1960年、マリブのヒューズ・リサーチ・ラボラトリーズ(Hughes Research Laboratories)のテオドレ・エイチ・マイマン(Theodore H. Maiman)によって初めてレーザが実証された。

本発明は、半導体レーザダイオードを製造する方法を提供する。

は、本発明の実施例によるレーザダイオードの概略図である。

は、本発明の実施例によるダイエキスパンデッドレーザダイオードの概略図である。

は、実施例におけるリッジレーザダイオードの概略断面図である。

は、実施例における選択領域ボンディングプロセスを示す上面図である。

は、実施例におけるエピタキシャル生成のための概略プロセスフローを示す。

は、実施例における選択領域ボンディングを示す概略側面図である。

は、実施例における活性領域を保護するエピタキシャル生成の概略プロセスフローを示す。

は、実施例において活性領域を保護し、ボンディング前にリッジを形成するエピタキシャル生成の概略プロセスフローを示す。

は、実施例における固定されたPECアンダカット(上面図)を示す概略図である。

は、実施例における固定されたPECアンダカット(側面図)を示す概略図である。

図1は、処理後の最新のGaN系レーザダイオードを示す側面図である。レーザダイオードは、一般に、エピタキシャルn−GaNおよびn側クラッド層101と、活性領域102と、p−GaNおよびp側クラッディング103と、絶縁層104と、コンタクト/パッド層105とを有する本来のガリウムおよび窒素含有エピタキシャル基板100上に製造される。レーザダイピッチは、標識化されている。レーザリッジの直下には設けられていないエピタキシ材料全体は、この装置設計においては浪費される。一実施例では、n型クラッドは、GaN、AlGaNまたはInAlGaNから構成されてもよい。

図2は、ダイエキスパンデッドプロセス前のガリウムおよび窒素含有エピタキシャルウェハ100とダイエキスパンデッドプロセス後のキャリヤウェハ106とを示す側面図である。この図は、1つのガリウムおよび窒素含有基板ならびにそれを覆うエピタキシャル材料から製造可能であるレーザダイオードの数の、ほぼ5倍拡大され、従ってほぼ5倍改良されたことを実証している。代表的なエピタキシャル処理層の例として、n−GaNおよびn側クラッド層101と、活性領域102と、p−GaNおよびp側クラッディング103と、絶縁層104と、接触/パッド層105とが挙げられる。さらに、ダイ拡大プロセス中には犠牲領域107とボンディング材108とを用いる。

図3は、実施例におけるリッジレーザダイオードの概略断面図であり、最新のレーザダイオード構造を示す概略断面図である。この図は、単なる一例に過ぎず、ここでの請求の範囲を過度に制限するものであってはならない。図示したように、レーザ装置は、窒化ガリウム基板203を備えており、下層にはn型メタルバックコンタクト領域201を備えている。一実施形態では、メタルバックコンタクト領域は、以下で述べるものやそれ以外のもののように、好適な材料で形成される。一実施形態において、本装置はまた、代わりにAlGaNであってもよい上層のn型窒化ガリウム層205と、活性領域207と、代わりにAlGaNであってもよい、レーザストライプ領域211として構成された上層のp型窒化ガリウム層とを有する。さらに、本装置は、数ある特徴の中でも、n側分離封じ込めヘテロ構造(SCH)206と、p側導波層またはSCH208と、p−AlGaN EBL209とを含む。一実施形態では、本装置は、コンタクト領域を形成するためのp++型窒化ガリウム材料213を有する。

図4は、選択領域ボンディングプロセスの概略上面図であり、選択領域ボンディングによるダイエキスパンションプロセスを示す。最初のガリウムおよび窒素含有エピタキシャルウェハ201は、処理を介して定められたエピタキシャル材料および剥離層から成る個々のダイを有する。個々のエピタキシャル材料ダイは、標識化され202、ピッチ1の間隔を空けられている。丸いキャリヤウェハ200は、パターン化されたボンディングパッド203を備えて生成されている。これらのボンディングパッドは、ピッチ2の間隔を空けられており、このピッチ2は、選択した組のエピタキシャルダイが選択領域ボンディングプロセスの各繰り返しにおいて、ボンディング可能であるように、ピッチ1の偶数倍である。選択領域ボンディングプロセスの繰り返しは、全てのエピタキシャルダイがキャリヤウェハ204に転送されるまで継続する。ガリウムおよび窒素含有エピタキシ基板201は、再利用のために任意に生成可能である。

一実施例では、図5は、ダイエキスパンションプロセスのためのエピタキシ生成プロセスフローの例を示す側面図を含むエピタキシャル生成のためのプロセスフローを示す概略図である。ガリウムおよび窒素含有エピタキシ基板100および上層のエピタキシャル材料は、個々のダイ内に規定され、ボンディング材料108が析出され、犠牲領域107がアンダカットされる。代表的なエピタキシャル層は例として含まれており、n−GaNおよびn側クラッド層、例えばGaNまたはAlGaN101、活性領域102、およびp−GaNおよびp側クラッディング、例えばGaNまたはAlGaN103である。

一実施例では、図6は、実施例における選択領域ボンディングプロセスの概略側面図である。生成したガリウムおよび窒素含有エピタキシャルウェハ100ならびに生成したキャリヤウェハ106は、このプロセスの開始構成要素である。第1の選択領域ボンディング反復によって、エピタキシャルダイの断片を転送し、エピタキシャルダイ全体を転送するために必要に応じてさらなる反復が行われる。ダイエキスパンションプロセスが一旦完了すると、最新のレーザ処理がキャリヤウェハ上で継続可能になる。代表的なエピタキシャル処理層が例として含まれ、これらはn−GaNおよびn側クラッディング層、例えば、GaNまたはAlGaN101、活性領域102、p−GaNおよびp側クラッディング、例えばGaNまたはAlGaN103、絶縁層104およびコンタクト/パッド層105である。さらに、ダイエキスパンションプロセス中に、犠牲領域107およびボンディング材料108を使用する。

一実施例では、図7は、活性領域保護を有するエピタキシ生成プロセスを示す概略図である。いずれかのPECアンダカットエッチング工程において側壁パッシベーションを用いて活性領域を保護する代替のエピタキシャルウェハ生成プロセスフローを示す側面図である。このプロセスフローにおいては、犠牲領域の材料および組成物をより広い範囲で選択することが可能である。代表的な基板、エピタキシャル処理層は例として含まれ、ガリウムおよび窒素含有基板100、n−GaNおよびn側クラッド層、例えば、GaNまたはAlGaN101、活性領域102、p−GaNおよびp側クラッディング、例えばGaNまたはAlGaN103、絶縁層104およびコンタクト/パッド層105である。さらに、ダイエキスパンションプロセス中に、犠牲領域107およびボンディング材料108を使用する。

一実施例では、図8は、ボンディング前に活性領域保護およびリッジ形成が行われるエピタキシ生成プロセスフローを示す概略図である。いずれかのPECアンダカットエッチング工程中に側壁パッシベーションを用いて活性領域を保護し、転送前に、より稠密なエピタキシャルウェハ上にレーザリッジを定める代替のエピタキシャルウェハ生成プロセスフローを示す側面図である。このプロセスフローにおいては、より稠密なエピタキシャルウェハ上でさらなる処理工程を実施することにより、潜在的にコスト節減が可能になる。代表的な基板、エピタキシャル処理層は例として含まれ、ガリウムおよび窒素含有基板100、n−GaNおよびn側クラッド層101、活性領域102、p−GaNおよびp側クラッディング103、絶縁層104およびコンタクト/パッド層105である。さらに、ダイエキスパンションプロセス中に、犠牲領域107およびボンディング材料108を使用する。

図9は、固定したPECアンダカットを示す簡単な例である(上面図)。選択領域ボンディング中の代替の剥離プロセスを示す上面図である。本実施形態では、トップダウンエッチングを使用して領域300をエッチングし、その後、ボンデンィング金属303を析出させる。その後、PECエッチングを使用して領域301をアンダカットする。犠牲領域302は、完全なままであり、選択領域ボンディングプロセス中に機械的支持部としての働きをする。

図10は、実施例における固定されたPECアンダカットを示す概略図(側面図)である。固定されたPECアンダカットを例示する側面図である。犠牲領域のポストは、ボンディングプロセスが完了するまで、機械的支持部に対するエピタキシャルダイの各端部に含まれる。ボンディング後、ボンドパッドと完全犠牲領域との間の支持されていない薄膜領域でエピタキシャル材料が開裂し、それによってボンディングプロセスが選択される。代表的エピタキシャル処理層が、例示のために含まれ、n−GaNおよびn側クラデッィング層、例えばGaNまたはAlGaN101、活性領域102、p−GaNおよびp側クラッディング、例えばGaNまたはAlGaN103、絶縁層104およびコンタクト/パッド層105である。さらに、ダイエキスパンションプロセス中に、犠牲領域107およびボンディング材料108を使用する。エピタキシャル材料は、ガリウムおよび窒素含有エピタキシャルウェハ100からキャリヤウェハ106まで転送される。本方法および構造のさらなる詳細は、以下でより特定的に見出される。

読者に対するさらなる背景として、窒化ガリウムおよび関連の結晶は、バルク形式での生成は困難である。GaNの大面積ブールを生成することが可能な成長技術は、まだほんの初期にあり、全ての配向に対するコストは、Si、GaAsおよびInP等の他の半導体基板の同じウェハサイズよりもずっと高価である。大面積自立GaN基板(例えば2インチ以上の直径)は市販されているが、大面積無極性および半極性GaN基板の入手可能性は、かなり制限されている。一般に、これらの配向は、c面配向ブールの成長によって生成され、その後、c面に関して多少の急角度で矩形ウェハにスライスされる。これらのウェハの幅は、c面配向ブールの厚さによって制限され、ブール生成方法によって順に制限される(例えば、一般に異物基板上のハイドライド気相成長(HVPE))。このような小さいウェハサイズは、いくつかの点で制限がある。まず第1に、エピタキシャル成長は、このような小型のウェハ上で行われなければならない。それによって、ウェハエッジ近くでの成長の不均一性のために使用不可能であるウェハの面積分率が増大する。第2に、基板上の光電子装置層のエピタキシャル成長の後、小型ウェハ上で同数の処理工程が必要となり、大面積ウェハで使用されるように最終的な装置を製造する。これらの効果は両方とも、このような小型ウェハ上での装置製造コストを吊り上げることになる。製造する装置当たりのコストと使用不可能なウェハの面積分率との両方が、ウェハサイズの減少と共に増大するからである。バルクGaN成長技術の相対的未成熟により、製造可能な基板の総数をさらに制限し、無極性または半極性GaN基板系装置のスケールアップの実現可能性を潜在的に制限する。

GaN基板の全ての配向がコスト高であり、ウェハサイズのスケールアップが困難であり、小型ウェハの処理が非効率であり、半極性および無極性ウェハに関して潜在的に供給制限が行われる場合、基板およびエピタキシャル材料の利用を最大限にすることが極めて望ましくなる。横空洞レーザダイオードを製造する際、一般に、最小のダイ長さがレーザ空洞長さによって決定されるが、最小のダイ幅は、ワイヤボンディングパッド等の他の装置の構成要素またはダイアタッチ法におけるダイハンドリングのための機械的面積等の検討事項により決定される。すなわち、レーザ空洞長さはレーザダイ長さを制限するが、レーザダイ幅は一般に、レーザ空洞幅よりもずっと大きい。GaN基板およびエピタキシャル材料は、レーザ空洞領域内で、またその近くでは臨界であるにすぎないので、これによって、これらの比較的高価な材料でレーザ空洞領域のみを形成し、さらにより安い材料でボンドパッドおよびチップの機械的構造を形成するための新規な方法を発明するのに良い機会を与えることになる。レーザ空洞幅の代用的寸法は、1ないし30mmであり、ワイヤボンディングパッドは100mmまでの幅である。これは、以下のことを意味する。すなわち、ワイヤボンディングパッド幅制限および機械的ハンドリング検討事項が、3倍から100倍まで拡大したGaNチップ寸法から排除された場合、単一エピタキシャルガリウムおよび窒素含有ウェハからレーザダイオードダイを製造することが可能である。これは、エピタキシおよび基板コストが3倍から100倍削減されたと解釈される。従来の装置設計では、比較的大きいボンディングパッドがエピタキシウェハによって機械的に支持されるが、それらは、構造上の支持体を越える半導体の材料特性を活用していない。

一実施例では、本発明は、GaNレーザ装置の数を最大限にする方法を提供する。このGaNレーザ装置は、ワイヤボンディングパッドまたはそれ以外の構造上のエレメントが比較的廉価なキャリヤウェハによって機械的に支持されるように、エピタキシャル材料をキャリヤウェハ上に拡げることによって、ガリウムおよび窒素含有基板上の所与のエピタキシャル領域から製造可能であり、一方で、発光領域は、必要なエピタキシャル材料から依然として形成されたままである。本発明は、全てのガリウムおよび窒素系レーザダイオードにおけるチップコストを大幅に削減し、特に、コスト効率の高い無極性および半極性レーザダイオード技術を可能に出来る。

これらの装置は、半極性または無極性構造のいずれかにおいて配向した表面領域を含むガリウムおよび窒素含有基板(例えば、GaN)を備えるが、それ以外であってもよい。本装置は、表面領域上を覆うInGaNを含むガリウムおよび窒素含有材料も有する。特定の実施形態では、本レーザ装置は、以下で述べるように、半極性または無極性ガリウム含有基板のいずれかにおいて採用することが可能である。ここで使用するように、用語“基板”は、バルク基板を意味することが出来る、または上層の成長構造、例えばガリウムおよび窒素含有エピタキシャル領域、もしくは機能領域、例えばn型GaN、組み合わせ等を含むことが可能である。我々は、無極性m面と極性c面との間に配向されている半極性結晶面上のエピタキシャル成長および開裂特性に関しても研究している。特に、我々は、結晶面の{30−31}および{20−21}族で成長させている。我々は、約400nmから緑色まで、例えば500nmから540nmまでの波長で動作する効率的なレーザダイオードに至る経路を形成する有望なエピタキシ構造および開裂を達成している。これらの結果は、450nmの範囲の明るい青色のエピタキシと、520nmの範囲の明るい緑色のエピタキシと、c方向の投影に直交する滑らかな開裂面とを含む。

特定の実施形態では、窒化ガリウム基板部材は、半極性または無極性結晶表面領域を有することを特徴とするバルクGaN基板であるが、それ以外のものでもよい。特定の実施形態では、バルク窒化物GaN基板は窒素を含み、約10E5cm⁻²から約10E7cm⁻²または10E5cm⁻²未満の表面転位密度を有する。窒化物結晶またはウェハは、Al_xIn_yGa_1−x−yNを含むことも可能であり、この場合は0≦x、y、x+y≦1である。一実施形態では、窒化物結晶は、GaNを含む。1つまたはそれ以上の実施形態では、GaN基板は、表面に関して実質的に直交するか、または斜めの方向で、約10E5cm⁻²から約10E8cm⁻²までの濃度の貫通転位を有する。転位の直交または斜めの配向の結果として、表面転位密度は、約10E5cm⁻²から約10E7cm⁻²または約10E5cm⁻²未満である。特定の実施形態では、一般に譲渡され、参照することにより本明細書に組み込まれる2009年3月28日に出願された米国特許仮出願番号第61/164409号に対して優先権を主張する、2010年3月29日に出願された米国特許出願第12/749466号に記載された、僅かにオフカットされた半極性基板上で本装置を製造することが可能である。 基板には一般に、以下に示すエピタキシャル成長エレメントが1つまたはそれ以上設けられているが、これらには限定されない Siまたは酸素のドーピングレベルが約5E16cm⁻³ないし1E19cm⁻³である厚さが50nmから約6000nmまでのn−GaNクラッド領域; インジウム含有量が高く、且つ厚い1つ以上のInGaN層もしくはそのいずれかのInGaN領域または超SCH領域; InGaN領域を覆う、より高度なバンドギャップ歪制御領域; 任意では、InGaN領域を覆うSCH領域;

1.5ないし10.0nmのGaN障壁で分離された3つから5つ、または4つから6つの3.0ないし5.5.0nmのInGaN量子井戸から成る多重量子井戸活性領域層; 任意では、インジウムのモル分率が1%から10%までであり、厚さが15nmから100nmまでであるInGaNから成るp側SCH層;

アルミニウムのモル分率が5%から20%までであり、厚さが10nmから15nmまでであり、MgがドーピングされたAlGaNから成る電子ブロック層; Mgのドーピングレベルが5E17cm⁻³ないし1E19cm⁻³で厚さが400nmないし1000nmであるp−GaNクラッド層; Mgのドーピングレベルが1E20cm⁻³ないし1E21cm⁻³で厚さが20nmないし40nmであるp++−GaNコンタクト層。

一般に、これらの領域の各々は、少なくとも有機金属化学気相成長法(MOCVD)のエピタキシャル析出技術、分子線エピタキシ(MBE)またはGaN成長に適する他のエピタキシャル成長技術を用いて形成される。活性領域は、1つまたはそれ以上の実施形態により1個ないし20個の量子井戸領域を含むことも可能である。所定期間のn型Al_uIn_vGa_1−u−vN層の堆積に続く例として、所定の厚さを達成するように、活性層を堆積する。活性層は、単一量子井戸または2個ないし10個の量子井戸を有する多重量子井戸を備えてもよい。量子井戸は、InGaN井戸およびGaN障壁層とを備えてもよい。他の実施形態では、井戸層および障壁層は、Al_wIn_xGa_1−w−xNおよびAl_yIn_zGa_1−y−zNをそれぞれ含み、ここでは、0≦w、x、y、z、w+x、y+z≦1であり、またw

v、zまたはそのいずれかであるので、1つ以上の井戸層のバンドギャップは、1つ以上の障壁層およびn型層のそれよりも小さい。井戸層および障壁層は各々、約1nmから約15nmまでの厚さを有してもよい。他の実施形態では、活性層はダブルヘテロ構造を有しており、InGaNまたはAl

_wIn

_xGa

_1−w−xN層が、約10nmないし100nmの厚さであり、GaNまたはAl

_yIn

_zGa

_1−y−zN層で囲まれており、ここではw

v、zまたはそのいずれかである。活性層の組成および構造は、事前に選択した波長で発光するように選ばれる。活性層は、ドープされないままであってもよい(または無作為にドープされてもよい)またはn型もしくはp型をドープしてもよい。

活性領域は、電子ブロック領域および別の封じ込めヘテロ構造を備えることも可能である。いくつかの実施形態では、電子ブロック層を堆積するのが好ましい。電子ブロック層は、Al_sIn_tGa_1−s−tNを備えてもよく、この場合は0≦s、t、s+t≦1であり、活性層よりもバンドギャップが高く、さらにp型をドープすることも可能である。または電子ブロック層はAlGaN/GaN超格子構造を備え、AlGaNおよびGaNの交互層を含む。あるいは、電子ブロック層は存在しなくてもよい。上記のように、p型窒化ガリウム構造が、電子ブロック層および1つ以上の活性層上に堆積される。p型層は、約10E16cm⁻³から10E22cm⁻³までのレベルまでMgをドープしてもよく、また約5nmから約1000nmまでの厚さを有してもよい。p型層の最外部1ないし50nmは、電気コンタクトが改良出来るように、層の残り部分よりも大量にドープすることも可能である。

本発明は、半導体ウェハから電気光学装置を製造することを目的とする。特に、本発明は、ダイピッチが最初のエピタキシウェハに関してキャリヤウェハ上で増大するように、エピタキシ材料の個々のダイをキャリヤウェハに転送するための選択領域ボンディングプロセスを介する基板ウェハおよびエピタキシ材料の利用を増大する。エピタキシ材料の配置によって、高価なガリウムおよび窒素含有基板ならびにガリウムおよび窒素含有基板上に頻繁に形成される上層のエピタキシ材料の存在を必要としない装置の構成要素が、より廉価なキャリヤウェハ上に形成され、それによって、ガリウムおよび窒素含有基板ならびに上層のエピタキシ材料をより効率的に利用することが可能になる。

一実施形態では、ガリウムおよび窒素含有レーザダイオードエピタキシ材料のメサは、ガリウムおよび窒素含有基板上に稠密配列で形成される。このパターンピッチは、‘第1のピッチ’と呼ばれる。第1のピッチは、基板上のエピタキシャル領域の各々を形成するのに適する設計幅であることが多く、それは、完成したレーザ装置に対して十分な大きさではなく、より大きい非活性領域またはコンタクト領域等を望む場合が多い。例えば、これらのメサは、約5ミクロンから約30ミクロンまで、または約50ミクロンまでの第1のピッチを有する。これらのメサの各々は‘ダイ’である。

一実施例では、これらのダイは、その後、キャリヤウェハ上の第2のピッチがガリウムおよび窒素含有基板上の第1のピッチよりも大きくなるように第2のピッチでキャリヤウェハに転送される。一実施例では、第2のピッチは、ダイで構成され、キャリヤウェハの一部を有する各ダイが、コンタクトおよび他の構成要素を含むレーザ装置になり得る。例えば、第2のピッチは、約100ミクロンから約200ミクロンまで、または約300ミクロンまでである。第2のピッチは、簡単な機械的ハンドリングや、エピタキシメサの中間に挟まれたキャリヤウェハ領域に位置決めされたワイヤボンディングパッドのための場所を許容し、それによって所与のガリウムおよび窒素含有基板ならびに上層のエピタキシ材料から、より多くのレーザダイオードを製造することが可能になる。図1および図2は、最新のダイエキスパンデッドレーザダイオードの概略側面図である。レーザリッジ幅および機械的なワイヤボンディング検討事項に必要な幅に対する代表的な寸法は、それぞれ、1mmから30mmまで、および100mmから300mmまでであり、ガリウムおよび窒素含有基板ならびに上層のエピタキシ材料の利用効率が、本発明では、かなり潜在的に改良されることになる。

図3は、最新のレーザダイオード構造を示す概略断面図である。この図は、単に例示のものであり、ここでの請求の範囲を過度に制限するものであってはならない。当業者は、他の変更、修正、代替を認識するであろう。図示するように、レーザ装置は窒化ガリウム基板203を備えており、これは下層のn型金属バックコンタクト領域201を有する。一実施形態では、金属バックコンタクト領域は、以下で述べるものやそれ以外のもの等、好適な材料から成る。コンタクト領域のさらなる詳細は、本明細書を通じて、以下でより特定的に見出せる。

一実施形態において、装置はまた、上層のn型窒化ガリウム層205と、活性領域207と、レーザストライプ領域として構成された上層のp型窒化ガリウム層211とを有する。さらに、本装置は、他の特徴のなかでも特に、別個のn側封じ込めヘテロ構造(SCH)206と、p側導波層またはSCH208と、p−AlGaN EBL209とを含む。一実施形態では、本装置はまた、コンタクト領域を形成するためのp++型窒化ガリウム材料213を有する。一実施形態では、p++型コンタクト領域は、好適な厚さを有し、約10nmから50nmまでの範囲であるか、またはそれ以外の厚さでおい。一実施形態では、ドーピングレベルは、p型クラッド領域およびバルク領域またはそのいずれかよりも高く出来る。一実施形態では、p++型領域は、約10¹⁹ないし10²¹Mg/cm³の範囲等のドーピング濃度を有する。p++型領域は、半導体領域と上層の金属コンタクト領域との間でトンネル現象を生じるのが好ましい。一実施形態では、これらの領域の各々は、少なくとも有機金属化学気相成長法(MOCVD)のエピタキシャル析出技術、分子線エピタキシ(MBE)またはGaN成長に好適な他のエピタキシャル成長技術を用いて形成される。一実施形態では、エピタキシャル層は、n型窒化ガリウム層を覆う高品質エピタキシャル層である。いくつかの実施形態では、高品質層は、例えば、SiまたはOが約10¹⁶cm⁻³および10²⁰cm⁻³のドーパント濃度でドープされ、n型材料を形成する。 本装置は、オフカット結晶配向表面領域の一部を覆って、レーザストライプ領域が形成されている。

特定の実施形態では、ファセット形成法は、パターンを形成するために、基板をレーザに曝す工程を含む。好ましい実施形態では、パターンは、1つまたはそれ以上のリッジレーザに対して1対のファセットを形成するために構成される。好ましい実施形態では、1対のファセットは対面しており、互いに平行に整列している。好ましい実施形態では、本方法は、UV(355nm)レーザを使用して、レーザバーをスクライブする。特定の実施形態では、レーザはシステム上で構成され、それによって、1つまたはそれ以上の異なるパターンおよびプロファイルに正確なスクライブラインが構成される。1つまたはそれ以上の実施形態では、アプリケーション次第で、裏面、前面またはその両方でレーザスクライビングが実施可能である。当然のことながら、他の変更、修正および代替が可能である。

特定の実施形態では、本方法は、裏面レーザスクライビング等を使用する。裏面レーザスクライビングでは、本方法は、GaN基板の裏面でレーザバーに垂直な連続ラインレーザスクライブを形成するのが好ましい。特定の実施形態では、レーザスクライブは、一般に、15ないし20mmの深さであるか、またはそれ以外の好適な深さである。裏面スクライビングが有利となるのが好ましい。すなわち、レーザスクライブプロセスは、レーザバーのピッチまたはそれ以外の同様のパターンに依存しない。従って、裏面レーザスクライビングは、好ましい実施形態に従って、各基板上でのレーザバ−の密度をより高めることになる。しかし、特定の実施形態では、裏面レーザスクライビングは、1つまたはそれ以上のファセット上でテープから残留物をもたらす可能性がある。特定の実施形態では、裏面レーザスクライブは、基板がテープ上にフェースダウンすることを要求する場合が多い。前面レーザスクライビングでは、基板の裏面がテープと接触する。当然のことながら、他の変更、修正および代替も可能である。

レーザスクライブパターン:レーザマスクのピッチは、約200mmであるが、それ以外であってもよい。本方法は、200mmのピッチから30mmを引いた170mmのスクライブを使用する。好ましい実施形態では、レーザの熱影響部を感熱性のレーザリッジから離した状態で、スクライブ長さを最大限にするか、または増大する。

レーザスクライブプロファイル:鋸歯状プロファイルは、一般に、最小ファセット粗さを生じる。鋸歯状プロファイル形状は、材料においてかなり高い応力集中を発生し、それによってより容易に且つより効率的にまたはそのいずれかで開裂が伝搬されると信じられている。

特定の実施形態では、ファセット形成法は、パターンを形成するために、基板を機械的スクライビングに曝す工程を含む。好ましい実施形態では、パターンは、1つまたはそれ以上のリッジレーザに対して1対のファセットを形成するために構成される。好ましい実施形態では、1対のファセットは対面しており、互いに平行に整列している。好ましい実施形態では、本方法は、ダイヤモンド先端スクライブを使用してレーザバーを物理的にスクライブするが、技術者に明らかであるように、GaNよりも固い材料を先端に備えたスクライブが適切である。特定の実施形態では、レーザはシステム上で構成され、それによって、1つまたはそれ以上の異なるパターンおよびプロファイルに正確なスクライブラインが構成される。1つまたはそれ以上の実施形態では、アプリケーション次第で、裏面、前面またはその両方で機械的スクライビングが実施可能である。当然のことながら、他の変更、修正および代替が可能である。

特定の実施形態では、本方法は、裏面スクライビング等を使用する。裏面機械的スクライビングでは、本方法は、GaN基板の裏面でレーザバーに垂直な連続ラインスクライブを形成するのが好ましい。特定の実施形態では、レーザスクライブは、一般に、15ないし20mmの深さであるか、またはそれ以外の好適な深さである。裏面スクライビングが有利となるのが好ましい。すなわち、機械的スクライブプロセスは、レーザバーのピッチまたはそれ以外の同様のパターンに依存しない。従って、裏面スクライビングは、好ましい実施形態に従って、各基板上でのレーザバ−の密度をより高めることになる。しかし、特定の実施形態では、裏面機械的スクライビングは、1つまたはそれ以上のファセット上でテープから残留物をもたらす可能性がある。特定の実施形態では、裏面機械的スクライブは、基板がテープ上にフェースダウンすることを要求する場合が多い。前面機械的スクライビングでは、基板の裏面がテープと接触する。当然のことながら、他の変更、修正および代替も可能である。

エッチング技術、例えば化学的促進イオンビームエッチング(CAIBE)、誘導結合プラズマ(ICP)エッチングまたは反応性イオンエッチング(RIE)の結果、滑らかで垂直にエッチングされた側壁領域が生成され、エッチングされたファセットレーザダイオード内のファセットとしての働きを行えることは周知である。エッチング処理ファセットプロセスでは、ウェハの表面にマスキング層が堆積されてパターン化される。エッチングマスク層は、二酸化シリコン(SiO₂)、窒化シリコン(SixNy)、その組み合わせまたは他の誘電材料等の誘電体から構成することが出来る。さらに、マスク層はNiまたはCr等の金属層から構成可能であるが、金属化合堆積物または金属および誘電体を含む堆積物から構成可能である。他の取り組みとしては、フォトレジストマスクを単独で、または誘電体および金属もしくはそのいずれかと組み合わせて使用することが可能である。エッチングマスク層は、従来のフォトリソグラフィおよびエッチング工程を利用してパターン化される。アライメントリソグラフィは、コンタクトアライナまたはステッパアライナを用いて実施可能である。このようなリソグラフィで画定されたミラーは、高レベルの制御を設計技師に提供する。エッチングマスクの上部でのフォトレジストマスクのパターン化が完了した後、ウェットエッチングまたはドライエッチング技術を用いてパターンをエッチングマスクへ転送する。最終的に、その後、CAIBE、ICP、RIEおよび他の技術またはそのいずれかから選択したドライエッチング技術を用いて、ファセットパターンがウェハ内にエッチングされる。エッチングされたファセット表面は、ウェハの平面から約87度から93度まで、または約89度から91度までのかなり垂直に近いものでなければならない。エッチングされたファセット表面領域は、二乗平均平方根粗さ値が50nm、20nm、5nmまたは1nm未満である、かなり滑らかなものでなければならない。CAIBEは、エッチングの化学的性質のため、かなり滑らかで低損傷の側壁を設けることが知られており、一方で、エッチングの際に固有角度を補償するためにウェハステージを傾ける能力により、ほぼ垂直に近いエッチングを提供することが可能である。

レーザストライプは、長さおよび幅を特徴とする。長さは、約50ミクロンから約3000ミクロンまでの範囲であるが、好ましくは、10ミクロンから400ミクロンまで、約400ミクロンから800ミクロン、または約800ミクロンから1600ミクロンまでであるが、それ以外であってもよい。ストライプもまた、約0.5ミクロンから約50ミクロンまでの範囲の幅を有するが、好ましくは単一横モード動作に対しては0.8ミクロンから2.5ミクロンまで、または多重横モード動作に対しては2.5mmから35mmまでであるが、これ以外の寸法でもよい。特定の実施形態では、本装置は約0.5ミクロンから約1.5ミクロンまでの範囲の幅、約1.5ミクロンから約3.0ミクロンまでの範囲の幅、3.0ミクロンから約35ミクロンまでの範囲の幅およびこれ以外の幅を有する。特定の実施形態では、幅は実質的に一定寸法であるが、僅かな変更は可能である。幅および長さは、一般に技術で使用するマスキングおよびエッチングプロセスを用いて形成することが多い。

レーザストライプは、p型またはn型クラッド層のいずれかへのドライエッチングまたはウェットエッチングから選択したエッチングプロセスにより設けられる。本装置はまた、p型またはn型コンタクト領域を露出する上層誘電体領域を有する。コンタクト領域は、金属、導電性酸化物またはその組み合わせであってもよいコンタクト材料で覆われている。p型およびn型電気コンタクトが熱蒸着、電子ビーム蒸着、電気めっき、スパッタリングまたは他の好適な技術によって堆積可能である。

ガリウムおよび窒素含有基板のコストが高く、ガリウムおよび窒素含有基板のサイズのスケールアップが困難であり、非効率的であり、しかも極性、半極性および無極性のガリウムおよび窒素含有ウェハを潜在的に供給制限する場合、利用可能なガリウムおよび窒素含有基板ならびに上層のエピタキシャル材料の利用を最大限にするのが極めて望ましい。横空洞レーザダイオードを製造する際に、一般に、レーザ空洞幅ではなく、最小のダイサイズが装置の構成要素、例えばワイヤボンディングパッドまたは機械的ハンドリング検討事項によって決定される。ダイサイズの最小化は、製造コストを削減するのに不可欠である。なぜなら、ダイサイズが小さくなると、1回の処理実行において1つのウェハ上に製造出来る装置の数が多くなるからである。本発明は、ダイエキスパンションプロセスを介してキャリヤウェハ上にエピタキシャル材料を拡げることによって所定のガリウムおよび窒素含有基板および上層のエピタキシャル材料から製造出来る装置の数を最大限にする方法である。

図4は、ダイエキスパンションプロセスの好ましい一実施形態のトップダウン図である。開始材料は、パターン化されたエピタキシおよびキャリヤウェハである。ここでは、‘エピタキシウェハ’または‘エピタキシャルウェハ’は、活性領域を構成するエピタキシャル材料が成長した最初のガリウムおよび窒素含有ウェハとして定義され、一方で、‘キャリヤウェハ’は、処理を便利にするために、エピタキシャル層が転送されるウェハとして定義される。キャリヤウェハは、コスト、熱伝導率、熱膨張係数、サイズ、導電率、光学的特性および処理互換性を含む多数の判断基準に基づいて選択可能であるが、それらに限定されない。ボンディングされたエピタキシ領域を後に選択的に剥離するように、パターン化されたエピタキシウェハを生成する。選択領域ボンディングプロセスを可能にするためにボンドパッドが配置されるように、パターン化されたキャリヤウェハが生成される。これらのウェハは、様々なプロセスフローによって生成可能であり、そのうちのいくつかの実施形態は以下で述べる。第1の選択領域ボンド工程では、エピタキシウェハが、キャリヤウェハ上の事前にパターン化されたボンディングパッドと整列され、圧力、熱および超音波処理またはそのいずれかの組み合わせを用いてボンディングパッドにメサをボンディングする。ボンディング材料は、金属、ポリマー、ワックスおよび酸化物を含む様々な媒体であってもよいが、それらに限定されない。キャリヤウェハ上のボンドパッドに接触しているエピタキシャルダイのみがボンディングされる。サブミクロンアライメント許容範囲は、商用ダイボンダで可能となる。エピタキシウェハがその後引き離され、望ましいエピタキシャル層がキャリヤウェハに残存するように、弱められたエピタキシャル剥離層でエピタキシ材料を破壊する。ここでは、‘選択領域ボンディング工程’は、このプロセスを一回反復するものとして定義される。図4に示す例では、エピタキシャルダイの4分の1は、この第1の選択ボンディング工程で転送され、エピタキシウェハ上に4分の3を残す。選択領域ボンディング工程をその後繰り返し、エピタキシャルダイの第2の4分の1、第3の4分の1および第4の4分の1をパターン化したキャリヤウェハに転送する。この選択領域ボンディングは、何度も繰り返し可能であるが、図4に示す4つの工程には限定されない。結果として、エピタキシウェハ上の最初のダイピッチよりも広いダイピッチで、キャリヤウェハ上のエピタキシャルダイのアレイが得られる。エピタキシャルウェハ上のダイピッチはピッチ1と呼ばれ、キャリヤウェハ上のダイピッチはピッチ2と呼ばれる。この場合、ピッチ2はピッチ1よりも大きい。この時点で、標準レーザダイオードプロセスがキャリヤウェハ上で実行可能である。図1および図2は、それぞれ、本発明で述べる最新の方法で製造された装置およびその方法を示す側面図である。本発明で可能になった装置構造は、比較的高価なエピタキシ材料を含むのみであり、この場合、光空洞がそれを必要とし、さらに比較的大きいボンディングパッドおよびキャリヤウェハ上に置かれた他の装置の構成要素またはそのいずれかを有する。レーザリッジ幅およびボンディングパッドに対する代表的な寸法は、それぞれ30mmよりも小さく100mmよりも大きく、本発明ではエピタキシ利用効率が3倍またはそれ以上改良される。

エキスパンデッドダイピッチを達成することが可能な方法が、数多く存在する。GaN系レーザダイオードの製造に対する一実施形態を図5および図6に示す。本実施形態は、バンドギャップ選択的光電気化学(PEC)エッチングを利用して、エピタキシャル層内にエッチングされたメサのアレイをアンダカットし、その後、パターン化したキャリヤウェハ上で選択領域ボンディングプロセスを行う。図5はエピタキシウェハの生成を示し、図6は選択領域ボンディングプロセスを示す。このプロセスは、バンドギャップによって選択的にPECエッチング可能である埋め込み犠牲領域を含むことを必要とする。GaN系電気光学装置に対して、InGaN量子井戸は、PECエッチング中に効果的犠牲領域になるものとして示されている。図5に示す第1の工程は、犠牲層を露出するためのトップダウンエッチングであり、その後に、図5に示すボンディング金属析出が続く。犠牲領域が露出された状態では、バンドギャップ選択PECエッチングを利用してメサをアンダカットする。犠牲領域のおよび他の全ての層のバンドギャップは、犠牲層のみが光を吸収し、そのためにPECエッチング中にエッチングを行うように選択される。エッチング速度を適当に制御する場合、薄い材料片を残して、メサをエピタキシ基板に弱く接続することが可能である。このウェハは、その後、図6に示すように整列され、パターン化したキャリヤウェハにボンディングされる。金と金の金属結合をこの作業の例として利用するが、多種多様な酸化物結合、ポリマー結合、ワックス結合等が潜在的に好適である。市販されているダイボンデンィング装置を用いることにより、サブミクロンアライメント許容範囲が可能になる。選択したメサのみがキャリヤウェハ上の金属結合パッドに接触するように、キャリヤウェハがパターン化される。エピタキシ基板が引き離されると、弱い犠牲領域で結合したメサが破損するが、一方で結合されていないメサは、エピタキシ基板に装着されたままとなる。この選択領域ボンディングプロセスは、その後、望ましい構成で残存するメサを転送することを繰り返すことが可能となる。このプロセスは、何度も反復され、図7に示すように2回の反復には限定されない。キャリヤウェハは、2インチ、3インチ、4インチ、6インチ、8インチおよび12インチを含むいずれかのサイズでよいが、これらに限定されない。望ましい全てのメサが転送された後、第2のバンドギャップ選択PECエッチングを任意に利用して、いずれかの残余の犠牲領域材料を除去し、滑らかな表面を形成することが可能である。この時点で、キャリヤウェハ上で標準レーザダイオードプロセスが実施可能である。

本発明の他の実施形態では、バンドギャップPECエッチングプロセス中に吸収を行うように、活性領域よりも高いバンドギャップを有する犠牲領域を用いる。本実施形態では、図7に示すように、側壁上の絶縁保護層を用いてバンドギャップ選択PECエッチング中に活性領域がエッチングされないように防止することも可能である。図7に示す第1の工程は、装置の活性領域を露出するためのエッチングである。この工程の後、メサ側壁に保護絶縁層を堆積し、これが後の犠牲領域アンダカットPECエッチング工程中に活性領域のPECエッチングをブロックする働きをする。その後、犠牲層を露出するために第2のトップダウンエッチングが行われ、図7に示すようにボンディング金属が析出される。犠牲領域が露出された状態では、バンドギャップ選択PECエッチングを利用してメサをアンダカットする。この時点で、図6に示す選択領域ボンディングプロセスを利用して、装置を製造し続ける。

本発明の他の実施形態では、選択領域ボンディング工程前に、稠密エピタキシウェハ上に装置の構成要素を製造することを組み入れる。図8に示す実施形態では、レーザリッジ、側壁パッシベーションおよびコンタクト金属が、ダイエキスパンションプロセス前に最初のエピタキシャルウェハ上に形成される。このプロセスフローは、例としてのみ与えられ、ダイエキスパンションプロセス前に処理可能な装置の構成要素を制限することを意味していない。この作業フローは、潜在的にコスト面で有利である。なぜなら、ダイエキスパンションプロセス前に、より高い密度のエピタキシャルウェハ上で、さらなる工程が実施されるからである。このプロセスフローの詳細は、図8に示す。

本発明の他の好ましい実施形態では、ガリウムおよび窒素エピタキシャル材料が、以下の配向のうちの1つのガリウムおよび窒素含有基板材料上で成長する。すなわち、m面、{50−51}、{30−31}、{20−21}、{30−32}、{50−5—1}、{30−3−1}、{20−2−1}、{30−3−2}またはa面およびc面またはそのいずれかに向けて+/-5度以内でのこれらの面のオフカットである。

本発明の他の実施形態では、ボンディングされたメサのみの犠牲剥離層をエッチングするための各選択ボンディング工程の後に個々のPECアンダカットエッチングを利用する。どのエピタキシャルダイがアンダカットを受けるかは、現在の選択的ボンディング工程で除去するべきメサの犠牲層を露出するためにエッチングダウンを行うことによってのみ制御される。本実施形態の利点としては、PECエッチング速度を極めて粗野に制御するだけである。これは、さらなる処理工程を犠牲にして行われ、ジオメトリが制限される。

本発明の他の実施形態では、ボンディング層は、金属—金属、酸化物—酸化物、はんだ合金、フォトレジスト、ポリマー、ワックス等を含む様々なボンディング対であってもよい。

本発明の他の実施形態では、犠牲領域がPECエッチングによって完全に除去され、メサが残りの欠陥ピラーによって所定位置に固定されたままとなる。PECエッチングは、再結合中心として作用する欠陥の周辺に無傷材料を残すものとして知られている。犠牲エッチングを完了した後、メサが所定位置に残るさらなる機構は、静的な力またはファンデルワールス力を含む。

本発明の他の実施形態では、成形犠牲領域露出メサがエッチングされて、各エピタキシダイの端部近くに、より大きな領域を残す。ボンディング金属は、転送されるべきエピタキシの領域のみに配置される。その後、端部近くのより大きな領域の一部のみがアンダカットされる間、転送されるべきエピタキシダイが完全にアンダカットされるように、PECエッチングが行われる。ダイの端部の無傷犠牲領域は、選択領域ボンディング工程を介して機械的安定性を与える。数ナノメータの厚さだけアンダカットするので、このジオメトリは標準ボンディングプロセスと両立するはずである。選択領域ボンディング工程の後、エピタキシおよびキャリヤウェハは、機械的に分離され、結合金属と無傷犠牲領域との間の弱い場所で開裂する。このプロセスの例は、図9および図10に概略的に示す。望ましい数の繰り返しが完了した後、最新のレーザダイオード製造の手順が、ダイエキスパンデッドキャリヤウェハに適用出来る。 本発明の他の実施形態では、エピタキシャル層の剥離は、レーザリフトオフ等のPECエッチング以外の手段によって達成される。

本発明の他の実施形態では、キャリヤウェハは、他の半導体材料、金属材料またはセラミック材料である。いくつかの潜在的な候補は、シリコン、ガリウムヒ素、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド、窒化ガリウム、AlN,多結晶AlN、リン化インジウム、ゲルマニウム、石英、銅、金、銀、アルミニウム、ステンレス鋼、または鋼を含む。

本発明の他の実施形態では、開裂プロセスによってレーザファセットが製造される。好適なキャリヤウェハを選択する場合、キャリヤウェハを使用して、エピタキシャル材料に開裂面を定めることが可能である。これによって、開裂の歩留り、品質、容易さ、および正確さ、またはそのいずれかが改良出来る。

本発明の他の実施形態では、レーザファセットは、エッチングファセットプロセスによって製造される。エッチングファセットの実施形態では、リソグラフィ定義のミラーパターンが、ガリウムおよび窒素内にエッチングされてファセットを形成する。エッチングプロセスは、誘導結合プラズマエッチング(ICP)、化学的促進イオンビームエッチング(CAIBE)または反応性イオンエッチング(RIE)が選択したドライエッチングプロセスであってもよい。エッチングファセットプロセスは、開裂、潜在的に改良した歩留りおよびファセット品質によってファセット形成を回避するためのダイエキスパンションプロセスと組み合わせて利用することも可能である。

本発明の他の実施形態では、キャリヤウェハの選択によって促進される開裂プロセスによって、ダイの個片化が達成される。例えば、シリコンまたはGaAsキャリヤウェハを選択する場合、開裂によってダイ個片化に利用可能である便利な立方体開裂面のシステムが存在することになる。本実施形態では、ダイ個片化がキャリヤウェハ材料領域のみで発生するため、開裂がエピタキシ材料に転送される必要はない。

本発明の他の実施形態では、上記プロセスフローのいずれかは、ウェハ傾斜と組み合わせて使用することが出来る。一実施例では、7.5mm ´ 18mmの基板は、2インチのキャリヤウェハに傾斜することが可能であり、それによって上面処理および選択領域ボンディングが、さらなるコスト節減のために多数のエピタキシ基板上で同時に実施可能となる。

本発明の他の実施形態では、再平坦化および表面処理手順を介して選択領域ボンディング工程の後に、基板ウェハを再利用する。エピタキシウェハは、実用的回数だけ再利用可能である。

一実施例では、本発明は、所与のエピタキシャル表面領域から製造可能なガリウムおよび窒素含有レーザダイオード装置の数を増大する方法を提供し、ここでは、ガリウムおよび窒素含有エピタキシャル層は、ガリウムおよび窒素含有基板を覆う。エピタキシャル材料は、少なくとも以下の層から成る。すなわち、バンドギャップ選択PECエッチングを用いて選択的にエッチングすることが可能な犠牲領域、n型クラッド領域、n型クラッド領域を覆う少なくとも1つの活性層から成る活性領域、および活性層領域を覆うp型クラッド領域である。ガリウムおよび窒素含有エピタキシャル材料は、第1のダイピッチでダイにパターン化される;第1のピッチでガリウムおよび窒素含有エピタキシャル材料から成るダイはキャリヤウェハに転送され、キャリヤウェハ上に第2のダイピッチを形成する;第2のダイピッチは、第1のダイピッチよりも大きい。

上記は特定の実施形態に関して充分に述べているが、様々な変更、代替の構造および均等物を用いることも可能である。一実施例では、パッケージ化された装置は、上記エレメントのいずれかの組み合わせならびに本明細書以外も含むことが可能である。ここでは、用語“基板”は、バルク基板を意味することが可能であり、または上層の成長構造、例えば、ガリウムおよび窒素含有エピタキシャル領域、もしくは機能領域、例えばn型GaN,組み合わせ等を含むことも可能である。