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により行ってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、サファイア基板が（１−１０−５）面または（１−１０−５）面から（１１−２０）面に垂直な軸の方向に±１５°以下オフした面からなる主面を有することから、このサファイア基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後にこのサファイア基板を（１−１０２）面に沿って劈開することによりこの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を劈開して凹凸のない鏡面の端面を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】サファイア基板の面方位を示す略線図である。
【図２】ｃ面サファイア基板とその上に成長させたＧａＮ系半導体層の劈開容易面との方位の関係を示す略線図である。
【図３】ａ面サファイア基板とその上に成長させたＧａＮ系半導体層の劈開容易面との方位の関係を示す略線図である。
【図４】ａ面サファイア基板とその上に成長させたＧａＮ系半導体層の劈開容易面との方位の関係を示す略線図である。
【図５】ｒ面およびａ面に垂直な主面を有するサファイア基板とその上に成長させたＧａＮ系半導体の劈開容易面との方位の関係を示す略線図である。
【図６】この発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】この発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための斜視図である。
【図８】この発明の一実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
１・・・サファイア基板、２・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、
３・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、４・・・ｎ型ＧａＮ光導波層、
５・・・ＧａＩｎＮ活性層、６・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、
７・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、８・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、
９・・・ｐ側電極、１０・・・ｎ側電極
【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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