专利名称：二硼化物单晶衬底与使用它的半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及氮化物系化合物半导体所要求的衬底和使用它的半导体激光二极管以及半导体装置与它们的制造方法。
背景技术：
半导体激光二极管(以下称LD)和发光二极管(以下称LED)元件被应用于光盘装置等各种各样的机器设备。近年来，为提高这些光盘装置的存储容量，已经开发出了使用能够发出青～紫外区之短波长光的氮化物系化合物半导体材料的LED和LD。氮化物系化合物半导体由于禁带宽度大，因而击穿电压高。另外，由于迁移率大，因而从优良的高频特性出发，进行了各种晶体管的开发。
使用传统的氮化物系化合物半导体的LD和高频用晶体管，因为不能得到品质良好的氮化物系化合物半导体的例如氮化镓(GaN)的衬底，因此，一般在蓝宝石单晶衬底上形成氮化物系化合物半导体装置。
作为使用氮化物系化合物半导体的LD之制造方法的现有技术例1，有基于特开平7-297495号公报的技术。图19是该现有技术例1的LD构成的剖面图。该LD40在蓝宝石单晶衬底41的(11-20)面上，作为LD的工作层依次层叠AlN缓冲层42、n+GaN层43、nAl0.1Ga0.9N层44、GaN层45、以及pAl0.1Ga0.9N层46而形成多层结构。在最上层的pAl0.1Ga0.9N层46上沉积SiO2膜47，并开设电极用窗，形成p层46的电极48A。nAl0.1Ga0.9N层44的电极48B形成于n+GaN层43上。LD40的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器的谐振面由垂直于激光发光的光路(垂直纸面的方向)的对置端面构成。
现有技术例1已经公开了成为谐振器的对置端面通过沿<0001>轴(c轴)劈开并分割蓝宝石单晶衬底41而获得。在此基础上，通过将对置端面设计成精密的镜面，便使基于氮化物系化合物半导体的LD40的振动效率得以提高。
另一方面，作为现有技术例2已经报道了二硼化锆(ZrB2)衬底有望成为氮化物系化合物半导体的衬底(J.SuDa、H.Matsunami，Journalof Crystal Growth，Vol.237～239、pp.210～213、2002年)。ZrB2衬底借助于高频加热的浮带区熔法(FZ法)可以得到单晶，能很好地与氮化物系化合物半导体进行晶格匹配且具有优良的导电性。另外，氮化物系化合物半导体能够在ZrB2衬底上进行外延生长。
在现有技术例1的LD的制造方法中，当沿c轴劈开蓝宝石衬底41时，蓝宝石衬底41的劈开面一般为(10-12)面，但该晶面与氮化物系化合物半导体的劈开面(10-10)面不同，因而存在不能得到稳定的劈开面的课题。为此，不能提高成为氮化物系化合物半导体法布里-珀罗谐振器的对置端面的面精度和平行度，因而存在不能得到成品率优良且振动效率高的LD的课题。
使用III-V族化合物系半导体的LD，是在工作层的表面与衬底背面设置欧姆电极、从衬底的表面侧向背面侧通以电流的所谓纵向结构元件。但是，蓝宝石单晶衬底41是绝缘体，因此不能将蓝宝石衬底41的背面作为欧姆电极，因而不能获得纵向结构元件。故而在LD41中，必须在元件的上面部、位于多层下部的n+层43上形成电极48B。为了使该n+层43暴露在元件的上面，例如在使LD的多层结晶生长时，必须进行所谓的选择性生长，即在n+层43的生长结束后停止晶体生长，待采用不使结晶生长的SiO247等绝缘体包覆成为电极的部分后，再使多层进行生长。或者在形成多层后，采用浸蚀成为电极的n+区以暴露元件表面的工序等来进行。这样一来，因工序增加，故存在成品率降低且成本增加的课题。
另外，蓝宝石单晶衬底41由于热传导率小，因而使用蓝宝石单晶衬底41的氮化物系化合物半导体的LD40与各种半导体装置工作时的温度容易升高。为此，存在LD40的寿命缩短且高频用晶体管的输出和效率不高这一不能充分发挥氮化物系化合物半导体装置本来具有的性能这样的课题。
另外，在现有技术例2中，在将ZrB2晶体衬底例如用作LD衬底的情况下，在形成LD谐振面时，ZrB2衬底也必须同时劈开。但是，存在不能清晰辨认ZrB2衬底的劈开面的课题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供劈开面与氮化物系化合物半导体的劈开面相同且具有导电性的衬底以及使用它的半导体激光二极管等半导体装置和它们的制造方法。
为达成上述目的，本发明的衬底是二硼化物XB2(其中，X为Zr或Ti)的单晶衬底，其特征在于面取向为(0001)面，且将衬底的厚度设定为0.1mm或以下。上述二硼化物单晶衬底可以具有表示为(10-10)面或(11-20)面的取向平面(orientation flat)。
本发明的半导体激光二极管的特征在于在以二硼化物XB2(其中，X为Zr或Ti)单晶的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体激光二极管。
在上述二硼化物XB2单晶衬底上形成的半导体激光二极管的工作层是由多层构成的，二硼化物XB2单晶衬底沿(10-10)面具有切断面，构成多层的半导体激光谐振器的2个对置端面可以由平行于二硼化物XB2单晶衬底的(10-10)面的劈开面所形成。二硼化物XB2单晶衬底的厚度为0.1mm或以下即可。另外，上述二硼化物XB2单晶衬底优选的是ZrB2单晶衬底，成为半导体激光二极管的工作层的多层由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)所构成。
根据该构成，在半导体激光二极管形成之前或形成之后，如果使XB2衬底的厚度为0.1mm或以下，则沿XB2衬底以及构成半导体激光二极管的氮化物系化合物半导体的(10-10)面能够轻易地以良好的直线性分割XB2衬底以及半导体激光二极管，并且能够轻易地形成构成半导体激光二极管谐振器的对置端面。另外，从元件分割的观点来看，也能使没有切断余量的元件的分割方法得以实现。
本发明的半导体装置是在以二硼化物单晶XB2(其中，X为Zr或Ti)的(0001)面作为取向的衬底上形成的，其特征在于该二硼化物XB2单晶衬底具有沿(10-10)面用金刚石笔等划线并切断的2个切断面，在相当于半导体装置元件的侧面的面中，至少1面具有与二硼化物XB2单晶衬底的(10-10)面平行的面。
上述半导体装置只要是半导体激光二极管、发光二极管、光检测器、异质结双极晶体管、场效应晶体管、以及集成电路中的任何一种即可。二硼化物单晶XB2衬底的厚度优选为0.1mm或以下。另外，二硼化物单晶XB2衬底是ZrB2单晶衬底、半导体装置优选由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)所构成。
根据该构成，在半导体装置形成之前或形成之后，如果使XB2衬底的厚度为0.1mm或以下，则沿XB2衬底以及构成半导体装置的氮化物的(10-10)面分割XB2衬底以及半导体装置能够保持良好的直线性而且可以轻易地进行。此外，根据该构成，将ZrB2用作氮化物系化合物半导体的衬底，能够形成在衬底侧形成电极的纵向构造的氮化合物系化合物半导体元件。
再者，根据本发明的半导体激光二极管的制造方法的特征在于该制造方法包括在以二硼化物单晶XB2(其中，X为Zr或Ti)的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体激光二极管的工作层的工序、以及沿二硼化物单晶XB2衬底的(10-10)面劈开将二硼化物单晶XB2衬底以及半导体激光二极管的工作层分割成多个的工序。
上述二硼化物单晶XB2衬底以及半导体激光二极管的工作层在沿XB2单晶衬底的(10-10)面劈开而分割成多个的工序之前，也可以包含将二硼化物单晶XB2衬底制成厚度至少为0.1mm或以下的工序。二硼化物单晶XB2衬底的厚度优选设定为0.1mm或以下。上述二硼化物单晶XB2衬底优选的是ZrB2单晶衬底，成为半导体激光二极管的工作层的多层，优选由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)所构成。
根据该构成，在半导体激光二极管形成之前或形成之后，如果使XB2单晶衬底的厚度为0.1mm或以下，则沿XB2单晶衬底以及构成半导体激光二极管的氮化物的(10-10)面分割XB2单晶衬底以及半导体激光二极管能够保持良好的直线性而且可以轻易地进行，并且能够轻易地形成构成半导体激光二极管的谐振器的对置端面。此外，从元件分割的观点来看，也能使没有切断余量的元件的分割方法得以实现。
另外，本发明的半导体装置的制造方法的特征在于该制造方法包括在以二硼化物单晶XB2(其中，X为Zr或Ti)的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体元件的工序、以及在分离二硼化物单晶XB2衬底上的半导体元件时平行于二硼化物单晶XB2衬底的(10-10)面切断元件的工序。切断上述元件的工序优选采用劈开的方法来进行。此外，在分离二硼化物单晶XB2衬底上的半导体元件时，在平行于XB2单晶衬底的(10-10)面切断元件的工序之前，优选将二硼化物单晶XB2衬底制成厚度至少为0.1mm或以下的工序。上述二硼化物单晶XB2衬底的厚度优选为0.1mm或以下。此外，二硼化物单晶XB2衬底是ZrB2单晶衬底，半导体元件优选由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)所构成。
根据该构成，在半导体装置形成之前或形成之后，如果使XB2单晶衬底的厚度在0.1mm或以下，则沿着XB2单晶衬底以及构成半导体装置的氮化物的(10-10)面分割XB2单晶衬底以及半导体装置能够保持良好的直线性而且可以轻易地进行。
另外，如果将ZrB2用作氮化物系化合物半导体的衬底，则能够形成在衬底侧形成电极的纵向型构造的氮化物系化合物半导体元件。
以下面的详细发明以及表示本发明的几个实施方案的附图为基础，将更容易理解本发明。此外，附图所示的各种实施例并不意味着是对本发明的特别指定或限定，只是为了便于本发明的说明与理解。
图1是表示根据本发明第1实施方案的XB2单晶衬底的构成的示意图。
图2是表示ZrB2单晶的主要面之间的相对关系的图。
图3是表示具有ZrB2单晶衬底的(0001)面的衬底的(10-11)面的相对位置的立体图。
图4是表示本发明的ZrB2单晶衬底的实施例的图。
图5是从衬底的斜上方观察平行于(10-10)面切断厚度0.06mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的切断部位的放大照片图。
图6是将ZrB2单晶衬底的厚度设定为0.1mm或以下而得到良好切断面时的切断面的X射线背面劳厄(Laue)照片图。
图7是沿(10-10)面用切割机切断厚度0.06mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的切断面的放大照片图。
图8是从衬底的斜上方拍摄沿(10-10)面使厚度0.33mm的(0001)面ZrB2单晶衬底断裂的比较例的断裂部位而得到的照片。
图9是从衬底的斜上方拍摄在厚度0.33mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的背面从希望发生断裂的部位的起点到终点完全进行划线加工而断裂的比较例的断裂部位的照片。
图10是表示本发明的第2实施方案的LD的构造的立体图。
图11是表示本发明的LD构造的光路方向的断面的剖面图。
图12表示本发明的第3实施方案的半导体激光二极管的制造方法。
图13是表示本发明的第4实施方案的半导体装置的构成的示意剖面图。
图14是表示根据本发明的第4实施方案的HBT的构成的剖面图。
图15是表示根据本发明的第4实施方案的FET的构成的剖面图。
图16是表示根据本发明的第4实施方案的二极管的构成的剖面图。
图17表示根据本发明的第5实施方案的半导体装置的制造方法。
图18表示根据本发明的第5实施方案的LED的制造方法。
图19是表示使用传统的蓝宝石衬底的氮化物系化合物半导体的LD的一例的立体图。
具体实施例方式
下面参照附图就本发明的实施方案进行详细说明。
首先，说明本发明的衬底的第1实施方案。
图1表示根据本发明的第1实施方案的衬底的构成。图1(a)是二硼化物XB2单晶衬底的平面图，图1(b)是其A-A向剖面图。在图1中，单晶衬底1由二硼化物XB2(X为Zr(锆)或Ti(钛)的任意一种，B为硼)所构成。
在此，作为单晶衬底1，以X是Zr的ZrB2为例进行说明。该ZrB2单晶衬底1以(0001)面2为主表面，具有短边为L1、长边为L2的尺寸。短边的侧面4是(10-10)面或(11-20)面，成为取向平面。
图1(b)是图1(a)的A-A剖面，衬底的背面用3表示。衬底1的厚度t如后述那样，为使劈开容易进行，合适的厚度为0.1mm或以下。
其次，就本发明的ZrB2单晶衬底的劈开进行说明。如图1所示，在厚度为0.06mm的ZrB2单晶衬底1的表面2或背面3，平行于该晶体的(10-10)面4用金刚石笔对表面2或背面3划线，对(0001)面2施加应力使划线5成为劈开的基线而切断。
其次，说明本发明的衬底的作用效果。
制作许多片ZrB2单晶衬底，给予机械的或热的冲击，对于劈开的切断面进行细致的观察，结果判明如果将(0001)面2作为主表面的ZrB2单晶衬底1的厚度设定在0.1mm或以下，则切断面与(10-10)面平行，且于(0001)面2沿(10-10)面4与(10-11)面相交的交线能够笔直地切开。由此，在从前难于劈开的具有(0001)面的ZrB2单晶衬底1中，使其厚度大约为0.1mm或以下的ZrB2单晶衬底在以(0001)面2为主表面的ZrB2单晶衬底1本来的劈开面即(10-11)面上不能得到切断面，而在(10-10)面4上能得到良好的切断面。
下面就上述的ZrB2单晶衬底1的切断面不是本来的劈开面(10-11)面而是(10-10)面的理由进行说明。
首先，就ZrB2单晶衬底1的(10-11)面和(10-10)面4的位置关系进行说明。图2是表示ZrB2晶体的主要面之间的相对关系的图。ZrB2具有六方晶系的晶体结构。在六角柱的底面上有a1轴、a2轴和a3轴，垂直该底面的方向为c轴。如图所示，六角柱的底面是(0001)面2。该底面的六角形的一边的晶格常数为a。另外，如图所示，(10-10)面4与(0001)面2成90°角，而(0001)面2与(10-11)面7所成的角度为52.15°。而且(10-11)面7与(10-10)面4于(0001)面相交于交线8。
图3是表示ZrB2单晶衬底的(0001)面衬底的(10-11)面的相对位置的立体图。如图所示，本来的劈开面(10-11)面7与(0001)面2所成的角度为52.15°，并不垂直。因此，(10-11)面7与ZrB2单晶衬底1的表面2和背面3的交线产生图中所示的L这样的偏差。
ZrB2单晶衬底1的劈开面不是本来的劈开面(10-11)面7而是(10-10)面4的理由在于首先是由于本来的劈开面(10-11)面7不与(0001)面2垂直，因此划线后施加的应力难以施加到(10-11)面7上。
其次，一般认为(10-11)面7对于划线后所施加的应力的屈服点，比垂直于(0001)主表面2的(10-10)面4对应力的屈服点高，因此沿(10-10)面4容易被切断。即可以推断衬底的厚度变薄时，易于切断的(10-10)面2与难于被切断的(10-11)面7对应力的屈服点的差值即使很微小，也是易于切断的(10-10)面4首先发生切断。
另一方面，ZrB2单晶衬底1增厚时，可以推断在较薄的情况下容易切断的(10-10)面4对应力的屈服点也随之提高而变得不容易切断，从而切断面从(10-10)面4弯曲而破裂。
在TiB2单晶衬底的场合，上述(10-11)面7与(0001)面2所成的角度为50.9°，与ZrB2单晶衬底1一样，衬底的厚度大致为0.1mm或以下，可以稳定地得到基于(10-10)面4劈开的切断面。
ZrB2单晶衬底的晶格常数a＝3.169。氮化物系化合物半导体GaN和AlN的晶格常数分别为3.189和3.112，因而可以与ZrB2单晶衬底的晶格大致匹配。
另外，GaxAl1-xN之类的氮化物系化合物半导体的混晶，其晶格常数随组成比而发生变化，根据所谓的维加德(Vegard)定律，应取GaN和AlN的晶格常数的中间值，因而它可以与ZrB2单晶衬底的晶格进行很好的匹配。
ZrB2单晶衬底的化学性能稳定，电阻率为数μΩ·cm，将使用氮化物系化合物半导体的二极管和双极晶体管之类的衬底用作电极，作为从元件表面侧向衬底沿纵方向通以电流的纵向型结构元件的衬底是最合适的。另外，ZrB2单晶衬底1的热传导率大致与Si相同，大约是GaAs和蓝宝石衬底的3倍。因此，适用于在ZrB2单晶衬底上形成的氮化物系化合物半导体装置的散热。而且TiB2单晶衬底的晶格常数a＝3.030，比ZrB2单晶衬底1略低一些，但可以与GaN和AlN的晶格大致匹配。此外，ZrB2与TiB2的固溶体(ZrxTi1-xB2)也能用作氮化物系化合物半导体的衬底。
在本发明中，根据厚度设定为0.1mm或以下的(0001)面XB2单晶衬底1，能稳定地获得与氮化物系化合物半导体的劈开面(10-10)面相一致的(10-10)面4的劈开面。此外，XB2单晶衬底1的电阻小、热传导率也高，因此作为氮化物系化合物半导体的衬底是适宜的。
其次，就本发明的ZrB2单晶衬底的实施例进行说明。
图4是表示本发明的ZrB2衬底的实施例的图。图4(a)是本发明的衬底ZrB2的圆形单晶衬底的平面图、图4(b)是其B-B向剖面图。图4(a)所示的ZrB2的圆形单晶衬底与图1一样，都将(0001)面2作为主表面。成为劈开面的(10-10)面4或(11-20)面的位置由取向平面6来表示。图4(b)所示的剖面与图1(b)相同，故将说明省略。
下面就图1所示的ZrB2单晶衬底的制造方法进行说明。
将市售的ZrB2粉末进行粉末成型，并于1400℃左右进行真空烧成，从而制作ZrB2晶体的原料棒。采用高频FZ法将该原料棒单晶化。高频FZ法在Ar气保护气氛中进行，于原料棒的下部配置种晶，自原料棒的下部沿着上方培育单晶。这样得到的ZrB2单晶的晶体取向用X射线确认，并切成(0001)面的板。ZrB2板的厚度在切断时为0.4～0.55mm左右，对其进行研磨加工，使其厚度为0.1mm～0.3mm左右。
其次，如图1所示，测定成为衬底侧面部位的晶体取向，将外边的侧面正确地对准(10-10)面4或(11-20)面，进行规整外形形状的磨削加工。然后，用胶体二氧化硅等磨料研磨加工上述衬底，使其厚度达0.06～0.1mm左右。本发明的ZrB2单晶衬底1在厚度超过0.1mm时难以稳定地劈开，因此考虑由于加工引起的厚度波动，优选将厚度加工成0.1mm左右或以下。
下面就本发明的ZrB2单晶衬底的劈开的实施例进行说明。
如图1所示，沿该晶体的(10-10)面4用金刚石笔对其表面2和背面3划线，施加应力使划线5成为劈开的基线，从而切断厚度为0.06mm的ZrB2单晶衬底1。
图5是从衬底的斜上方观察平行于(10-10)面切断厚度0.06mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的切断部位的放大照片。在该图中，从照片中心区下部起向左斜方向的箭头所表示的线相当于(0001)面2与(10-10)面和(10-11)面7的交线8。该交线8的下部的箭头所示的部位是在ZrB2单晶衬底1上划线的痕迹5。上述交线8的右侧的切断面是(10-10)面4，对与相当于衬底表面的(0001)面2的交线8保持良好的直线性。
在该方法中，也可以从希望发生断裂的断裂面的起点到终点在衬底的背面3上进行完全的划线加工，但在衬底的背面3或表面2的一部分上实施长度2～3mm左右的划线加工并对该划线施加应力时，即使在没有划线的部位也能够自发地沿着(10-10)面4发生切断。这样一来，在使用金刚石笔等划线并施加应力的场合，在与衬底表面的(0001)面2的交线8处，能够保持良好的直线而切断衬底。
图6是将ZrB2单晶衬底的厚度设定为0.1mm或以下而得到良好的切断面时的切断面的X射线背面劳厄(Laue)照片。根据该X射线背面劳厄斑点的花样，表明切断面由(10-10)面4构成，而不是与ZrB2单晶衬底1本来的劈开面相当的(10-11)面7。
进而就本发明的ZrB2单晶衬底的机械切断的实施例进行说明。
下面举出的是针对上述本发明的ZrB2单晶衬底的劈开、运用通常在元件的分割中使用的金刚石刀片的切断装置切断衬底的例子。
将图1所示形状的0.06mm的ZrB2单晶衬底1的(0001)面2沿该晶体的(10-10)面4用切断装置切断。图7是沿(10-10)面借助于切断装置切断厚度0.06mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的切断面的放大照片。如图所示，在(10-10)面4上观察到磨砂玻璃状的精细的断口，能够明显地识别由划线产生的切断面。
下面对本发明的ZrB2单晶衬底的断裂，就增大衬底厚度时的比较例进行说明。
沿该晶体的(10-10)面，在表面或背面从衬底的侧面开始进行2～3mm长的划线，沿着划线施加应力切断厚度0.33mm的ZrB2单晶衬底的(0001)面。图8是从衬底的斜上方拍摄沿(10-10)面使厚度0.33mm的(0001)面ZrB2单晶衬底发生断裂的比较例的断裂部位的照片。在衬底厚达0.33mm时，出现断口弯曲，保持沿着(10-10)面4的直线性的断裂没有发生。
图9是从衬底的斜上方拍摄在厚度0.33mm的(0001)面ZrB2单晶衬底的背面从希望发生断裂的部位的起点到终点进行完全的划线加工而断裂的比较例的断裂部位的照片。在衬底较厚的场合，如果于衬底的背面进行完全的划线加工，则不能用于半导体激光二极管的谐振器的形成，但是根据半导体装置的种类的不同，在元件的分割中，不成问题的使之断裂也是可能的。
下面说明使用本发明衬底的半导体激光二极管(LD)的第2实施方案。
图10是根据本发明的第2实施方案的LD的构造的立体图。图11是表示图10的光路方向的断面的剖面图。本发明的LD10在以(0001)面作为取向的ZrB2单晶衬底1上形成LD构造11。在LD构造11的最上部，设置有带状电极17，在ZrB2衬底1的背面设置有电极18。ZrB2衬底1的厚度优选为0.1mm或以下。与光路21垂直的面即对置端面19(19A、19B)与20(20A、20B)通过劈开而形成。
在此，LD10的法布里-珀罗谐振器，其采用氮化物系化合物半导体的LD构造11的对置端面19A和20A由(10-10)面4构成，并且ZrB2单晶衬底1的对置端面19B和19B具有同样的(10-10)面4。
LD构造11由氮化物系化合物半导体的多层构成，在ZrB2单晶衬底1上依次层叠低电阻化的n型(n+)GaN层12、n型Al0.1Ga0.9N层13、Ga0.9In0.1N活性层14、p型Al0.1Ga0.9N层15、以及低电阻化的p型(p+)GaN层16而形成。为了在n+GaN层12与ZrB2单晶衬底1的界面不形成耗尽层，优选向n+GaN层12中添加浓度尽可能高的Si杂质。进而在工作层11的最上层的p+型GaN层16上，设置面向p层的欧姆电极17、在ZrB2衬底1的背面设置面向n层的欧姆电极18。
在此，成为LD构造11的氮化合物系化合物半导体的多层能够使用AlxGayInzN(其中x+y+z＝1)。另外，本例的LD构造11是所谓的双异质结构，但LD构造11例如可以使用量子阱结构或多重量子阱结构。
下面说明上述构成的实施方案2的LD的特征。形成法布里-珀罗谐振器的氮化物系化合物半导体的劈开面即(10-10)面，与厚度设定为0.1mm或以下的ZrB2单晶衬底1的劈开面即(10-10)面是相同的，因而很容易被劈开，同时能得到平面度较高的镜面。因此，在本发明的LD10的法布里-珀罗谐振器的劈开面中，与使用现有技术例1的蓝宝石为衬底的氮化物系化合物半导体LD40的劈开面相比，能够得到重复性良好的具有平面度非常高的镜面的劈开面19A、20A。由此，LD10的法布里-珀罗谐振器的损耗减小，Q值升高，从而能够使LD10的激光发光的阈值电流得以降低。此外，与根据现有技术例1使用蓝宝石衬底41的氮化物系化合物半导体LD40相比较，在具有导电性的ZrB2单晶衬底1的背面能够形成面向n层的欧姆电极18。由此，本发明的LD10能够获得与III-V族化合物系半导体的LD相同的纵向构造。
根据本发明的LD10，由于能够获得氮化物系化合物半导体的纵向构造LD，所以不必像现有技术例1的LD40那样，在元件上面形成n层的电极48B。由此，根据本发明的LD10，不需要像现有技术例1那样使n+GaN层43暴露在元件上面的工序，能够缩短工序处理的时间，所以成品率提高而成本降低。此外，ZrB2单晶衬底1的热传导率大于蓝宝石衬底41，所以本发明的LD10的散热可以顺利地进行。由此，根据本发明的LD10，能够以更低的结温得到与根据现有技术例1的LD40相同的激光输出，因而可以延长LD10的连续工作时间，能够达成长寿命化的目标，故可靠性得以显著提高。
下面参照图12说明用本发明的衬底制造LD的第3实施方案。如图12(a)所示，首先，在以(0001)面2为取向的ZrB2单晶衬底1上，借助于使用有机金属化合物的CVD法(MOCVD法)或者分子束外延法(MBE法)使n+型GaN层12、n型Al0.1Ga0.9N层13、Ga0.9In0.1N活性层14、p型Al0.1Ga0.9N层15、以及p+GaN层16依次结晶生长，形成氮化物系化合物半导体的LD工作层11。ZrB2单晶衬底1使用图1说明的方形衬底或如图2所示的圆形的圆盘形衬底。ZrB2与氮化物系化合物半导体是同样的六方晶，在ZrB2单晶衬底的(0001)面2上生长的氮化物系化合物半导体，在(0001)轴方向、(10-10)以及(11-20)的方向上，进行与ZrB2单晶衬底1的晶体取向一致的外延生长。
其次，如图12(b)所示，在LD工作层11的最上层的p+GaN层16上，用溅射法或电子束蒸镀法形成成为欧姆电极的金属层，经热处理而形成欧姆电极17。也可以在LD工作层11外延生长完成以后，用CVD法沉积SiO2之类的绝缘体，只在开设窗口的部位形成带状欧姆电极17。
如图12(c)所示，ZrB2单晶衬底1在大约为0.1mm或以下的场合，于ZrB2单晶衬底1的背面用溅射法或电子束蒸镀法形成面向n层的形成欧姆电极18的金属层，经热处理而形成欧姆电极18。另外，在ZrB2单晶衬底的厚度例如为0.3mm的场合，可以在实施研磨工序使ZrB2单晶衬底的厚度成为0.1mm或以下之后形成欧姆电极18。
对经过这样加工的ZrB2单晶衬底1以及LD工作层11，与光路方向垂直地于背面进行划线和点划线(point scribe)，如图所示，在用虚线A表示的部位采用劈开的方法进行切断。该切断面即为ZrB2单晶衬底1的(10-10)面4。
如图12(d)所示，沿ZrB2单晶衬底1的(11-20)面，借助于使用金刚石刀片的切断机切断图中用虚线B表示的部位，分割成多个LD。如图12(e)所示，氮化物系化合物半导体的对置端面19A和20A是氮化物系化合物半导体构成的元件构造的(10-10)面的劈开面，19B和20B是ZrB2衬底31的(10-10)面4。
这样一来，平行于(10-10)面4分割以(0001)面2为主表面的ZrB2单晶衬底1时，LD工作层11的氮化物系化合物半导体的多层的对置端面19A和20A能够做成光滑且平行度较高的面。由此，在ZrB2单晶衬底1上形成的LD10能够形成对置端面19A和20A之间损耗较小的法布里-珀罗谐振器，因此能够使LD10的振动效率得以提高。
下面说明使用本发明衬底的半导体装置的第4实施方案。图13是表示根据本发明第4实施方案的半导体装置的构成的剖面图。本发明的半导体装置30在以(0001)面2为取向的ZrB2单晶衬底31上形成元件构造32。元件构造32是由含有Al、Ga、In之中的至少一种的氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)构成的LED、光检测器、异质结双极晶体管(HBT)、场效应晶体管(FET)、以及基于这些半导体装置的集成电路等半导体元件。
这些半导体装置的ZrB2单晶衬底31的厚度，像LED、光检测器、HBT、以及FET那样，在虽然不是图9所示那种程度的严格的破断线但其元件分离不成问题的情况下，厚度为0.3mm左右时，尽管多少有些起伏，但能够平行于(10-10)面4分割元件。另外，例如在工作频率在微波带或以上的电力用晶体管的HBT和EFT那样的情况下，考虑到散热的需要，ZrB2单晶衬底31的厚度优选为0.1mm或以下。
图14是表示根据本发明第4实施方案的HBT的构成的剖面图。如图所示，元件构造32表面的电极33A和33B分别为发射极和基极。ZrB2单晶衬底3的背面的电极34是集电极。本发明的HBT由于ZrB2单晶衬底31具有导电性，因此能够在其背面形成集电极。根据本发明的HBT，在基于现有技术例1的蓝宝石衬底的HBT中不能实现的纵向构造HBT可以很轻易地实现。
图15是表示根据本发明第4实施方案的FET的构成的剖面图。如图所示，元件构造32表面的电极33A、33B以及33C分别为相当于HBT的发射极、基极以及集电极的源电极、栅电极以及漏电极。在此，于衬底背面形成电极34，能够作为接地电极。源电极33A或栅电极33B例如可以通过偏置孔(bias hole)连接在衬底电极上。这样一来，便能显著降低源电极或栅电极的寄生电感。根据本发明的FET，能够将ZrB2单晶衬底接地，因而能够显著降低寄生电感，并能轻易地提高工作频率。而且可以进行良好的衬底散热，因而使输出功率和效率得以提高。
图16是表示根据本发明第4实施方案的二极管的构成的剖面图。如图所示，元件构造32表面的电极33和ZrB2单晶衬底31的背面的电极34分别为阳极和阴极。阳极和阴极也可以调换位置。在此，适宜的二极管为LED和作为光检测器的管脚(pin)光电二极管以及雪崩光电二极管或变容二极管等。
在此，衬底背面的电极34成为阳极或阴极，因此现有技术例1的蓝宝石衬底作不到的纵向构造的二极管能够轻易地实现。根据本发明的二极管，由于将ZrB2作为氮化物系化合物半导体装置的衬底使用，因此能够轻易地且以低廉的成本制作在衬底侧形成电极的纵向型构造的二极管。
下面就上述构成的实施方案4的半导体装置的特征进行说明。与使用基于比较例1的蓝宝石衬底的氮化物系化合物半导体装置相比较，能够在具有导电性的ZrB2单晶衬底31的背面形成欧姆电极。由此，本发明的半导体装置30能够轻易地实现基于III-V族化合物系半导体的纵向构造的LED和HBT。
根据本发明的LED和HBT之类的半导体装置30，能够实现基于氮化物系化合物半导体的纵向构造的半导体装置，因此不必像现有技术例1那样，在元件上面形成于LED衬底上形成的阳极或阴极以及HBT的漏电极。由此，根据本发明的LED和HBT之类的纵向构造的半导体装置30，不需要使所有的电极暴露在元件上面，能够缩短工序处理时间，因而成品率得以提高。
此外，ZrB2单晶衬底31的热传导率比蓝宝石衬底41更大，因而使本发明的半导体装置30的散热得以良好地进行。由此，根据本发明的半导体装置30，与使用现有技术例1的蓝宝石衬底的半导体装置相比较，可以在更低的温度下工作，所以能够使HBT和FET的输出、效率以及可靠性显著提高。
下面说明使用本发明衬底的半导体装置的制造方法的第5实施方案。
图17表示基于本发明第5实施方案的半导体装置的制造方法。如图17(a)所示，首先在以(0001)面2为取向的ZrB2单晶衬底31上，借助于使用有机金属化合物的CVD法(MOCVD法)或者分子束外延法(MBE法)，形成成为由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)构成的半导体装置的元件构造32的外延层。ZrB2单晶衬底1使用图1说明的方形衬底或图2所示的圆形的圆盘形衬底。其次，如图17(b)所示，在元件表面形成电极等预定的加工完成之后，通过溅射法或电子束蒸镀法于元件构造32形成成为电极33的欧姆电极的金属层，经热处理形成欧姆电极。尽管图中未示出，但在元件构造32的外延生长完成后，也可以由CVD法沉积SiO2之类的绝缘体，只在开设窗口的部位形成电极33。
如图17(c)所示，在ZrB2单晶衬底1的厚度大约为0.1mm或以下的场合，于ZrB2单晶衬底1的背面通过溅射法或电子束蒸镀法形成成为欧姆电极的金属层，经热处理形成欧姆电极34。而且在ZrB2单晶衬底1的厚度为0.1mm或以上例如为0.3mm的场合，可以在实施研磨工序使ZrB2单晶衬底的厚度成为0.1mm或以下之后形成欧姆电极34。对于像这样加工的ZrB2单晶衬底1以及元件构造32，在图中用虚线A表示的部位由使用高速旋转的金刚石刀片的切断装置进行切断。该切断面为与(10-10)面4成直角的面即(11-20)面是适当的。在一片衬底上形成2个或以上的元件的情况下，当进行分离时，应使分离的切断线的至少一条平行于(10-10)面4。在正方形或长方形的元件的场合，使外边的2边平行于(10-10)面4、使其余的2边平行于与先前的外边正交的(11-20)面。
如图17(d)所示，沿ZrB2单晶衬底的(10-10)面4劈开图中虚线B的部位而使之分割成多个，便能够制造本发明的半导体装置30(图17(e))。如图17(e)所示，35A和36A是由氮化物系化合物半导体构成的元件构造的(10-10)面4，35B和36B是ZrB2衬底31的(10-10)面4。在平行于(10-10)面4进行分离的场合，通过使用金刚石笔等的划线针进行划线并施加应力能够轻易地进行分割，不需要切断余量。
下面说明使用本发明衬底的半导体装置的制造方法的第5实施方案的其它实施例。图18表示基于第5实施方案的其它实施例的LED的制造方法。如图18(a)所示，首先在具有(0001)面2的ZrB2单晶衬底31上，借助于使用有机金属化合物的CVD法(MOCVD法)形成成为由氮化物系化合物半导体(AlxGayInzN，其中x+y+z＝1)构成的LED的元件构造32的外延层。ZrB2单晶衬底1使用图1说明的方形衬底或图4所示的圆形的圆盘形衬底。ZrB2单晶衬底1适宜的厚度为0.3～0.35mm左右。
其次，如图18(b)所示，在预定的加工完成之后，利用溅射法或电子束蒸镀法，于元件构造32上通过金属掩模形成成为欧姆电极的金属层，经热处理而形成欧姆电极33。尽管图中未示出，在元件构造32的外延生长完成后，也可以由CVD法沉积SiO2之类的绝缘体，只在开设窗口的部位形成电极33。
其次，如图18(c)所示，在ZrB2单晶衬底1的背面，通过溅射法或电子束蒸镀法形成成为欧姆电极的金属层，经热处理而形成欧姆电极34。其次，从LED构造32的表面侧，由采用高速旋转的金刚石刀片的切断装置切断成小方块状，该切断区为35。此时适宜的切入深度例如为0.2mm～0.25mm左右。该切断面为与(10-10)面4成直角的面即(11-20)面是适当的。在一片衬底上形成2个或以上的元件的情况下，当进行分离时，应使分离的切断线的至少一条平行于(10-10)面4。
在正方形或长方形的元件的场合，使外边的2边平行于(10-10)面4、使其余的2边平行于与先前的外边正交的(11-20)面。切断后也可以进行氮化物系化合物半导体的LED构造32的台面型晶体管蚀刻。
最后，沿上述的切断部位劈开而使之分割成多个。图18(d)是这样制造的LED的立体图。此时，对于LED未必要求直线性优良的断裂面，因此衬底厚度为0.1mm或以下并不是特别要求的。
根据本发明的LED的制造方法，能够轻易地实现使用单晶衬底1的氮化物系化合物半导体的纵向构造的LED。另外，根据该制造方法，能够以更少的工序实现现有技术例1的蓝宝石衬底不能实现的纵向构造的LED。
本发明并不限于上述实施例，在权利要求书所记载的发明的范围内能够做出各种各样的变化，不用说它们也包括在本发明的范围内。毫无疑问，例如对于上述实施方案说明的LD的叠层构造和制造方法，即使构成例如多重量子阱构造等，只要氮化物系化合物半导体的晶体取向在各层之间始终保持使晶体取向一致的外延关系，则依存于断裂时的晶体取向的特征，无论氮化物系化合物半导体多层的叠层构造如何均能适用。
正如从以上的说明可以理解那样，根据本发明，能够轻易地得到沿厚度0.1mm或以下的(0001)面XB2单晶衬底的(10-10)面切断的平坦的劈开面，由于传导性高且热传导率大，因此能够提供最适用于氮化物系化合物半导体装置的衬底。
又根据本发明，在具有沿着(10-10)面的2个劈开面的XB2单晶衬底的主面上，能够以纵向构造实现具备构成LD构造的氮化物系化合物半导体的多层的LD。构成LD的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器的两个对置端面，由于与沿XB2单晶衬底的(10-10)面劈开的劈开面相联系，因而能够提高对置端面的面精度和平行度，能够实现损耗较少的法布里-珀罗谐振器，并能够实现激光振动效率的提高和长寿命化。
而且根据本发明，在XB2单晶衬底上形成成为LD的氮化物系化合物半导体的多层后，通过沿XB2单晶衬底的(10-10)面劈开XB2单晶衬底以及氮化物系化合物半导体的多层而使之分割成多个的工序，能够以极其简单的工序制造高性能的氮化物系化合物半导体的LD。
根据本发明，能够在XB2单晶衬底上形成基于氮化物系化合物半导体的LED、感光元件、HBT以及FET等半导体装置，特别在LED和HBT中能够实现纵向构造的半导体装置。
此外，根据本发明，在XB2单晶衬底上形成基于氮化物系化合物半导体的LD或LED、感光元件、HBT以及FET等半导体装置后，借助于沿XB2单晶衬底的(10-10)面劈开XB2单晶衬底以及氮化物系化合物半导体装置而使之分割成多个的工序，能够以极其简单的工序制造高性能的氮化物系化合物半导体装置。
权利要求
1.一种二硼化物单晶衬底，其是二硼化物XB2的单晶衬底，其中X为Zr或Ti，其特征在于该二硼化物单晶衬底的面取向为(0001)面，且将衬底的厚度设定为0.1mm或以下。
2.根据权利要求1所述的二硼化物单晶衬底，其特征在于所述衬底具有表示为(10-10)面或(11-20)面的取向平面。
3.一种半导体激光二极管，其特征在于在以二硼化物XB2单晶的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体激光二极管。
4.根据权利要求3所述的半导体激光二极管，其特征在于在所述二硼化物XB2单晶衬底上形成的半导体激光二极管的工作层由多层构成，所述二硼化物XB2单晶衬底具有沿(10-10)面的切断面，构成所述多层的半导体激光的谐振器的2个对置端面由平行于所述二硼化物XB2单晶衬底的(10-10)面的劈开面形成。
5.根据权利要求3或4所述的半导体激光二极管，其特征在于所述二硼化物XB2单晶衬底的厚度为0.1mm或以下。
6.根据权利要求3～5的任一项所述的半导体激光二极管，其特征在于所述二硼化物XB2单晶衬底为ZrB2单晶衬底，成为所述半导体激光二极管的工作层的多层由氮化物系化合物半导体AlxGayInzN所构成，其中x+y+z＝1。
7.一种半导体装置，其是在以二硼化物单晶XB2的(0001)面作为取向的衬底上形成的，其中X为Zr或Ti，其特征在于所述二硼化物XB2单晶衬底具有沿(10-10)面由金刚石笔等划线并切断的2个切断面，在相当于所述半导体装置元件的侧面的面中，至少1面具有与所述二硼化物XB2单晶衬底的(10-10)面平行的面。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是半导体激光二极管。
9.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是发光二极管。
10.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是光检测器。
11.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是异质结双极晶体管。
12.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是场效应晶体管。
13.根据权利要求7所述的半导体装置，其特征在于所述半导体装置是集成电路。
14.根据权利要求7～13的任一项所述的半导体装置，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底的厚度为0.1mm或以下。
1 5.根据权利要求7～14的任一项所述的半导体装置，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底为ZrB2单晶衬底，所述半导体装置由氮化物系化合物半导体AlxGayInzN所构成，其中x+y+z＝1。
16.一种半导体激光二极管的制造方法，其特征在于该制造方法包括在以二硼化物单晶XB2的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体激光二极管的工作层的工序，其中X为Zr或Ti，以及沿所述二硼化物单晶XB2衬底的(10-10)面划线并切断将所述二硼化物单晶XB2衬底以及半导体激光二极管的工作层分割成多个的工序。
17.根据权利要求16所述的半导体激光二极管的制造方法，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底以及半导体激光二极管的工作层在沿所述二硼化物单晶XB2衬底的(10-10)面划线并切断而被分割成多个的工序之前，包含将所述二硼化物单晶XB2衬底制成厚度至少为0.1mm或以下的工序。
18.根据权利要求16所述的半导体激光二极管的制造方法，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底的厚度为0.1mm或以下。
19.根据权利要求16～18的任一项所述的半导体激光二极管的制造方法，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底为ZrB2单晶衬底，成为所述半导体激光二极管的工作层的多层由氮化物系化合物半导体AlxGayInzN所构成，其中x+y+z＝1。
20.一种半导体装置的制造方法，其特征在于该制造方法包括在以二硼化物单晶XB2的(0001)面作为取向的衬底上形成半导体元件的工序，其中X为Zr或Ti，以及在分离所述二硼化物单晶XB2衬底上的半导体元件时平行于所述二硼化物单晶XB2衬底的(10-10)面切断元件的工序。
21.根据权利要求20所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述元件的切断工序是借助于劈开进行的。
22.根据权利要求20或21所述的半导体装置的制造方法，其特征在于当分离所述二硼化物单晶XB2衬底上的半导体元件时，在平行于所述XB2单晶衬底的(10-10)面切断元件的工序之前，包括将所述XB2单晶衬底制成厚度至少为0.1mm或以下的工序。
23.根据权利要求20或21所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底的厚度为0.1mm或以下。
24根据权利要求20～23的任一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于所述二硼化物单晶XB2衬底是ZrB2单晶衬底，所述半导体元件由氮化物系化合物半导体AlxGayInzN所构成，其中x+y+z＝1。
全文摘要
一种具有与氮化物系化合物半导体的劈开面相同的劈开面且具有导电性的二硼化物单晶衬底和使用它的半导体激光二极管与半导体装置以及它们的制造方法，其中所述二硼化物单晶衬底为二硼化物XB
文档编号H01L29/93GK1678772SQ0382051
公开日2005年10月5日 申请日期2003年8月21日 优先权日2002年8月26日
发明者大谷茂树, 木下博之, 松波弘之, 须田淳, 天野浩, 赤崎勇, 上山智 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构, 京都陶瓷株式会社