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4444....3333....222 表2 表面表表面処面面処処処理理理理
InP と GaAs を接着する際、表面層に形成された自然酸化膜を除去するため、それぞ れの基板表面の前処理の方法が最初の問題となる。今まで報告された例では、HF、BHF、
硫酸系、K3Fe(CN)6などエッチャントや方法は様々である 23-25）。また本論文では GaAs 系の DBR と InP の接着を最終目的としているので、GaAs に対して硫酸系のエッチャ ントを適用するのはエッチングレートが極めて大きいため適当でない。これは光学波 長の１/４厚に制御して成長した GaAs 系 DBR の最上位層の GaAs 膜厚が、反射率に大 きく影響するためである。そこで(100)面の InP と GaAs に対して自然酸化膜を除去す るエッチャントとして BHF、フルウチ化学社製セミコクリーン 23（pH 12.1）、水で 1/2 に希釈したシプレー社製現像液（pH 12.7）、そして硫酸系（InP のエッチャント用の み）を候補として取り上げ、そのエッチングレートを測定した。本実験において使用 した GaAs、InP 基板は住友電工製のウェハを使用した。キャリア濃度は n 型 GaAs（1-2×1018 cm-3）、n 型 InP（1-2×1018 cm-3）である。エッチング時間は約 60 時間で，室温 放置の状態で行った。また硫酸系エッチング液は調製してから 6 時間以上放置してか ら使用した。この結果を表 4.1 に示す。InP は BHF、セミコクリーンではほとんどエッ チングされないが、BHF でエッチングした InP の表面が鏡面であったのに対し、セミ コクリーンでエッチングした表面のモホロジーは約 100Å以下の凹凸があり荒れてい た。
表 表表
表 444....114 11 各各々各各々々々のののの基基板基基板に板板ににに対対対対すするすするるるエエエエッッチッッチンチチンンンググググレレーレレートーートトト
硫酸：過酸化水素：水 3：1：1 ＢＨＦ セミコクリーン２３
エッチャント
基板
0.36Å/min 3.3Å/min
9.3Å/min ０
（ エ ッ チ ン グ さ れ な い ）
０
（ エ ッ チ ン グ さ れ な い ） GaAs
InP
4444....3333....333 3 IIIInnnnPP、PP、G、、GGGaaaaAAsssAAs、、、、SSSSiiii のの表のの表面表表面面面状状状状態態態態
各々の基板におけるエッチング後の表面状態を表 4.2 に示す。また Si 基板について も同様の実験を行ったので、参考のために付記する。
親水性、疎水性の判断は、正確には表面に水滴をたらして、その接触角度から求め るべきであるが、ここではそういった測定は行っていなく目視で判断している。表 4.2 で示したように、BHF もしくはセミコクリーンの場合は、GaAs 表面がエッチング直
表表表
表 4444....2222 各 各各各々々々々ののエののエッエエッッッチチチチャャンャャンンントトトト後後の後後の表のの表表表面面面面状状態状状態態態
後は親水性であるが、大気に触れると急激に変化して疎水性に変化していく。これは InP は表面が In 原子で終端し、極性が陽イオンであるため OH- イオンと結合しやすいのに 対して、GaAs は As 面の方が安定であるため As 原子が終端となり、理想的な表面状 態が負イオンとなるため H+ イオンと結合しやすいためと推論される。
そこで、最終段階の前処理法の候補として、GaAs 基板については BHF 5 分、セミ コクリーン 3 分、InP 基板について H2SO4:H2O2:H2O＝3:1:1 溶液 15 sec，BHF 5 分とし た。これにより、GaAs は 約 12 Å，InP は 2〜3 Åエッチングされたことになる。InP でセミコクリーンを用いなかった理由は表面モホロジーの劣化を防ぐためである。図 4.2 に作製工程を示す。サンプルの大きさは 6×8 mm2とし、GaAs 基板上を親水性にす る場合は水中で InP と接着した。これは前処理後、大気に触れて表面が疎水性になら ないようにするためである。また疎水性にする場合は、BHF のみの前処理をし、水洗 後、大気中で 2 分間放置し InP と接着をした。接着後サンプルを 160 ℃の温度でホッ トプレート上で 180ｇ程度の荷重（約 360g 重/cm2）をかけ、60 分以上放置し水を完全 に蒸発させた。その後カーボンボート上にサンプルに乗せ、Mo（モリブデン）ブロッ クの荷重をかけ、水素雰囲気中で１時間のアニールを行った。
図 図図
図 4444....2222 W WaaWWaaffffeeerrrr ffffuue uussssiiiioooonnn のnの工のの工程工工程程程
InP
BHF、セミコクリーン
InP GaAs
ホットプレート
160 ℃
InP GaAs Mo ブロック
GaAs GaAs
InP 硫酸系エッチャント、
BHF
荷重
カーボンボート
GaAs InP
Si
BHF セミコクリーン23
親水性→疎水性 親水性→疎水性
親水性 親水性 親水性
親水性 疎水性
硫酸：過酸化水素：水 3：1：1
エッチャント
基板
4444....3333....444 4 表表表表面面状面面状態状状態態態依依依依存存性存存性性性
4.3.3 項で述べた方法で表面のエッチングを行って作製したサンプルの接着状況を表 4.3 に示す。ここでアニール温度の上限を 650 ℃としているが、これは InP 側には最終 的に pn 接合を有する発光層が形成されていることを念頭に置いており、InP 系の成長 層内の p 型ドーパントの拡散を考慮したためである。
表 4.3 から分かるように GaAs と InP の接着状態には表面状態、即ち疎水性か親水性 かが大きな役割を示していることが分かる。GaAs 表面が疎水性の場合は室温及び 160 ℃での処理では接着せず、水素雰囲気中のアニールによって接着される。GaAs 表 面が親水性の場合は、水中からサンプルを取り出しホットプレート上で 160 ℃にして 水を完全に蒸発させると、GaAs と InP は水素結合により既にピンセットでは剥がれな い程度に強く接着していた。また、水中の接着ではなく、窒素雰囲気中において GaAs 表面を N2ブローして InP との接触を行っても、室温で接着が確認された。
次に GaAs 表面を親水性にして接着したサンプルの InP 基板側の機械研磨を試みた。
この結果を同じ表 4.3 にまとめたが、450 ℃以下では研磨中に基板どうしが分離して しまった。この結果よりアニール温度が上昇すれば接着強度が増すことが推測される。
以上より、機械的な耐久性を考慮すると、InP/GaAs の wafer fusion において、GaAs 表面を親水性にして 500 ℃以上でアニールすることが望ましいことがわかった。
表 表表
表 444....334 33 G GaaGGaAaAAAssss 基基基基板板の板板の表のの表表表面面面面状状態状状態の態態ののの違違違違いいにいいににによよよよるる接るる接着接接着着着 アニール温度 疎水性 親水性 研磨後（注２）
650 ℃ ○ ○ ○
600 ℃ ○ ○ ○
550 ℃ ○ ○ ○
500 ℃ △ ○ ○
450 ℃ × ○ ×
160 ℃ (注 3) × ○ × 注１）○接着 △部分的に剥がれる ×接着せず。
注２）研磨は親水性のみ行った。
注３）160 ℃は水素アニール前。
InP GaAs
InP GaAs
InP GaAs
AuGeNi/Au
InP GaAs
(a) (b) (c) (d)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
-3 -2 -1 0 1 2 3
Current (mA)
6 5 0 ℃
6 2 5 ℃ 6 0 0 ℃
5 7 5 ℃ n-GaAs
50 µmf
n-InP