図面 (/)

技術 窒化物系半導体層の製造方法

出願人 日本電気株式会社
発明者 砂川晴夫碓井彰
出願日 2000年3月29日 (20年3ヶ月経過) 出願番号 2000-091963
公開日 2001年10月12日 (18年8ヶ月経過) 公開番号 2001-284314
状態 特許登録済
技術分野 発光ダイオード ウェットエッチング 半導体レーザ LED素子(パッケージ以外) 半導体レーザ
主要キーワード HCl量 構造断面 物理的性 エッチング実験 共振器ミラー面 厚膜基板 電子デバイス構造 温度一定
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2001年10月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

ヘテロ基板上にエピタキシャル成長した窒化物系半導体層から基板を除去する際に窒化物系半導体成長層に与える影響を抑制する。

解決手段

(0001)面のサファイア基板11上に塩化物輸送法の気相成長により平坦な表面で結晶性が良好な厚さ250μmのGaN膜15を成長する。次に、サファイア基板材料を溶解するエッチング液を用いて、サファイア基板上11上に成長したGaN厚膜15から基板11を溶解して除去する。

概要

背景

窒化物系半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)は、禁制帯幅が3.4eVと大きく、かつ直接遷移型であることから青色発光素子材料に用いられている。発光デバイスの構造はエピタキシャル成長で作製するために、基板材料としては成長させるエピタキシャル層と同じ物質バルク結晶を用いることが望ましい。しかしながら、GaNのような結晶では、窒素解離圧が高いことによりバルク結晶を作製することが非常に難しく、GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長を行い素子構造を作成することが困難であった。

このため、サファイア(Al2O3)、シリコン(Si)、シリコンカーバイト(SiC)、ジンクオキサイド(ZnO)等、窒化物系半導体と格子定数熱膨張係数などの物理的性質や科学的性質が異なるヘテロ基板上に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長して発光素子構造の作製が行われている。

図5は、従来の窒化物系半導体レーザ構造断面の概略図である(S.Nakamura.,Jan.J.Appl.35,L74(1996))。図5において、窒化物系半導体レーザ構造は、有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて作製している。(0001)面を表面とするサファイア基板51上に低温で30nmの厚さのアンドープ窒化ガリウム(GaN)バッファ層52を形成する。次に、シリコン(Si)を添加した3μmの厚さのn型GaNコンタクト層53、Siを添加した0.1μmの厚さのn型In0.2Ga0.8N54、Siを添加した0.4μmの厚さのn型Al0.15Ga0.85Nクラット層55、Siを添加した0.1μmの厚さのn型GaN光ガイド層56、2.5nmの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と5nmの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる26周期多重量子井戸構造活性層57、マグネシウム(Mg)を添加した20nmの厚さのp型Al0.2Ga0.8N層58、Mgを添加した0.1μmの厚さのp型GaN光ガイド層59、Mgを添加した0.4μmの厚さのp型Al0.15Ga0.8Nクラッド層60、Mgを添加した0.5μmの厚さのp型GaNコンタクト層61を順次形成する。最後にp型のGaNコンタクト層61上にニッケル(Ni)−金(Au)からなるp型電極62、n型GaNコンタクト層53にチタン(Ti)−アルミニウム(Al)からなるn型電極63を形成する。

通常、半導体レーザ共振器鏡面は、基板レーザ素子構造へき開面が同じことを利用して形成している。しかし、ヘテロ基板の1つであるサファイア基板上に窒化物系半導体レーザを作製する場合、エピタキシャル成長層のへき開面となる(1−100)面(M面)とサファイア基板のへき開面であるM面とがなす角度が30°であり、サファイア基板のへき開による共振器鏡面の形成が非常に困難となっている。このため、ヘテロ基板上の窒化物系半導体レーザ構造の共振器鏡面の形成を反応性イオンエッチングで行わなければならず、また反応性イオンエッチングによる共振器鏡面の形成では平滑性の良い共振器面を得ることは難しくなっていた。

また、半導体レーザ素子では成長層表面と基板裏面にコンタクト電極を形成しているが、サファイア基板のように導電性のない基板上に形成した窒化物系半導体レーザ素子では、基板裏面にコンタクト電極を形成することができず、共振器鏡面の形成と同様に反応性イオンエッチングにより基板側のコンタクト層上まで除去を行いコンタクト電極を形成していた。

概要

ヘテロ基板上にエピタキシャル成長した窒化物系半導体層から基板を除去する際に窒化物系半導体成長層に与える影響を抑制する。

(0001)面のサファイア基板11上に塩化物輸送法の気相成長により平坦な表面で結晶性が良好な厚さ250μmのGaN膜15を成長する。次に、サファイア基板材料を溶解するエッチング液を用いて、サファイア基板上11上に成長したGaN厚膜15から基板11を溶解して除去する。

目的

本発明の目的は、ヘテロ基板上に成長した窒化物系半導体層又は窒化物系半導体素子構造からヘテロ基板を除去する際に、エピタキシャル成長層への影響を抑えて基板を除去する方法を提供することにある。さらに、エピタキシャル成長層への影響を低減したヘテロ基板の除去法を用いることで、生産性の高い大面積窒化物系半導体基板または窒化物系半導体素子を得ることにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

基板材料を溶解するエッチング液を用いて、ヘテロ基板上に成長した窒化物系半導体層から前記ヘテロ基板の除去を行うことを特徴とする窒化物系半導体の製造方法。

請求項2

前記窒化物系半導体層の表面に保護膜を形成した後にヘテロ基板の溶解を行うことを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項3

前記窒化物系半導体層が窒化物系半導体厚膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項4

前記窒化物系半導体層が窒化物系半導体素子構造であることを特徴とする請求項1又は2記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項5

基板除去後の窒化物系半導体層上に窒化物系半導体素子構造を形成することを特徴とする請求項3記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項6

前記保護膜が窒化物系半導体素子の電極を兼ねることを特徴とする請求項4又は5記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項7

前記ヘテロ基板がサファイア基板であり、前記エッチング液がりん酸と硫酸混合液またはこれらを含む混合液であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項8

前記保護膜は金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)−金(Au)、パラジウム(Pd)−金(Au)、ニッケル(Ni)−金(Au)、Ti−白金(Pd)−Au、AuZn、AuGeのうちのいずれかより選択されることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項9

前記窒化物系半導体層はInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)のいずれかを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項10

前記窒化物系半導体層がInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)のうち少なくとも2つの材料を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項11

前記サファイア基板の除去は、エッチング液の温度を300℃以上で行うことを特徴とする請求項7記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項12

前記窒化物系半導体素子構造が、半導体レーザ発光ダイオード、又は電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項4乃至請求項6のいずれかに記載の窒化物系半導体層の製造方法。

請求項13

前記基板の除去後に窒化物系半導体層の基板側裏面を研磨して平坦化することを特徴とする請求項1乃至請求項6に記載の窒化物系半導体層の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、窒化物系半導体層の製造方法に関し、特に、ヘテロ基板上にエピタキシャル成長した窒化物系半導体層から基板を除去するときに窒化物系半導体層に与える影響を抑制した窒化物系半導体層の製造方法に関する。

背景技術

0002

窒化物系半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)は、禁制帯幅が3.4eVと大きく、かつ直接遷移型であることから青色発光素子材料に用いられている。発光デバイスの構造はエピタキシャル成長で作製するために、基板材料としては成長させるエピタキシャル層と同じ物質バルク結晶を用いることが望ましい。しかしながら、GaNのような結晶では、窒素解離圧が高いことによりバルク結晶を作製することが非常に難しく、GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長を行い素子構造を作成することが困難であった。

0003

このため、サファイア(Al2O3)、シリコン(Si)、シリコンカーバイト(SiC)、ジンクオキサイド(ZnO)等、窒化物系半導体と格子定数熱膨張係数などの物理的性質や科学的性質が異なるヘテロ基板上に窒化物系半導体層をエピタキシャル成長して発光素子構造の作製が行われている。

0004

図5は、従来の窒化物系半導体レーザ構造断面の概略図である(S.Nakamura.,Jan.J.Appl.35,L74(1996))。図5において、窒化物系半導体レーザ構造は、有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて作製している。(0001)面を表面とするサファイア基板51上に低温で30nmの厚さのアンドープ窒化ガリウム(GaN)バッファ層52を形成する。次に、シリコン(Si)を添加した3μmの厚さのn型GaNコンタクト層53、Siを添加した0.1μmの厚さのn型In0.2Ga0.8N54、Siを添加した0.4μmの厚さのn型Al0.15Ga0.85Nクラット層55、Siを添加した0.1μmの厚さのn型GaN光ガイド層56、2.5nmの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と5nmの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる26周期多重量子井戸構造活性層57、マグネシウム(Mg)を添加した20nmの厚さのp型Al0.2Ga0.8N層58、Mgを添加した0.1μmの厚さのp型GaN光ガイド層59、Mgを添加した0.4μmの厚さのp型Al0.15Ga0.8Nクラッド層60、Mgを添加した0.5μmの厚さのp型GaNコンタクト層61を順次形成する。最後にp型のGaNコンタクト層61上にニッケル(Ni)−金(Au)からなるp型電極62、n型GaNコンタクト層53にチタン(Ti)−アルミニウム(Al)からなるn型電極63を形成する。

0005

通常、半導体レーザ共振器鏡面は、基板とレーザ素子構造へき開面が同じことを利用して形成している。しかし、ヘテロ基板の1つであるサファイア基板上に窒化物系半導体レーザを作製する場合、エピタキシャル成長層のへき開面となる(1−100)面(M面)とサファイア基板のへき開面であるM面とがなす角度が30°であり、サファイア基板のへき開による共振器鏡面の形成が非常に困難となっている。このため、ヘテロ基板上の窒化物系半導体レーザ構造の共振器鏡面の形成を反応性イオンエッチングで行わなければならず、また反応性イオンエッチングによる共振器鏡面の形成では平滑性の良い共振器面を得ることは難しくなっていた。

0006

また、半導体レーザ素子では成長層表面と基板裏面にコンタクト電極を形成しているが、サファイア基板のように導電性のない基板上に形成した窒化物系半導体レーザ素子では、基板裏面にコンタクト電極を形成することができず、共振器鏡面の形成と同様に反応性イオンエッチングにより基板側のコンタクト層上まで除去を行いコンタクト電極を形成していた。

発明が解決しようとする課題

0007

研磨によりヘテロ基板を除去し裏面の窒化物系半導体層にコンタクト電極を形成することも可能であるが、プロセスや研磨工程に十分耐えるために50μm程度以上の厚い窒化物系半導体層(例えばGaN)を成長する必要がある。しかし、それぞれの熱膨張係数はGaNの5.59×10-6/Kとサファイアの7.5×10-6/K(上がc軸(縦)方向で下がa軸(横)方向の熱膨張係数)と大きく異なるため、成長したGaN層常温まで下げると凸状の反りが生じてしまう。これは窒化物系半導体素子構造を成長したときも同様である。反った状態のサファイア基板は均一に研磨することが難しく、研磨中にサファイア基板が薄くなると凸状の反り球率が変化し成長した窒化物系半導体層や素子構造にクラックが入ることがあった。

0008

本発明の目的は、ヘテロ基板上に成長した窒化物系半導体層又は窒化物系半導体素子構造からヘテロ基板を除去する際に、エピタキシャル成長層への影響を抑えて基板を除去する方法を提供することにある。さらに、エピタキシャル成長層への影響を低減したヘテロ基板の除去法を用いることで、生産性の高い大面積窒化物系半導体基板または窒化物系半導体素子を得ることにある。

課題を解決するための手段

0009

本発明の窒化物系半導体層の製造方法は、基板材料を溶解するエッチング液を用いて、ヘテロ基板上に成長した窒化物系半導体層から前記ヘテロ基板の除去を行うことを特徴とする。窒化物系半導体層の表面に保護膜を形成した後にヘテロ基板の溶解を行うことを特徴とする。

0010

窒化物系半導体層は窒化物系半導体厚膜又は窒化物系半導体層が窒化物系半導体素子構造でもよい。また基板除去後の窒化物系半導体層上に窒化物系半導体素子構造を形成してもよい。

0011

ヘテロ基板がサファイア基板であり、エッチング液がりん酸と硫酸混合液またはこれらを含む混合液であることを特徴とする。サファイア基板の除去は、生産性を考慮してエッチング液の温度を300℃以上で行うことが望ましい。

0012

保護膜が窒化物系半導体素子の電極を兼ねてもよい。また保護膜は金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)−金(Au)、パラジウム(Pd)−金(Au)、ニッケル(Ni)−金(Au)、Ti−白金(Pd)−Au、AuZn、AuGeのいずれかである。

0013

窒化物系半導体層はInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)のいずれかを含むことを特徴とする。或いは窒化物系半導体層がInxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)のうち少なくとも2つの材料を含むことを特徴とする。

0014

窒化物系半導体素子構造は、半導体レーザ、発光ダイオード電界効果トランジスタのいずれかである。基板の除去後に窒化物系半導体層の基板側裏面を研磨して平坦化してもよい。

発明を実施するための最良の形態

0015

本実施の形態では、窒化物系半導体の成長基板の1つであるサファイア基板を例に、基板材料を溶解するエッチング液を用いて、ヘテロ基板上にエピタキシャル成長した窒化物系半導体層から基板の除去を行う方法について説明する。

0016

サファイアを溶解するエッチング液の報告としては、りん酸(86%)と硫酸(95%)の混合液を昇温してサファイアをエッチングするものがある(L.A.MaraSina et al., Crystal Res. & Technol.17 1982 3 365-371)。この報告では、混合液によるサファイアのエッチング速度について報告されるが、他の材料への影響、とりわけサファイア基板上にエピタキシャル成長された窒化物系半導体層(例えばGaN)への影響については何も報告されていない。

0017

我々は、サファイアを溶解するエッチング液に注目し、サファイア基板を溶解する実験を行った。サファイア基板のエッチング液は上述の報告と同様にりん酸と硫酸の混合液を用い、エッチング温度を300℃とした。その結果、300℃の温度ではエッチング速度が1時間当たリ、10μm程度とエッチング速度が低く、300μmの厚さのサファイア基板をエッチングして除去するためには、10時間もの長い時間が必要であることがわかった。さらに、混合液による窒化物系半導体への影響を調べるために、GaNについて同様な条件で実験を行ったところ、混合液を300℃以上の温度にすると、GaNは1時間あたり10μm以上のエッチング速度でエッチングされることがわかった。

0018

続いて、混合液中のりん酸と硫酸の割合とサファイアのエッチング速度(μm/時間)の関係を調べるため、温度一定で混合液中のりん酸に対する硫酸の割合を、変え、サファイア基板のエッチング実験を行った。実験では、サファイア基板をリン酸と硫酸の混合液で一定時間エッチングを行い、エッチング前の基板の厚さからエッチング後の基板の厚さの差を求めることにより、エッチング速度(μm/時間)を求めた。温度は335℃で一定とし、エッチング液中のりん酸と硫酸の割合を1対0.5〜3に変えて行った。また、りん酸と硫酸の蒸発による量の減少、濃度の変化を押さえるために、還流器の付いたビーカーを使用し、さらに、りん酸と硫酸の混合液中に含まれている水分を十分蒸発させてからエッチングを行った。

0019

図2はサファイアについての混合液のりん酸に対する硫酸の割合とエッチング速度の関係を示す図である。図2にあるように、溶液の温度が335℃で、りん酸と硫酸の割合を対1〜3程度とするこで、1時間当たり80μm程度でサファイア基板をエッチングできた。

0020

さらに実験から混合液中に含まれる水分を除去することにより混合液の設定温度を安定して制御でき、エッチング時間とサファイアのエッチング量が比例し、一定の速度でエッチングできることがわかった。

0021

次に、りん酸と硫酸の混合液の温度を変えた場合の窒化物系半導体とサファイアのエッチング速度の変化について実験を行った。混合液は、りん酸と硫酸の割合を1対2とし、混合液の温度を240℃から360℃の間で変化させた。試料には、GaNをエピタキシャル成長したサファイア基板を用いた。

0022

図3は、混合液の温度と、GaN又はサファイアのエッチング速度の関係を示す図である。図3から明らかなように、サファイアおよびGaNのエッチング速度は、りん酸と硫酸の混合液の温度に比例して上昇している。またGaNのエッチング速度はサファイアのエッチング速度に比べ遅いため、両者のエッチング速度の差を利用して窒化物系半導体層又は窒化物系半導体素子構造を有するサファイア基板からサファイア基板だけをエッチング除去できることがわかった。

0023

また、混合液はサファイア基板だけではなくGaN層も溶解するため、GaN表面を観察したところ、GaN層の表面に凹凸状の荒れが生じていた。このため、窒化物系半導体層の表面荒れを防ぐため、窒化物系半導体表面に保護膜を形成して基板を溶解することが望ましい。表面に保護膜を形成することで、混合液の温度を上昇させてサファイア基板のエッチング速度を速くする場合でも、窒化物系半導体に直接影響を与えることがなく、窒化物系半導体とサファイアのエッチング速度差をより大きくでき、サファイア基板を除去する時間を短縮することができる。

0024

窒化物系半導体表面に形成する保護膜としては、混合液に対して耐エッチング性を有することが望ましく、さらに保護膜の形成や除去の工程で窒化物系半導体への影響が少ない材料・構成が望ましい。

0025

<第1の実施の形態>本発明の第1の実施の形態について、図1を参照して説明する。第1の実施の形態では、サファイア基板上に窒化物系半導体厚膜を成長した構造から、エッチング溶液によりサファイア基板を除去し窒化物系半導体厚膜基板を形成している。

0026

初めに、厚さ300μmの(0001)面のサファイア基板11上に有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて、厚さ1μm程度のGaNバッファ層12を形成する。次に、GaNバッファ層12上に、SiO2膜を形成しフォトリソグラフィー法ウェットエッチングで、マスク13と成長領域14に分離する。マスク(SiO2膜)13、および成長領域14は、それぞれ4μm、及び3μmの幅のストライプ状とし、ストライプ方向は、[11−20]方向から10°傾けて形成している。続いて、塩化水素(HCl)/ガリウム(Ga)、アンモニア(NH3)、水素(H2)を用いた塩化物輸送法の気相成長(VPE:Vapor Phase Epitaxy)により、成長温度を1000℃、Ga上に供給するHCl量を毎分40cc、NH3ガスを毎分1000ccでGaNの成長を行い成長領域14、マスク13上を埋め込んだ。180分間の成長で、サファイア基板上には平坦な表面で結晶性が良好な厚さ250μmのGaN膜15が得られた。(図1(a))。続いて、GaN膜15表面に厚さ300nmのSi02膜16を形成し、さらに厚さ50nmのチタン(Ti)と厚さ0.4μmの金(Au)を保護膜17として形成する(図1(b))。保護膜17を形成後、水素ガス雰囲気中、450℃の温度で10分間熱処理を行う。

0027

次に、りん酸と硫酸を1対2の割合の混合液を還流器の付いた容器に入れ335℃の温度に昇温する。りん酸と硫酸に含まれる含まれる水分を100℃以上の温度で十分蒸発させた溶液に基板を含む窒化物系半導体厚膜を浸し、サファイア基板のエッチングを行う。約230分で厚さ300μmのサファイア基板11が溶解し、エッチングを続けることで、GaNバッファ層12、SiO2のマスク13、GaN膜15の基板側も溶解する(図1(c))。

0028

さらに、GaN膜15表面に形成した保護膜17を硝酸塩酸の混合液でエッチングし、SiO2膜16をふ酸で除去してGaN層15による厚膜基板を形成する(図1(d))。サファイア基板の溶解時にGaN膜15表面に保護膜17を形成しているのでGaN膜15表面にエッチングによる凹凸等の表面荒れが発生することはない。また基板の除去後に窒化物系半導体層の基板側裏面を研磨して平坦化してもよい。

0029

第1の実施の形態によれば、サファイア基板上に形成した窒化物系半導体層から基板を除去する方法として、基板材料を溶解するエッチング液により基板の除去を行っているため、研磨によるサファイア基板の除去に比べ窒化物系半導体層にダメージを与えることなくサファイア基板の除去が可能となる。これにより、GaN膜15を厚膜基板として用いることで、良好な結晶性の窒化物系半導体構造を得ることができる。サファイア基板に厚さ300μmを用いたが、厚いGaN膜を形成後、熱ひずみによって、クラックを防止できる厚さのサファイア基板であれば同様な効果が得られる。

0030

第1の実施の形態では、サファイア基板にC面を用いて示したが、(1−100)のM面、(1−102)のR面等の低指数面基板を用いてもエッチングすることができる。また、C面から微傾斜したサファイア基板を用いても同様な効果が得られる。

0031

また、りん酸と硫酸のエッチング液を335℃の温度で行ったが、これに限られるものではない。図2からわかるように、エッチング液の温度を変える場合は生産性を考慮して300℃以上の温度にすることが望ましい。

0032

GaN膜35の保護膜17として厚さ50nmのTiと厚さ0.4μmのAuを用いたが、これに限られるものではなく、サファイア基板をエッチングする間、りん酸と硫酸の混合液に耐える厚さ又は材質であればよい。Ti−Auの保護膜35によるGaN膜35表面近傍金属汚染を避けるため、あえてSiO2膜上に形成したが、GaN膜35の保護を主とするのであればSiO2膜はなくてもよい。

0033

さらに、GaN膜35表面の保護膜37の材料として、チタン(Ti)−金(Au)を用いたが、白金(Pt)、Ti−Pt−Au、Ti−Pt、Au、パラジウム(Pd)−Au、ニッケル(Ni)−Au、アルミニウム(Al)−Au、AuZn、AuGe等のりん酸と硫酸とを含む混合液にエッチングしない材料であれば同様な効果が得られる。

0034

サファイア基板31上にGaNバッファ層32、GaN膜35を形成した例で示したが、これらに限られるものではなく、InxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)およびAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)、または、これらの層状構造でも同様な効果が得られる。またn型あるいはp型の不純物が添加されていても問題はない。

0035

<第2の実施の形態> 本発明の第2の実施の形態について、図4の概略図を参照して説明する。第2の実施の形態は、サファイア基板上に成長した窒化物系半導体厚膜からエッチング液によりサファイア基板を除去して窒化物系半導体厚膜を形成し、これを基板として窒化物系半導体層のエピタキシャル成長を行い窒化物系半導体素子の構造を形成するものである。

0036

第2の実施の形態では、基板材料として厚さ300μmの(0001)面のサファイア基板を用いる。このサファイア基板31上に、有機金属化学気相成長法(MOVPE)により、厚さ1μm程度のGaNバッファ層32を形成する。次に、GaNバッファ層32上に厚さ0.3μmのSiO2 膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングで、マスク33と開口部34を[1−100]方向にストライプ状を形成する。続いて、III族原料に塩化物を用いる塩化物輸送法の気相成長(VPE:Vapor Phase Epitaxy)を用いて、950℃以上の温度で、開口部34から成長させマスク部33と埋め込んだ後、更に成長を続けて、厚さ250μm以上のGaN膜35を成長する。続いて、エピタキシャル成長層の表面に保護膜の形成を行う。成長したGaN膜35表面に、厚さ50nm以上のSiO2膜(図示せず)、厚さ50nm程度のチタン(Ti)と厚さ0.1μm以上の金(Au)を保護膜30として形成する。保護膜30の形成後、400℃以上の温度で熱アニールを行う(図4(a))。

0037

続いて、エッチング液としてりん酸と硫酸の混合液を用い、サファイア基板31をエッチングして除去する。さらにエッチングを続け、GaN膜32、SiO2マスク33、及び界面近傍のGaN膜35までエッチングを行う 。続いて、Ti−Auの保護膜30を王水(硝酸と塩酸の混合)で除去し、SiO2膜33をふ酸(HF)で除去してGaN膜35の結晶を作製した(図4(b))。

0038

次に、GaN層35上に窒化物系半導体レーザ構造を有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて作製する。1000℃の温度に昇温して、Siを添加した厚さ1μmのn型GaN層36、Siを添加した厚さ0.4μmのn型Al0.15Ga0.85Nクラット層37、Siを添加した厚さ0.1μmのn型GaN光ガイド層38、厚さ2.5nmのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と厚さ5nmのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる10周期の多重量子井戸構造活性層39、マグネシウム(Mg)を添加した厚さ20nmのp型Al0.2Ga0.8N層40、Mgを添加した厚さ0.1μmのp型GaN光ガイド層41、Mgを添加した厚さ0.4μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層42、Mgを添加した厚さ0.5μmのp型GaNコンタクト層43を順次形成しレーザ素子構造を形成する。p型のGaNコンタクト層43上に厚さ50nmのパラジウム(Pd)と厚さ0.3μmの金(Au)のp型電極44を形成する。最後に、GaN膜35の裏面に厚さ50nmのTi及び厚さ0.3μmのアルミニム(Al)からなるn電極45を形成する(図4(c))。

0039

第2の実施の形態では、ヘテロ基板の除去により得られたGaN膜15の結晶を基板として用いることで、基板上に成長する半導体レーザ(LD)、発光ダイオード等の発光素子構造及び電界効果トランジスタ等の電子デバイス構造に関して良好な結晶性を得ることができ、サファイア基板のようなヘテロ基板を用いて素子を形成していたときの問題点を解決することができる。

0040

第2の実施の形態では、サファイア基板にC面を用いて示したが、(1−100)のM面、(1−102)のR面等の低指数面基板を用いてもエッチングすることができる。また、C面から微傾斜したサファイア基板を用いても同様な効果が得られる。

0041

また、GaN膜35表面の保護膜37の材料として、チタン(Ti)−金(Au)を用いたが、白金(Pt)、Ti−Pt−Au、Ti−Pt、Au、パラジウム(Pd)−Au、ニッケル(Ni)−Au、アルミニウム(Al)−Au、AuZn、AuGe等のりん酸と硫酸とを含む混合液にエッチングしない材料であれば同様な効果が得られる。

0042

サファイア基板31上にGaNバッファ層32、GaN膜35を形成した例で示したが、これらに限られるものではなく、InxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)およびAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)、または、これらの層状構造でも同様な効果が得られる。またn型あるいはp型の不純物が添加されていても問題はない。

0043

さらに、サファイア基板近傍の選択成長の成長領域34やSiO2マスク33を混合液によりエッチングする例を示したが、サファイア基板まで混合液によりエッチングでも良く、研磨等によりGaN膜32、SiO2マスク33、及び界面近傍のGaN膜35を除去してもよい。また基板の除去後に窒化物系半導体層の基板側裏面を研磨して平坦化してもよい。

0044

<第3の実施の形態>本発明の第3の実施の形態について、図5の概略図を参照して説明する。第3の実施の形態では、サファイア基板上に窒化物系半導体厚膜、窒化物半導体レーザ構造を順次成長した後、エッチング液によりサファイア基板を除去して窒化物半導体レーザ素子を作製している。

0045

初めに、厚さ 300μmの(0001)面サファイア基板31上に厚さ1μm程度のGaN膜32が形成された基板を用い、GaN膜32上にSiO2膜を形成しフォトリソグラフィー法とウェットエッチングでマスク33と成長領域34に分離する。マスク33、成長領域34は、それぞれ2μm及び3μmの幅のストライプ状とし、ストライプ方向は[1−100]方向とした。続いて、塩化水素(HCl)/ガリウム(Ga)、アンモニア(NH3)、水素(H2)を用いる塩化物輸送法の気相成長(VPE:Vapor Phase Epitaxy)により、200μmのGaN層35を形成する。GaN層35はSi不純物を添加してn型にしている(図5(a))。

0046

次に、GaN層35上に窒化物系半導体レーザ構造を有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて作製する。1000℃の温度に昇温して、Siを添加した厚さ1μmのn型GaN層36、Siを添加した厚さ0.4μmのn型Al0.15Ga0.85Nクラット層37、Siを添加した厚さ0.1μmのn型GaN光ガイド層38、厚さ2.5nmのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と厚さ5nmのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる10周期の多重量子井戸構造活性層39、マグネシウム(Mg)を添加した厚さ20nmのp型Al0.2Ga0.8N層40、Mgを添加した厚さ0.1μmのp型GaN光ガイド層41、Mgを添加した厚さ0.4μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層42、Mgを添加した厚さ0.5μmのp型GaNコンタクト層43を順次形成しレーザ素子構造を形成する。p型のGaNコンタクト層43上に厚さ50nmのパラジウム(Pd)と厚さ0.3μmの金(Au)のp型電極44を形成する。さらに、p型電極44を形成後、450℃の温度で熱処理を行う。このp型電極44は、サファイア基板21のエッチング時にGaN膜43表面の保護を兼ねている(図5(b))。

0047

次に、りん酸と硫酸を1対2の割合とし350℃にしたエッチング液に図5(b)で得られた窒化物系半導体レーザ構造を浸し、サファイア基板の除去を行う。図3に示すように350℃の温度では、1時間当たり150μm程度の速度でエッチングできるため、120分間程度で厚さ300μmのサファイア基板31を除去することができる。更にエッチングによりGaN膜32、マスク33及びGaN膜35の一部までを溶解する。GaN膜35は、GaNバッファ層32との界面近傍の50μm程度までエッチングした。最後に、露出したGaN膜35の裏面に厚さ50nmのTi及び厚さ0.3μmのアルミニム(Al)からなるn電極45を形成する(図5(c))。

0048

第2,第3の実施の形態の製造方法で作製された窒化物半導体レーザ素子では、基板としてGaN厚膜を用いることで、GaN膜35のへき開方向であるM面でのへき開が可能となるため、反応性イオンエッチング等の複雑な工程が不要であり、かつ平滑性にも優れている窒化物系半導体レーザー素子を作製できる。また、n型電極45もGaN膜35の裏面に形成できるので、電極形成工程として、従来のような反応性イオンエッチングの工程が不要となりプロセスを簡略化できる。

0049

第3の実施の形態では、サファイア基板にC面を用いて示したが、(1−100)のM面、(1−102)のR面等の低指数面基板を用いてもエッチングすることができる。また、C面から微傾斜したサファイア基板を用いても同様な効果が得られる。

0050

りん酸と硫酸の混合液を含むエッチング液によりサファイア基板31、GaN膜32、マスク33、さらにGaN膜35のGaNバッファ層32との界面近傍の50μm程度まで溶解により除去したが、これに限らず、エッチング液によりサファイア基板を除去した後、研磨によりGaN膜32、およびマスク33を除去し、さらにGaN膜35のGaNバッファ層32との界面近傍を除去してから、n型電極、およびへき開のよる共振器ミラー面を形成してもよい。

発明の効果

0051

本発明では、窒化物系半導体の基板材料を溶解する溶液を用いて、基板を除去しているため、基板上の窒化物系半導体の成長層にクラック等の影響を与えることなく基板を除去することができる。

図面の簡単な説明

0052

図1本発明の第1の実施の形態における窒化物系半導体厚膜の製造方法を示す工程図である。
図2混合液中のりん酸に対する硫酸の割合を変化させたときのサファイアのエッチング速度の変化を示す図である。
図3りん酸と硫酸の混合液の温度変化に対するサファイアとGaNのエッチング速度の変化を示す図である。
図4本発明の第2の実施の形態における窒化物系半導体素子の製造方法を示す工程図である。
図5本発明の第3の実施の形態における窒化物系半導体素子の製造方法を示す工程図である。
図6従来の窒化物系化合物半導体レーザの構造を示す概略断面図である。

--

0053

11サファイア基板
12 GaNバッファ膜
13マスク
14成長領域
15GaN膜
16 SiO2膜
17チタン(Ti)−金(Au)からなる保護膜
31 C面のサファイア基板
32 GaNバッファ膜
33 マスク
34 成長領域
35 n型の不純物を添加したGaN膜
36 n型GaN層
37 n型Al0.15Ga0.85Nクラット層
38 n型GaN光ガイド層
39アンドープIn0.2Ga0.8NとアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる10周期の多重量子井戸構造活性層
40 厚さ20nmのp型Al0.2Ga0.8N層
41 p型GaN光ガイド層
42 p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層
43 p型コンタクト層
44パラジウム(Pd)および金(Au)からなるp型電極
45 チタン(Ti)とアルミからなるn電極

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 株式会社サイオクスの「 構造体の製造方法および構造体の製造装置」が 公開されました。( 2020/04/30)

    【課題】少なくとも表面がIII族窒化物結晶で構成された大径のウエハに対するPECエッチングにおける面内均一性を高める。【解決手段】構造体の製造方法は、少なくとも表面がIII族窒化物結晶で構成された直径... 詳細

  • 住友電気工業株式会社の「 光モジュール」が 公開されました。( 2020/04/30)

    【課題】コントラストを向上させることが可能な光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュール1は、レーザダイオード81,82,83と、レーザダイオード81,82,83から出射された光を反射する反射領域... 詳細

  • 株式会社SCREENホールディングスの「 基板処理装置および基板処理方法」が 公開されました。( 2020/04/30)

    【課題】基板のエッチング処理を好適に行う技術を提供する。【解決手段】基板保持ステージ20は既定位置に基板Wを保持する。エッチング液供給部37およびノズル30は、既定位置の基板Wにエッチング液を供給する... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ