(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層を含み発光層を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、該積層された半導体層の一部をエッチングする半導体発光素子の製法であって、
前記半導体層のエッチングをする部分の上方に、内周に複数個の放出孔を有するリング状パイプを設け、該リング状パイプにフッ素系ガスを導入することにより前記リング状パイプの内周側からフッ素系ガスを、下方の前記半導体層に向かうように前記リング状パイプの中心部に向かって放出させると共に、該リング状パイプの上方から前記リング状パイプのリング内にイオンビームを導入し、該イオンビームと前記リング状パイプの内周から放出されるフッ素系ガスとをエッチングする前記半導体層の表面に照射することによりドライエッチングをすることを特徴とする半導体発光素子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、青色発光に好適なチッ化ガリウム系化合物半導体の積層膜が垂直にエッチングされ、該エッチングにより露出した側面から発光する半導体発光素子の製法に関する。
【０００２】
ここにチッ化ガリウム系化合物半導体とは、III 族元素のＧａとＶ族元素のＮとの化合物またはIII 族元素のＧａの一部がＡｌ、Ｉｎなど他のIII 族元素と置換したものおよび／またはＶ族元素のＮの一部がＰ、Ａｓなど他のＶ族元素と置換した化合物からなる半導体をいう。
【０００３】
また、半導体発光素子とは、ｐｎ接合またはダブルヘテロ接合を有する発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）、スーパルミネッセントダイオード（ＳＬＤ）または半導体レーザダイオード（ＬＤ）などの光を発生する半導体素子をいう。
【０００４】
【従来の技術】
従来青色のＬＥＤは赤色や緑色に比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年チッ化ガリウム系化合物半導体を用い、Ｍｇをドーパントした低抵抗のｐ型半導体層がアニール処理または電子線照射処理によりえられたことで、輝度が向上し脚光をあびている。
【０００５】
ところでチッ化ガリウム系のＬＥＤは、たとえば図５に示されるような構造になっている。このＬＥＤを製造するには、まずサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 単結晶）基板２１に４００〜７００℃の低温で有機金属化合物気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法という）によりキャリアガスＨ2 とともに有機金属化合物ガスであるトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびアンモニア（ＮＨ3 ）を供給し、ｎ型のＧａＮからなる低温バッファ層２２を０．０１〜０．２μｍ程度形成し、ついで９００〜１２００℃の高温で同じガスを供給し同じ組成のｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層２３を２〜４μｍ程度形成する。
【０００６】
ついで前述のガスに、さらにトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）を導入して、ｎ型のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）層を成膜し、タブルヘテロ接合形成のためのｎ型クラッド層２４を０．１〜０．３μｍ程度形成する。これらのｎ型層を形成するには、前述の各成分ガスにＳｉをＳｉＨ4 ガスとして導入することにより形成される。
【０００７】
つぎに、バンドギャップエネルギーがクラッド層のそれより小さくなる材料、たとえば前述の原料ガスのＴＭＡに代えてトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩという）を導入し、Ｇａy Ｉｎ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１）からなる活性層２５を０．０２〜０．１μｍ程度形成する。
【０００８】
ついで、ｎ型クラッド層２４の形成と同じ原料ガスで、不純物原料ガスをＳｉＨ4 に代えてｐ型不純物としてのＭｇまたはＺｎをビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）（以下、Ｃｐ2 Ｍｇという）またはジメチル亜鉛（以下、ＤＭＺｎという）の有機金属化合物ガスとして加えて反応管に導入し、ｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎからなるｐ型クラッド層２６を形成する。これによりｎ型クラッド層２４と活性層２５とｐ型のクラッド層２６とによりダブルヘテロ接合が形成される。
【０００９】
さらにキャップ層２７とするため、前述のバッファ層２３と同様のガスで、不純物原料ガスとしてＣｐ2 ＭｇまたはＤＭＺｎを供給してｐ型のＧａＮ層を気相成長させる。
【００１０】
そののち、ＳｉＯ2 などの保護膜を半導体の成長層表面全面に設け、４００〜８００℃、１５〜６０分間程度のアニールを行い、ｐ型クラッド層２６およびキャップ層２７の活性化を図る。ついで保護膜を除去したのちｎ側の電極を形成するため、レジストを塗布しパターニングして、図５に示されるように、成長した各半導体層の一部を塩素プラズマによる反応性イオンエッチングであるドライエッチングを行ってｎ型ＧａＮ層であるバッファ層２３を露出させる。ついでＡｕ、Ａｌなどの金属膜をスパッタリングなどにより形成してｐ側およびｎ側の両電極２８、２９を形成し、ダイシングすることによりＬＥＤチップを形成している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子は、前述のように、基板としてサファイア基板を用いているため、裏面側からｎ側電極をとることができず、積層された半導体層の一部をエッチングしてｎ型半導体層であるバッファ層２３を露出させ、その露出面にｎ側電極２９を設けている。このエッチングの際、チッ化ガリウム系半導体層をウェットエッチングするには２５０℃以上で行わなければならず、またエッチングの側面を垂直にするためには、マスクとしてのＳｉＯ2 などとの選択比がよいという理由からたとえばＣｌ2 やＣｌ2 とＢＣｌ3 の混合ガスなどの塩素系プラズマでドライエッチングを行っているが、Ｃｌ2 は半導体層の組成にＡｌがあると、ＡｌとＣｌとが化合して塩化アルミニウムが生成され、エッチングにより露出した面に付着する。このＡｌとＣｌとの化合物がエッチングにより露出した側壁に付着すると、発生する光の出力を低下させたり、散乱させたりするという問題がある。さらに電極形成時に接触抵抗を増大させたり、ｐ層とｎ層間のリークの原因となり、印加電力をロスするという問題がある。
【００１２】
さらにＣｌ2 ガスは一般に有毒で、取扱いが難しいという問題がある。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決し、チッ化ガリウム系半導体層のエッチングをマスクとの選択比を大きくとれるようにするとともに、エッチング面などにコンタミネーションが付着しないようにして高特性の半導体発光素子がえられる製法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子の製法は、基板上に少なくともｎ型層およびｐ型層を含み発光層を有するチッ化ガリウム系化合物半導体層を積層し、該積層された半導体層の一部をエッチングする半導体発光素子の製法であって、
前記半導体層のエッチングをする部分の上方に、内周に複数個の放出孔を有するリング状パイプを設け、該リング状パイプにフッ素系ガスを導入することにより前記リング状パイプの内周側からフッ素系ガスを、下方の前記半導体層に向かうように前記リング状パイプの中心部に向かって放出させると共に、該リング状パイプの上方から前記リング状パイプのリング内にイオンビームを導入し、該イオンビームと前記リング状パイプの内周から放出されるフッ素系ガスとをエッチングする前記半導体層の表面に照射することによりドライエッチングをすることを特徴とする。
【００１５】
ここに発光層とは、クラッド層に挟まれた活性層に限らず、ｐｎ接合のＬＥＤなどでは、電子と正孔の再結合により光を再発生するｐｎ接合近傍をも含む意味である。
【００１６】
【作用】
本発明によれば、積層された半導体層を反応性イオンエッチングするばあいのプラズマ発生ガスとしてフッ素系ガスを用いているため、半導体層にＡｌの組成を含んでいても、エッチング時にＡｌとの化合物が生じてエッチングされた半導体層の側面や半導体層の表面にコンタミネーションとして付着することがない。そのため、エッチングされた側面が清浄な半導体発光素子がえられ、側面から発光する半導体発光素子でも発光効率が落ちることがなく、しかも電極形成面にコンタミネーションが付着しないため、電極の接触不良とか抵抗損が発生しないし、またリーク電流も生じない。
【００１７】
さらに、フッ素はチッ化ガリウム系化合物半導体からチッ素を分離させる作用をなし、マスクに対し選択性よくエッチングすることができる。
【００１８】
【実施例】
つぎに図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法を説明する。図１〜２は本発明の製法の一実施例の半導体レーザチップの工程断面説明図、図３はドライエッチング装置の概略説明図である。
【００１９】
図１〜２を参照しながら本発明の製法の一実施例である半導体レーザの製法について説明する。
【００２０】
まず図１（ａ）に示されるように、従来技術で説明したのと同様に、有機金属ガスおよび不純物ガスを導入してＭＯＣＶＤ法により、サファイヤ基板１上にｎ型ＧａＮからなる低温バッファ層２を０．０１〜０．２μｍ程度、９００〜１２００℃でｎ型ＧａＮからなる高温バッファ層３を２〜４μｍ程度、ｎ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ＜１）からなる下部クラッド層４を０．１〜０．３μｍ程度、クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さくなる材料、たとえばノンドープのＧａy Ｉｎ1-y Ｎ（０＜ｙ≦１）からなる活性層５を０．０２〜０．１μｍ程度、ｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎからなる上部クラッド層６を０．１〜０．３μｍ程度、ｐ型ＧａＮからなるキャップ層７を０．３〜１μｍそれぞれ連続的に成膜する。
【００２１】
つぎに図１（ｂ）に示されるように、積層された半導体層の表面にレジスト膜１０を１〜２μｍの厚さに塗布し、半導体層のエッチングされる部分が開口するようにパターニングする。
【００２２】
つぎに、開口部１１により露出している半導体層をフッ素系ガスプラズマによる反応性イオンエッチングを行い、図１（ｃ）に示されるるように、活性層５を貫通してｎ型の高温バッファ層３が露出するまでエッチングする。本発明の製法では、このドライエッチングのプラズマ発生ガスとしてフッ素系ガス、たとえばＣＦ4 、ＣＨＦ3 などのガスを用いて反応性イオンエッチング、またはＡｒを加えたケミカルアシスト型イオンビームエッチング（以下、ＣＡＩＢＥという）により行うことに特徴がある。
【００２３】
ドライエッチングは、たとえば図３に示されるような従来の反応性イオンエッチング装置または図４に示されるようなＣＡＩＢＥ装置と同様な装置が用いられる。図３において、真空容器３１に熱電子放出のためのフィラメント３２を設け、ガス導入孔３３よりＣＦ4 、ＣＨＦ3 などのフッ素系ガスを放電に適した真空度、たとえば１０-2Ｔｏｒｒになる程度に導入する。このばあいの流量は、たとえば５〜３０ｓｃｃｍである。これに同軸磁場コイル３４により磁場を印加すると低電圧放電を起し、フッ素系ガスプラズマ３５を発生する。
【００２４】
このフッ素プラズマより引出し・収束レンズ３６によりフッ素イオンを引き出し、収束してイオンビーム３７とする。イオンビーム３７はビームを透過遮断するシャッタ３８を経てエッチングされるチッ化ガリウム系化合物半導体層が積層された基板３９の表面に照射され、基板の表面にかぶせられたマスクの開口部１１により露出した半導体層がエッチングされる。なお、４０は排気系で真空ポンプにつながれ、この装置を運転中約１０-2〜１０-4Ｔｏｒｒ程度の真空度を保つように排気をする。
【００２５】
図４（ａ）に示されるＣＡＩＢＥ装置は、プラズマ発生ガスとして図３のフッ素系ガスにかえてＡｒガスを用い、フッ素系ガスをガス導入パイプ４１から導入して、イオンビーム３７とともにフッ素系ガスを基板３９に照射することでエッチングを行うものである。
【００２６】
ガス導入パイプ４１は、図４（ｂ）に拡大図が示されるように、リング状パイプの内周側に孔４２が設けられており、中心部に向かってフッ素系ガスが放出され、イオンビーム３７とともに基板３９に向かう構造になっている。
【００２７】
本発明はプラズマ発生のための導入ガスにＣＦ4 またはＣＨＦ3 などのフッ素系ガスを用い、フッ素イオンのイオンビームでチッ化ガリウム系化合物半導体層をエッチングしているため、チッ化ガリウム系化合物半導体のチッ素を分離し易く、マスクに対してエッチングの選択性を上げることができ、効率よくエッチングをすることができる。しかもフッ素は塩素と異なり化合物半導体層の組成であるＡｌなどと化合してエッチング面に付着し、コンタミネーションとなることがない。そのため清浄なエッチング面がえられ、発光効率を低下させたり、動作効率を低下させることがなく高特性の半導体発光素子がえられる。
【００２８】
この半導体層の積層表面およびエッチングにより露出した半導体層の表面にＡｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇなどからなる金属膜を成膜してパターニングすることにより、ｐ側電極８およびｎ側電極９をそれぞれキャップ層７およびエッチングにより露出した高温バッファ層３上に形成する（図２（ｄ）参照）。
【００２９】
そののちｐ側電極８をマスクとしてキャップ層７および上部クラッド層６の一部をドライエッチングによりエッチングしてメサ形状とし、基板１をダイシングすることにより、ｐ側電極８の４〜１０μｍの帯状の形状にストライプが形成された半導体レーザのチップがえられる（図２（ｅ）参照）。このメサ状エッチングも同様にフッ素系ガスを用いたドライエッチングで行うことが望ましい。またＬＥＤのばあいは、このメサ状エッチングを行わないで、図２（ｄ）の状態でダイシングしてチップ化することよりダブルヘテロ接合のＬＥＤがえられる。
【００３０】
前記実施例ではメサエッチングすることにより電流の注入領域をストライプ形状にする半導体レーザの例で説明したが、たとえばクラッド層内にストライプ溝の形成された反対導電型の電流ブロッキング層を設ける構造やプレーナストライプ型構造の半導体レーザでも本発明により清浄なエッチング面をうることができ、チッ化ガリウム系化合物半導体層を用いた青色の半導体レーザをうることができる。また、レーザダイオードに限らずＬＥＤでも同様で、さらにチッ化ガリウム系の半導体材料も前述の組成に限定されず、一般にＡｌp Ｇａq Ｉｎ1-p-q Ｎ（０≦ｐ＜１、０＜ｑ≦１、０＜ｐ＋ｑ≦１）からなるダブルヘテロ接合やｐｎ接合の半導体発光素子に適用できる。さらに前記Ａｌp Ｇａq Ｉｎ1-p-q ＮのＮの一部または全部をＡｓおよび／またはＰなどで置換した材料でも同様に本発明を適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子の製法によれば、フッ素系ガスを用いたドライエッチングによりチッ化ガリウム系半導体層のエッチングを行っているため、マスクと選択性よくエッチングできるとともに、エッチングにより化合物半導体の組成材料との化合物がエッチング面に付着してコンタミネーションとなることがなく、清浄なエッチング面がえられる。その結果発光効率の高い高特性の半導体レーザやＬＥＤなどの半導体発光素子がえられる。
【００３２】
さらに、本発明によれば塩素ガスのような有毒ガスを使用しないため、取扱いが容易で作業効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の製法の一実施例の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の製法の一実施例の製造工程を示す図である。
【図３】ドライエッチング装置の概略説明図である。
【図４】ケミカルアシスト型イオンビームエッチング装置の概略説明図である。
【図５】従来のチッ化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤの断面説明図である。
【符号の説明】
１  基板
４  ｎ型クラッド層
５  活性層
６  ｐ型クラッド層
１０  レジスト膜
１１  開口部
【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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