JPH08250802A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその製造方法

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JPH08250802A
JPH08250802A JP4972995A JP4972995A JPH08250802A JP H08250802 A JPH08250802 A JP H08250802A JP 4972995 A JP4972995 A JP 4972995A JP 4972995 A JP4972995 A JP 4972995A JP H08250802 A JPH08250802 A JP H08250802A
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plane
wafer
silicon
sapphire
cleavage
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JP4972995A
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Akito Kuramata
朗人 倉又
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 GaN 系のレーザにおいて, 共振器端面を容易
に劈開する。 【構成】 １）Siウェーハ上にサファイア(Al2O3) 層が
形成された基板上に，GaN 系材料でレーザの層構造が形
成され，シリコンの劈開面とGaN 系材料の劈開面が平行
であり，GaN 系材料の劈開面により共振器が形成されて
いる半導体レーザ， ２）Si単結晶ウェーハ上にサファイア(Al2O3) ウェーハ
を接着し，サファイアウェーハを薄膜化してその上にGa
N 系材料でレーザの層構造を形成し，劈開により共振器
の端面を形成するに際し, Siの劈開面とGaN 系材料の劈
開面が平行になるように, Siウェーハ面の面方位, Al2O
3 ウェーハ面の面方位及び前記接着時の両ウェーハの結
晶方位関係が決められている半導体レーザの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化ガリウム(GaN) 系の
材料 (Alx Ga1-x N , Inx Ga1-x N 等のGaNをベースに
した結晶系) を用いた青色から紫外域に発光波長を有す
る短波長半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】GaN 系の材料は, 近年これを用いた高輝
度の発光ダイオード(LED) が実現されたのを契機とし
て, 研究開発が盛んにおこなわれている。
【０００３】LED を作製する場合の結晶成長の基板とし
てはサファイア(Al2O3) の単結晶が用いられ, この基板
を用いて有機金属気相成長(MOVPE) 法によりGaN 系の材
料の結晶成長をおこなうことにより，Al2O3 とGaN との
間に約16％と非常に大きな格子不整があるにもかかわら
ず, 高品種のGaN エピタキシャル結晶を得ることが可能
となっている。
【０００４】半導体レーザを作製しようとする場合は，
エピタキシャル膜の層構造としてはLED の場合と同様に
ダブルヘテロ構造を採用し，これに追加して光の共振器
をつくる必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】通常のレーザでは, 劈
開により得られた面を共振器の端面としているが，Al2O
3 単結晶基板には劈開性がないため共振器を作製するこ
とは困難である。
【０００６】本発明は, GaN 系のレーザにおいて, 劈開
により容易に共振器を作製できるようにすることを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は， １）シリコン(Si)ウェーハ上にサファイア(Al2O3) 層が
形成された基板上に，窒化ガリウム(GaN) 系材料でレー
ザの層構造が形成され，シリコンの劈開面と窒化ガリウ
ム系材料の劈開面が平行であり，窒化ガリウム系材料の
劈開面により共振器が形成されている半導体レーザ，あ
るいは ２）シリコン(Si)単結晶ウェーハ上にサファイア(Al
2O3) ウェーハを接着し，サファイアウェーハを薄膜化
してその上に窒化ガリウム(GaN) 系材料でレーザの層構
造を形成し，劈開により共振器の端面を形成するに際
し, シリコンの劈開面と窒化ガリウム系材料の劈開面が
平行になるように, シリコンウェーハ面の面方位, サフ
ァイアウェーハ面の面方位及び前記接着時の両ウェーハ
の結晶方位関係が決められている半導体レーザの製造方
法，あるいは ３）前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
001)面であって, シリコンウェーハとサファイアウェー
ハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイア
の[01-10] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウム
系材料の(2-1-10)面を共振器として用いる前記２記載の
半導体レーザの製造方法，あるいは ４）前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
001)面であって, シリコンウェーハとサファイアウェー
ハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイア
の[-2110] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウム
系材料の(01-10) 面を共振器として用いる前記２記載の
半導体レーザの製造方法。 ５）前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
1-12) 面であって, シリコンウェーハとサファイアウェ
ーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイ
アの[-2110] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウ
ム系材料の(01-10) 面を共振器として用いる前記２記載
の半導体レーザの製造方法，あるいは ６）前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
1-12) 面であって, シリコンウェーハとサファイアウェ
ーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイ
アの[0-111) 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウ
ム系材料の(0001)面を共振器として用いる前記２記載の
半導体レーザの製造方法により達成される。
【０００８】
【作用】本発明では，劈開性のあるシリコン単結晶ウェ
ーハ上にAl2O3 ウェーハを接着し，Al2O3 ウェーハを研
磨して10μｍ程度の厚さまで薄くし，その上に GaN系の
材料のエピタキシャル多層膜によるレーザ構造をMOVPE
法により成長し, 蒸着法等により電極を形成した後, 劈
開により共振器を作製する。この際の特徴を示す要点は
以下の通りである。 シリコンウェーハの面方位が劈開面である(111) 面
と垂直な面, 例えば,(01-1)面や(-211)面を用いるこ
と。 エピタキシャル成長されたGaN の結晶方位は下地の
Al2O3 ウェーハ面の面方位によって決定されるため，シ
リコンウェーハの劈開面である(111) 面とエピタキシャ
ル成長されたGaN 系結晶の劈開面が平行になるようにAl
2O3 ウェーハの面方位及びウェーハ接着時のシリコンウ
ェーハとAl2O3 ウェーハの結晶方位関係を調整する。す
なわち, GaN の劈開面は(0001)面, (01-10) 面, (2-1-1
0)面の３つであり，このうちのいずれかがシリコンの(1
11) 面と平行になるようにする。
【０００９】注：電子出願では，面指数は通常の表記が
使えないため，通常数字の上に付している - 記号は数
字の前に付す。 このようにシリコンの劈開面とGaN の劈開面を平行にす
ることにより, シリコンの劈開性を利用してGaN 系結晶
のきれいな劈開面を容易に得ることができ，これを用い
てレーザの共振器を作製できる。この際には, Al2O3 ウ
ェーハが10μｍ程度と薄いため劈開の妨げにはならな
い。
【００１０】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。シリコン
ウェーハ面は(01-1)面を例にとって説明するが, 劈開面
である(111) 面と垂直な面であれば他の面を用いてもよ
い。すなわち，(-211)面, (-321)面, (-541)面等やこれ
らの面の中間に位置する高指数面を用いることができ
る。
【００１１】シリコンウェーハとAl2O3 ウェーハの接着
時の結晶方位関係は以下のように決める。ここでは, Al
2O3 ウェーハの面が(0001)面及び(01-12) 面の場合につ
いて説明するが，他の面を用いる場合でも，Al2O3 とGa
N エピタキシャル膜の結晶方位関係がわかっておれば同
様の方法によりウェーハ接着時の面方位を決めることが
できる。
【００１２】実施例１：Al2O3 ウェーハの面に(0001)面
を用いる場合 Al2O3 ウェーハの面上に(0001)面をGaN 結晶を成長した
場合は，GaN の(0001)面が成長する。GaN の(0001)面に
垂直な劈開面は(2-1-10)と(01-10) 面であり，下地のAl
2O3 との結晶方位関係は以下の通りである。
【００１３】[2-1-10] GaN // [01-10] Al2O3 [01-10] GaN // [-2110] Al2O3 したがって，シリコン(Si)ウェーハとAl2O3 ウェーハと
の接着時の結晶方位関係を, [01-10] Al2O3 // [111] Si とすれば, GaNの[2-1-10]面がSiの劈開面と平行にな
り, この劈開面を共振器の端面として用いることができ
る。
【００１４】また，SiウェーハとAl2O3 ウェーハとの接
着時の結晶方位関係を, [-2110] Al2O3 // [111] Si とすれば, GaNの[01-10] 面がSiの劈開面と平行にな
り, この劈開面を共振器の端面として用いることができ
る。
【００１５】実施例２：Al2O3 ウェーハの面に(01-12)
面を用いる場合 Al2O3 ウェーハの(01-12) 面上にGaN 結晶を成長した場
合は，GaN の(2-1-10)面が成長する。GaN の(2-1-10)面
に垂直な劈開面は(0001)と(01-10) 面であり，下地のAl
2O3 との結晶方位関係は以下の通りである。
【００１６】[0001] GaN // [0-111] Al2O3 [01-10] GaN // [-2110] Al2O3 したがって，SiウェーハとAl2O3 ウェーハとの接着時の
結晶方位関係を, [0-111] Al2O3 // [111] Si とすれば, GaNの[0001]面がSiの劈開面と平行になり,
この劈開面を共振器の端面として用いることができる。
【００１７】また，SiウェーハとAl2O3 ウェーハとの接
着時の結晶方位関係を, [-2110] Al2O3 // [111] Si とすれば, GaNの[01-10] 面がSiの劈開面と平行にな
り, この劈開面を共振器の端面として用いることができ
る。
【００１８】次に，本発明のレーザの実施例をその製造
方法とともに図１を用いて説明する。Siウェーハ面とし
ては(01-1)面を, Al2O3 ウェーハ面として(01-12) 面を
用いてGaN の(0001)面を共振器の端面として利用する場
合について述べるが，他の面についても同様の手順で作
製できる。
【００１９】図１(A) において，厚さ 400μｍの(01-1)
面のSiウェーハ 1と, 厚さ 400μｍの(01-12) 面のAl2O
3 ウェーハ 2を接着する。この時, Siの[111] 方向とAl
2O3の [0-111] 方向が平行になるようにする。
【００２０】また，この際の接着は，例えば，次のよう
におこなう。鏡面研磨されたAl2O3 ウェーハと，同じく
鏡面研磨されたSiウェーハを室温で重ね合わせ, ウェー
ハの端をピンセット等で軽く押すとファンデァワールス
力による接着領域がウェーハ全面に広がり, 相当にしっ
かりと仮接着された状態になる。
【００２１】次いで，仮接着されたウェーハを 400〜10
00℃の温度で熱処理することにより, ファンデァワール
ス力により接着された界面で化学反応が起こり, 原子レ
ベルでの強固な接着状態に変わる。
【００２２】図１(B) において，Al2O3 ウェーハ 2を厚
さ10μｍまで研磨する。図１(C) において，Al2O3 ウェ
ーハ 2上に厚さ 5μｍのｎ型(n-)AlGaN 層 3，厚さ0.2
μｍのInGaN 層 4, 厚さ 2μｍのｐ型(p-)AlGaN 層 5を
MOVPE 法によりこの順にエピタキシャル成長する。成長
膜のAlGaN とInGaN の表面は(2-1-10)面となる。
【００２３】図１(D),(E) において，Siの[111] 方向が
ストライプ方向となるようにリッジを形成し，ｐ側電極
6及びｎ側電極 7を形成する。図１(F) において，Siの
(111) 面で劈開をおこない, 長さ 300μｍの共振器を形
成する。この時, AlGaN とInGaN の端面は劈開面である
(0001)面となるため,きれいな劈開面を持つ共振器を作
製できる。
【００２４】次に, 他の面関係を使用する場合について
述べる。 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
001)面であって, シリコンウェーハとサファイアウェー
ハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイア
の[01-10] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウム
系材料の(2-1-10)面を共振器として用いる (請求項３対
応) 。 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
001)面であって, シリコンウェーハとサファイアウェー
ハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイア
の[-2110] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウム
系材料の(01-10) 面を共振器として用いる(請求項４対
応）。 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈開面である
(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェーハ面が(0
1-12) 面であって, シリコンウェーハとサファイアウェ
ーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向とサファイ
アの[-2110] 方向が平行となる関係にあり，窒化ガリウ
ム系材料の(01-10) 面を共振器として用いる（請求項５
対応）。
【００２５】実施例では, リッジ型レーザについて説明
したが，埋込型レーザ等他の構造にレーザに対しても同
様な方法で共振器を作製できる。また，エピタキシャル
層の構造もAlGaN/InGaN/AlGaN のダプルヘテロ構造に限
らず, 歪多重量子井戸(MQW)等のさらに複雑な構造のレ
ーザにも本発明は適用可能である。
【００２６】
【発明の効果】本発明により，GaN 系のレーザにおい
て，容易に得られる劈開面を用いて共振器を作製でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例の説明図
【符号の説明】
1 シリコン(Si)基板 2 サファイア(Al2O3) 基板 3 n-AlGaN 層 4 InGaN 層 5 p-AlGaN 層 6 ｐ側電極 7 ｎ側電極

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン(Si)ウェーハ上にサファイア(A
    l2O3) 層が形成された基板上に，窒化ガリウム系(GaN)
    材料でレーザの層構造が形成され，シリコンの劈開面と
    窒化ガリウム系材料の劈開面が平行であり，窒化ガリウ
    ム系材料の劈開面により共振器が形成されていることを
    特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 シリコン(Si)単結晶ウェーハ上にサファ
    イア(Al2O3) ウェーハを接着し，サファイアウェーハを
    薄膜化してその上に窒化ガリウム(GaN) 系材料でレーザ
    の層構造を形成し，劈開により共振器の端面を形成する
    に際し, シリコンの劈開面と窒化ガリウム系材料の劈開
    面が平行になるように, シリコンウェーハ面の面方位,
    サファイアウェーハ面の面方位及び前記接着時の両ウェ
    ーハの結晶方位関係が決められていることを特徴とする
    半導体レーザの製造方法。
  3. 【請求項３】 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈
    開面である(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェ
    ーハ面が(0001)面であって, シリコンウェーハとサファ
    イアウェーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向と
    サファイアの[01-10] 方向が平行となる関係にあり，窒
    化ガリウム系材料の(2-1-10)面を共振器として用いるこ
    とを特徴とする請求項２記載の半導体レーザの製造方
    法。
  4. 【請求項４】 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈
    開面である(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェ
    ーハ面が(0001)面であって, シリコンウェーハとサファ
    イアウェーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向と
    サファイアの[-2110] 方向が平行となる関係にあり，窒
    化ガリウム系材料の(01-10) 面を共振器として用いるこ
    とを特徴とする請求項２記載の半導体レーザの製造方
    法。
  5. 【請求項５】 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈
    開面である(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェ
    ーハ面が(01-12) 面であって, シリコンウェーハとサフ
    ァイアウェーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向
    とサファイアの[-2110] 方向が平行となる関係にあり，
    窒化ガリウム系材料の(01-10) 面を共振器として用いる
    ことを特徴とする請求光項記載の半導体レーザの製造方
    法。
  6. 【請求項６】 前記シリコンウェーハ面がシリコンの劈
    開面である(111) 面と垂直な面であり，サファイアウェ
    ーハ面が(01-12) 面であって, シリコンウェーハとサフ
    ァイアウェーハの結晶方位関係がシリコンの[111] 方向
    とサファイアの[0-111) 方向が平行となる関係にあり，
    窒化ガリウム系材料の(0001)面を共振器として用いるこ
    とを特徴とする請求項２記載の半導体レーザの製造方
    法。
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