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KR20060045483A - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20060045483A
KR20060045483A KR1020050028020A KR20050028020A KR20060045483A KR 20060045483 A KR20060045483 A KR 20060045483A KR 1020050028020 A KR1020050028020 A KR 1020050028020A KR 20050028020 A KR20050028020 A KR 20050028020A KR 20060045483 A KR20060045483 A KR 20060045483A
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도루 다카야마
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 반도체 발광 소자는, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1) 계 재료로 이루어지는 제 1 도전형 클래드(clad)층(110)과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1) 계 재료로 이루어지는 배리어(barrier)층 및 In1-xGaxN (0≤x≤1) 계 재료로 이루어지는 우물층으로 구성되는 양자 우물 활성층(115)과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1) 계 재료로 이루어지는 제 2 도전형 클래드층(120)을 구비하고, 상기 각층의 구성 성분의 몰(mol)분율이 상분리를 최소한으로 억제하도록 (x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되고 있다. 이것에 의해, 3원 InGaN로 이루어지는 MQW 활성층을 이용한 GaN계 반도체 발광 소자에 있어서의 누설 전류의 증대를 방지하고, 고출력 동작 가능하며, 장기(長期) 신뢰성을 가지는 발광 소자를 제공한다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도 1A는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 단면 구조 모식도이다.
도 1B는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 다중 웰 활성층의 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 광-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3A 내지 도 3D는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 제조 공정의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 단면 구조 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 광-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6A 내지 도 6C는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 제조 공정의 개략 단면도이다.
도 7A 및 도 7B는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 제조 공정의 개략 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 성장 온도에 대한 InGaAlN계 재료의 구성 성분의 상(相)분리 영역의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 상분리를 회피하기 위한 InGaAlN계 재료에 있어서의 Ga 조성과 Al 조성의 성분 선택 영역을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 상분리를 회피하고, 또한 GaN과 격자 정합하기 위한 InGaAlN계 재료에 있어서의 Ga 성분과 Al 성분의 조성 선택 영역을 나타낸 그래프이다.
도 11은 종래 기술에 있어서의 반도체 레이저의 단면 구조 모식도이다.
본 발명은 반도체 발광 소자의 구조 및 프로세스에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드에 사용되는 3족 질화물 재료를 주요 성분으로 하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
청색 레이저 광원은 디스크 기억 장치, DVD 등의 차세대 고밀도 광디바이스에서는 필수적인 기술이다. 도 11은 종래 기술의 반도체 레이저 장치의 단면도를 나타낸다(비특허문헌 1 참조). 사파이어 기판(5) 상에 질화갈륨(이하, GaN이라 한다) 완충층(10), n형 GaN층(15)이 이 순서로 형성되고, 그 위에 0.1㎛ 두께의 이산 화규소(SiO2)층(20)으로 이루어진 패턴이 형성되며, 그 위에 GaN 결정의 <1-100> 방향으로 12㎛의 주기성으로 4㎛ 폭의 스트라이프 모양의 윈도우(25)가 형성되어 있다. 그 위에, n형 GaN층(30), n형 질화인듐갈륨(In0.1Ga0.9N)층(35), n형 질화알루미늄갈륨((Al0.14Ga0.86N))/GaN) 변조 도프 왜층(歪層) 초격자(이하, MD-SLS라 한다) 클래드(clad)층(40), 및 n형 GaN 클래드층(45)이 순차적으로 형성되어 있다. 그 위에, (In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N) 다중 양자 웰(이하, MQW라 한다) 활성층(50)이 형성되고, 그 위에 p형 Al0.2Ga0.8N 클래드층(55), p형 GaN 클래드층(60), p형 Al0.14Ga0.86N/GaN MD-SLS 클래드층(65), 및 p형 GaN 클래드층(70)이 형성되어 있다.
p형 MD-SLS 클래드층(55)에는, 릿지 스트라이프(ridge stripe) 구조가 형성되어, 릿지 도파 구조내를 전파하는 광분포를 수평 횡방향으로 구속하도록 되어 있다. p형 GaN 클래드층(70)의 위 및 n형 GaN 클래드층(30) 위에는 전극(도시 생략)이 형성되어 전류를 주입하도록 되어 있다.
도 11에 나타내는 구조에 있어서, n형 GaN 클래드층(45) 및 p형 GaN 클래드층(60)은 광도파층이다. n형 MD-SLS 클래드층(40) 및 p형 MD-SLS 클래드층(65)은 MQW층(50)의 활성 영역에 주입된 캐리어와 빛을 구속하는 클래드층으로서 작용한다. n형 In0.1Ga0.9N층(35)은 두꺼운 AlGaN막을 성장시킨 경우의 균열(crack)의 발생을 방지하는 완충층으로서 작용한다.
도 11에 나타내는 구조의 반도체 레이저에서는, 전극을 통하여 MQW 활성층 (50) 내에 캐리어가 주입되어 파장 400nm대의 광이 방출된다. 릿지 스트라이프 영역의 아래쪽에서는 릿지 스트라이프 영역 외보다도 실효 굴절률이 커지므로, p형 MD-SLS 클래드층(65)에 형성된 릿지 도파 구조에 의해서 광분포가 활성층 내의 수평 횡방향으로 구속된다.
한편, 활성층의 굴절률은, n형 GaN 클래드층(45) 및 p형 GaN 클래드층(60)의 굴절률, 게다가 n형 MD-SLS 클래드층(40) 및 MD-SLS 클래드층(60)의 굴절률보다도 커지므로, n형 GaN 클래드층(45), n형 MD-SLS 클래드층(40), p형 GaN 클래드층(60) 및 p형 MD-SLS 클래드층(55)에 의하여 광분포가 활성층 내의 수직 방향으로 구속되어 상기의 작용과 함께 기본 횡모드 발진이 얻어진다.
비특허 문헌 1 : S. Nakamura, MRS 불레틴(MRS BULLETIN) 제 23권 5호 37∼43쪽, 1998년
그러나, 도 11에 나타내는 구조의 경우, AlGaN, InGaN 및 GaN의 격자정수가 서로 다르기 때문에, n형 In0.1Ga0.9N층(35), (In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85N) MQW 활성층(50), n형(Al0.14Ga0.86N/GaN) MD-SLS 클래드층(40), p형(Al0.14Ga0.86N/GaN) MD-SLS 클래드층(65) 및 p형 Al0.2Ga0.8N 클래드층(55)의 전체의 두께가 임계 두께를 초과한 때는, 항상 변형 에너지를 해방시키는 수단으로서, 격자 결함이 발생한다. 격자 결함은 레이저광의 흡수 중심으로서 작용하므로, 발광효율의 저하와 임계값 전류의 상승을 야기시키며, 그 영향은 격자 결함 밀도가 108/cm3 이상으로 현저해진다.
그러나, 상기와 같이 임계 두께를 초과한 때는 108/cm3 보다 작은 자릿수까지 결함 밀도를 저감시키는 것은 곤란하다. 그 결과, 10000시간 이상의 장기 신뢰성을 보증하는 레이저를 실현하는 것이 어려워진다.
특히, 웰(well)층, 배리어층으로 이루어지는 MQW 활성층을 모두 InGaN 재료로 구성한 경우, 활성층은 GaN과 격자정수가 다르므로, 발광층이 되는 활성층 자체가 임계 막 두께를 초과하여 활성층 내에 격자 결함이 생길 가능성이 있어, 그 경우의 신뢰성 저하가 보다 심각해진다.
또한, 반도체 레이저의 고온, 고출력 동작을 실현하기 위해서는, 웰층과 배리어층의 밴드갭 차를 가능한 한 크게 하여, 유도 방출에 의해 발광 재결합하기 전에, 웰층에 일단 주입된 캐리어가 열 에너지에 의해 웰 밖으로 누출되는 것을 막을 필요가 있다.
또, InN, AlN, GaN으로 구성되는 질화물 혼정(混晶) 반도체를 고찰하면, InN-GaN 간, InN-AlN 간 및 GaN-AlN 간의 격자 부정합은 각각 11.3%, 13.9%, 및 2.3%이다. 이 경우, InN, GaN 및 AlN 간에서 원자간 거리는 서로 다르게 되어 있기 때문에, 예컨대 InGaAlN층의 격자정수는 GaN과 동일하게 되도록 조성을 설정하여 주어도, InGaAlN층을 구성하는 각 원자간에 있어서 원자간격이나 결합각의 크기가 2원 화합물 반도체의 경우에 있어서의 이상(理想) 상태의 크기와 다르기 때문에, 내부 변형 에너지가 InGaAlN층 내에 축적된다.
내부 변형 에너지를 저감하기 위해서, InGaAlN계 재료에서는 상분리가 발생 하는 조성 범위가 존재한다. 상분리가 생기면, InGaAlN층 내에 In 원자, Ga원자 및 Al 원자가 각각 불균일하게 분포하게 되어, 각 성분층 내의 원자 몰분율에 따라 균일하게 분포되지 않게 된다. 이것은 상분리가 일어난 층의 배리어갭 에너지 분포나 굴절률 분포도 불균일하게 되는 것을 의미한다. 상분리된 결과, 형성되는 조성 불균일 영역은 광흡수 중심으로서 작용하거나, 또는 도파광의 산란을 발생시킨다. 이 때문에, 상분리가 생기면 반도체 레이저의 구동 전류가 상승하고, 그에 의하여 반도체 레이저의 수명을 단축시키게 된다.
상기 이유로부터, 질화물계 반도체 레이저에서는, 재료의 성질로서 격자 결함이나 상분리가 생기기 쉽기 때문에, 종래의 3원 InGaN으로 이루어지는 MQW 활성층을 이용한 경우, 누설 전류가 커지게 된다는 과제가 있다. 그 결과, 100mW 이상의 고출력 동작 가능하고, 또한, 장기 신뢰성을 가지는 고출력의 반도체 레이저를 얻는 것이 곤란하였다.
본 발명의 반도체 발광 소자는 In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 1 도전형의 제 1 클래드층과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 배리어층 및 In1-xGaxN(0≤x≤1)계 재료로 이루어진 우물층으로 구성되는 양자 우물 활성층과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 2 도전형의 제 2 클래드층을 구비한 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 각 층의 구성 성분의 몰분율이 상 분리를 최소한으로 억제하도록 (x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자의 제조 방법은, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어진 제 1 도전형의 제 1 클래드층과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어진 배리어층과 In1-xGaxN(0≤x≤1)계 재료로 이루어진 우물층으로 구성되는 양자 우물 활성층과, In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어진 제 2 도전형의 제 2 클래드층을 구비한 반도체 발광 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 각 층의 500℃ 이상 1000℃ 이하의 범위에 있고, 또한 상기 각 층의 구성 성분의 몰분율이 상분리를 최소한으로 억제하도록 (x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반도체 발광 소자에 의하면, InGaAlN계 재료로 이루어진 클래드층, 배리어층을, 기판 재료와 격자 정합되게 하는 원자 조성으로 함으로써, 기판과의 격자 부정합에 의한 격자 결함의 발생을 억제할 수 있다.
또, 반도체 레이저를 구성하는 각 층의 원자 조성을 상분리가 생기지 않는 원자 조성 범위로 형성하면, 조성 분리의 발생도 억제할 수 있고, 도파로 손실의 증대를 억제할 수 있다.
게다가, 배리어층의 배리어갭도 Al을 포함하는 InGaAlN계 재료로 형성하면, InGaN으로 이루어지는 배리어층보다도 배리어갭을 크게 할 수 있어, 누설 전류를 저감하는 것이 가능하다. 또, 웰층에 3원계 InGaN을 이용함으로써 InGaN으로 이루 어지는 4원계 재료를 이용하는 것보다도 원자의 조성비를 제어하기 쉽기 때문에, 발진 파장의 제어가 용이해지고, 원하는 발진 파장을 재현성 좋게 얻을 수 있다.
그 결과, 발광 효율을 대폭 향상시킬 수 있어, 고출력 동작에 적절한 청색 내지 녹색 영역의 질화물계 반도체 레이저를 얻을 수 있다.
또, 결정 성장 온도 및 각 층의 구성 성분의 몰분율을 조정함으로써, 상분리를 일으키지 않는 InGaAlN계 재료를 얻을 수 있어, 고품질의 InGaAlN계 재료를 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에 있어서, (x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되고 있다. 이와 같이, Ga 몰분율 및 Al 몰분율을 특정의 비율로 조정함으로써, 반도체 레이저를 구성하는 각 층의 격자정수를 거의 일정하게 할 수 있고, 격자 결함의 발생을 억제할 수 있으며, 특히 비율을 규정함으로써 반도체 레이저를 구성하는 각 층의 격자정수를 GaN의 격자정수와 거의 같게 할 수 있다. 또, GaN층 상에 반도체 레이저를 형성하는 경우, 격자 결함을 저감할 수 있다. (x+1.2y)가 0.9 미만에서는 In1-x-yGaxAlyN층의 격자정수가 GaN에 비해서 1% 이상 커지고, In1-x-yGaxAlyN층에 큰 압축 변형이 생겨 In1-x-yGaxAlyN층에 격자 결함이 생기기 쉬워진다고 하는 결함이 있으며, (x+1.2y)가 1.1을 초과한 경우는 InGaAlN의 격자정수가 GaN의 격자정수보다 1% 이상 작아져, In1-x-yGaxAlyN층에 큰 인장 변형이 생기기 때문에, In1-x-yGaxAlyN층에 격자 결함이 발생하기 쉬워진다고 하는 결함이 있다.
상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에 있어서, (x+1.2y)가 1±0.1의 범위인 것은 격자정수의 차가 기판의 GaN의 격자정수(31.7nm)와 비교해서 -0.74nm 이상, +0.36nm 이하의 범위가 된다. 이것은 GaN 기판과의 격자 부정합의 크기로 하면 -2.33% 이상, +1.13% 이하가 된다. 따라서, 본 발명에서는 상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층은 기판 재료의 GaN과의 격자 부정합이 -2.33% 이상, +1.13% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 0 ≤ x+y ≤ 1 및 1 ≤ x/0.8 + y/0.89의 관계가 성립하는 것이 바람직하다. 상기 결정 성장 온도가 약 500℃ 내지 약 1000℃의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 상기 제 2 클래드층이 적어도 릿지 구조를 가지는 것이 바람직하다. 이것에 의하여, 도파로를 전파하는 광분포가 안정한 기본 횡모드 발진을 얻을 수 있다.
또, 클래드층은 조성 분리를 최소한 억제하는 것이 가능하고, 도파로 손실을 줄이는 것이 가능하며, 또한, 발광부가 되는 활성층에 주입 캐리어의 구속과 활성층에서의 광밀도가 최대가 되는 도파로를 얻을 수 있다.
(제 1 실시예)
(반도체 발광 소자의 구조)
도 1A-B에, 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 반도체 발광소자의 단면도를 나타낸다. 도 1 A-B에 나타내는 바와 같이, n형 GaN 기판(100) 상에, n형 GaN 제 1 클래드층(105)(약 0.5㎛ 두께), n형 In0.05Ga0.75Al0.2N 제 2 클래드층(110)(약 1.5㎛ 두께), In0.02Ga0.85Al0.13N으로 이루어지는 4층의 장벽층(각 3.5nm 두께)(115a)과 그 사이에 개재된 In0.12Ga0.88N으로 이루어지는 3층의 양자 우물층(각 3.5nm 두께)(115b)으로 구성된 다중 양자 우물 활성층(115)이 형성되어 있다.
또한, 그 위에 p형 In0.05Ga0.75Al0.2N 제 3 클래드층(120)(약 1.5㎛ 두께), p형 GaN 제 4 클래드층(125)(약 0.5㎛ 두께)이 형성되어 있다.
본 실시예의 제 1 클래드층(105)과 제 2 클래드층(110)은 N형이며, 본 발명에 있어서의 제 1 도전형의 제 1 클래드층에 상당한다. 또, 본 실시예의 제 3 클래드층(120)과 제 4 클래드층(125)은 P형이며, 본 발명에 있어서의 제 2 도전형의 제 2 클래드층에 상당한다.
본 실시예의 다중 양자 우물 활성층(115)은, 도 1B에 나타내는 바와 같이, In0.02Ga0.85Al0.13N/ In0.12Ga0.88N/ In0.02Ga0.85Al0.13N/ In0.12Ga0.88N/ In0.02Ga0.85Al0.13N/ In0.12Ga0.88N/ In0.02Ga0.85Al0.l3N의 순서로 두께 각 3.5nm로 형성하였다. 즉, 4층의 장벽층 In0.02Ga0.85Al0.13N(각 3.5nm 두께)(115a)과, 그 사이에 끼워진 In0.12Ga0.88N으로 이루어지는 3층의 양자 우물층(각 3.5nm 두께)(115b)으로 구성된 다중 양자 우물 활성층(115)을 형성하였다.
p형 GaN 제 4 클래드층(125) 상에는, 1개의 스트라이프 형상 윈도우 영역(135)(3.0㎛ 폭)를 가지는 SiO2층(13O)이 형성되어 있다.
n형 GaN 기판(100) 상에는 제 1 전극(140)이 형성되어 있고, SiO2층(130) 및 윈도우 영역(135) 상에는 제 2 전극(145)이 형성되어 있다.
활성층(115)에서 405nm의 파장 영역을 가지는 청색광을 방출시키기 위해서, 우물층의 InN 몰분율, GaN 몰분율이 각각 0.12 및 0.88로 설정되어 있다.
본 실시예에서는, 상기한 반도체층 중 4원계 재료로 구성되는 층의 각각에 있어서, 격자 결함의 발생을 회피하기 위해, Ga 조성 x 및 Al 조성 y로서, x+1.2y가 일정한 값에 거의 같아지도록 설정하여, 여러가지 구성층의 격자정수를 서로 일치시키고 있다. 이 일정값은, 1±O.1로 설정하면, GaN과 격자정수를 서로 잘 일치시킬 수 있지만, 더욱 바람직하게는 1±0.05로 설정하는 것이 좋다.
상기에 있어서 우물층에 3원계의 InGaN를 이용하고 있는 것은, InGaAlN계 재료를 이용하는 것보다도 원자 조성비를 제어하기 쉽고, 발진 파장을 보다 정밀하게 제어하는 것이 가능하기 때문이다.
또, 각 층의 재료를 적절히 선택함으로써, n형 제 2 클래드층(110) 및 p형 제 3 클래드층(120)의 밴드갭 에너지가, 도 1B에 나타내는 3층의 다중 양자 우물 활성층(115)의 밴드갭 에너지보다 크게 할 수 있다. 이것에 의해, n형 제 2 클래드층(110) 및 p형 제 3 클래드층(120)으로부터의 주입 캐리어가 활성층(115) 내에 구속되어 캐리어가 재결합하여 자외광을 방출한다. 또한, n형 제 2 클래드층(110) 및 p형 제 3 클래드층(120)의 굴절률이 다중 양자 우물 활성층(115)의 굴절률보다 작기 때문에, 광의 장(場)이 횡방향으로 구속된다.
전극(145)으로부터의 주입 전류는 구속되어 윈도우 영역(135)을 흐르므로, 윈도우 영역(135) 아래쪽의 활성층(115) 내의 영역이 강하게 활성화된다. 이것에 의해, 윈도우 영역(6a) 아래쪽의 활성층내의 국부 모드 이득이 SiO2층 아래쪽의 활성층 내의 국부 모드 이득보다 높아진다. 따라서, 상기한 반도체 적층 구조 내에, 레이저 발진을 초래하는 이득 도파에 의한 도파로가 형성된다.
도 2에, 본 실시예에 있어서의 레이저 다이오드의 전류-광출력 특성을 나타낸다. 레이저 다이오드는 듀티 사이클 1%의 펄스 전류로 구동된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 레이저 다이오드에 있어서, 임계값 전류 밀도는 5.O kA/cm2로 충분히 낮은 값이 얻어질 수 있어, 고출력 레이저의 실현이 가능하게 되었다.
(반도체 발광 소자의 제조 방법)
본 실시예에서는, 상기의 반도체 레이저의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 3A 내지 도 3D는, 제 1 실시예에 관한 반도체 레이저 다이오드의 제조 공정의 개요를 나타낸 도면이다. 도 3A 내지 도 3D로부터 얻어지는 구조는, 도 1에 나타내는 것과 유사하므로, 가능한 경우에는 같은 참조 번호를 사용하는 것으로 한다.
최초에, 도 3A에 나타내는 바와 같이, n형 GaN 기판(100)이 설치되어 있고, 그 위에는, n형 GaN 제 1 클래드층(105)을 성장시킨다. 제 1 클래드층(105)은 통상 약 0.5㎛ 두께이다. 그 후, 통상 약 1.5㎛ 두께의 n형 In0.05Ga0.75Al0.2N 제 2 클래드층(110)이 형성된다.
다음에, 35Å(3.5nm) 두께의 In0.02Ga0.85Al0.13N 재료로 이루어지는 4개의 장벽층과, 각각 약 35Å(3.5nm) 두께의 3층의 In0.12Ga0.88N 재료로 이루어지는 3개의 양자 우물을 형성함으로써, 다중 양자 우물 활성층(115)이 형성된다.
그 후, 약 1.5㎛ 두께의 p형 In0.05Ga0.75Al0.2N 재료로 이루어지는 제 3 클래드층(120)이 형성되고, 또한 약 O.5㎛ 두께의 p형 GaN으로 이루어지는 제 4 클래드층(125)이 형성된다. 통상, 각 층은 유기 금속 화학 증착(MOCVD)법 또는 분자선 에피택시(MBE)법의 어느 하나 또는 각 방법을 병용하여 형성된다.
그 후, 도 3B에 나타내는 바와 같이, p형 GaN 제 4 클래드층(125) 상에, 예컨대, 화학 증착(CVD)법에 따라 SiO2층(13O)이 형성된다. 다음에, 포토리소그래피(photolithography)와 에칭 또는 다른 적절한 방법을 이용하여, 도 3C에 나타내는 바와 같이, 윈도우 영역(135)이 형성된다. 윈도우 영역(135)은, 스트라이프 모양이어도 된다.
마지막으로, 도 3D에 나타내는 바와 같이, 증착 또는 다른 적절한 방법에 의해, n형 GaN 기판(100)과 SiO2층(130) 상에 각각 제 1 전극(140)과 제 2 전극(145)이 형성된다.
(제 2 실시예)
(반도체 레이저의 구조)
다음에, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제 2 실시예에 있어서의 반도체 발광 소자에 대해 설명한다. 도 4에서는, 제 1 실시예와 같은 구성요소는 같은 참조 번호로 나타내었다. n형 GaN 기판(100) 상에, 약 0.5㎛ 두께의 n형 GaN으로 이루어지는 제 1 클래드층(105), 약 1.5㎛ 두께의 In0.05Ga0.75Al0.2N 재료로부터 n형 제 2 클래드층(110)을, 35Å(3.5nm) 두께의 In0.02Ga0.85Al0.13N 재료로 이루어지는 4층의 장벽층과, 그 사이의 3층으로 구성되는 35Å(3.5nm) 두께의 In0.12Ga0.88N 재료로 이루어지는 양자 우물층으로 구성된 다중 양자 우물 활성층(115)(도 1B)이 이 순서로 형성되어 있다. 또한, 그 위에 약 1.5㎛ 두께의 In0.05Ga0.75Al0.2N 재료로 이루어지는 제 3의 p형 클래드층(120), 약 O.5㎛ 두께의 p형 GaN 제 4 클래드층(125)이 형성되어 있으며, p형 제 3 클래드층(120) 및 p형 제 4 클래드층(125)이 부분적으로 제거되어 릿지 구조(500)가 형성되어 있다. 또, 릿지 구조(500)의 적어도 측면부 및 릿지 구조(500) 이외에 잔존하는 제 3 클래드층(120)의 노출 부분을 덮도록 SiO2층(130)이 형성되어 있다. 제 3 클래드층(120) 및 제 4 클래드층(125)의 윗쪽에는, 각각 SiO2층(130)을 개재하여, 약 2.0㎛ 폭의 스트라이프 모양의 윈도우 영역(135)이 형성되어 있다.
또, 제 1 실시예와 마찬가지로, n형 GaN 기판(100) 상에는 제 1 전극(140)이 형성되고, SiO2층(130) 상에는 제 2 전극(145)이 형성되어 있다.
제 1 실시예와 마찬가지로, 활성층(14)에서 405nm 영역의 파장을 가지는 청색광을 방출시키기 위해서, 우물층 내의 InN, GaN의 몰분율이 각각 0.12, 0.88로 설정되어 있다. 또, 4원계 재료인 InGaAlN의 각 구성층의 격자정수를 일치시켜 격자 결함을 회피하기 위해, 모든 층의 Ga 조성 x 및 Al 조성 y는, (x+1.2y)가 일정한 값과 거의 같다고 하는 조건을 만족하고 있고, GaN과 각 층과의 격자정수가 거의 같아지도록 하기 위해서는, (x+1.2y)는, 1±0.1, 더욱 바람직하게는 1±0.05로 설정하는 것이 좋다.
비교를 위해서, n형 In0.05Ga0.75Al0.2N 제 2 클래드층, 및 p형 In0.05Ga0.75Al0.2N 제 3 클래드층의 Ga 및 Al 조성이 아래 표와 같이 설정되고, 그 외의 구성층의 Al 및 Ga 조성은 제 2 실시예와 동일되는 레이저의 작성을 행하여, CW, 60℃, 30mW에서 신뢰성 평가를 행한 결과를 나타낸다. 동작 전류값이 신뢰성 평가 개시시에 비해 20% 이상 증대한 시간을 소자의 수명으로 하고, 1000시간 이상의 수명의 있음, 및 없음으로, 신뢰성 OK, 및 NG의 판정을 행하였다. 결과는, 아래 표에 나타내는 바와 같이, (x+1.2y)가 1±O.1 이내인 경우, 신뢰성은 OK가 되고, 이 범위 외의 소자의 신뢰성은 NG로 되어 있다. 이것은, (x+1.2y)가 0.9 미만에서는 In1-x-yGaxAlyN층의 격자정수가 GaN에 비해 1% 이상 커지고, In1-x-yGaxAlyN층에 큰 인장 변형이 생기기 때문에 In1-x-yGaxAlyN층에 격자 결함이 생기기 쉬워져, (x+1.2y)가 1.1을 초과한 경우는 InGaAlN의 격자정수가 GaN의 격자정수보다 1% 이상 작아지고, In1-x-yGaxAlyN층에 큰 인장 변형이 생기기 때문에, In1-x-yGaxAlyN층에 격자 결함이 생기는 결과, 동작 전류값의 증대를 초래한 것으로 생각된다.
하기 표 l에 클래드층의 Al 및 Ga 조성을 변경한 경우의 신뢰성 평가 결과를 나타낸다.
In 조성 1-x-y Ga 조성 x Al 조성 y x+1.2y 신뢰성 평가 결과
0.17 0.63 0.2 0.87 NG
0.14 0.66 0.2 0.9 OK
0.05 0.75 0.2 1.0 OK
0.0 0.5 0.5 1.1 Ok
0.0 0.4 0.6 1.12 NG
(비고) 신뢰성 평가 결과는, CW, 60℃, 30mW의 조건에서, 동작 전류값이 신뢰성 평가 개시시에 비해 20% 이상 증대한 시간을 소자의 수명으로 하여, 1000시간 이상의 수명의 있음은 OK, 없음은 NG로 하였다. 여기서 CW란, 연속 발진(continuous wave) 조건이다.
본 실시예에 의하면, 클래드층의 밴드갭 에너지가 활성층의 밴드갭 에너지보다 큰 값으로 유지되어 자외광의 방출이 가능하게 되어 있다. 또, 각 층의 굴절률의 관계는 제 1 실시예에 관련하여 설명한 대로이며, 광분포를 횡방향으로 구속하게 되어 있다.
제 1 실시예의 동작과 마찬가지로, SiO2층(130)에 의해서 활성층(115)에 전류가 주입되는 영역이 제한되어, 활성층(115)에 있어서의 윈도우 영역(135)의 아래쪽 영역이 강하게 여기된다.
그 결과, 윈도우 영역(135) 아래쪽의 활성층 내의 국부 모드 이득이 SiO2층(130) 아래쪽의 활성층 내의 국부 모드 이득보다 높아진다. 이것에 의해, 릿지 구조(500)의 바깥쪽과 비교하여, 그 안쪽에 있어서 횡방향의 실효 굴절률이 상대적으로 높아지는 것과 함께, 실효적인 굴절률의 차(Δn)가 얻어진다.
따라서, 제 2 실시예에 의하면, 실제 굴절률 도파 기구를 가지는 반도체 레이저 구조를 얻을 수 있게 되어, 기본 횡모드로 동작 가능한 임계값 전류 레이저 다이오드가 제공된다.
도 5는 제 2 실시예에 관한 레이저 다이오드의 전류-광출력 특성을 그래프 형식으로 나타낸 도면이다. 레이저 다이오드는 지속파 전류로 구동된다. 임계값 전류는 30mA인 것을 알 수 있다. 또, 1OOmW 이상의 고출력 동작을 얻을 수 있었다.
이와 같이 본 실시예에 의하면, 배리어층에 밴드갭이 큰 InGaAlN으로 이루어지는 배리어층을 이용하여 누설 전류를 저감함과 동시에, 각 층의 상분리를 일으키지 않도록 하였으므로, 특히 클래드층에서의 도파 손실을 작게 할 수 있어, 고출력 동작시에 있어서도 열포화하지 않고, 온도 특성이 개선되어, 고출력의 레이저를 실현할 수 있다.
(반도체 레이저의 제조 방법)
도 6A 내지 도 7B에, 제 2 실시예에 있어서의 반도체 레이저의 주요 제조 공정의 개요를 나타낸다. 우선, 도 6A 및 도 6B에 나타내는 바와 같이, n형 GaN 기판(100) 상에, 제 1 및 제 2 클래드층(105, 110) 및 3층의 다중 양자 우물 활성층(115)(도 1B)을 형성한다. 이 형성 방법은 제 1 실시예에서 개시한 것과 같다. 그 후, 제 3 클래드층(120) 및 제 4 클래드층(125)이 형성된 후, 또한 리소그래피와 에칭에 의해, 그들의 일부가 제거되어 릿지 구조(500)가 형성된다.
그 후, 도 6C, 도 7A 및 도 7B에 나타내는 바와 같이, 제 3 클래드층(120) 및 제 4 클래드층(125) 상에, 통상은 CVD법에 의해 SiO2층(130)이 형성되며, 그 후, 제 1 실시예에서 나타낸 것과 마찬가지로, 윈도우 영역(135)이 형성된다. 그 후, 전극(140, 145)이 증착 또는 다른 적절한 방법에 의해 형성된다.
도 8은, 다양한 성장 온도에 대한 InGaAlN계 재료의 구성 성분의 상분리 영역을 나타내고 있다. 도 8에 있어서, 실선으로 나타낸 곡선은, 다양한 온도에 관하여 조성적으로 불안정한 영역(상분리 영역)과 안정한 영역과의 사이의 경계를 나타내고 있다. 예를 들면, InN-AlN 간을 연결하는 직선(삼각형으로 나타낸 상(相)을 나타내는 도면의 한 변을 이룬다)과 곡선으로 나타낸 경계선으로 둘러싸인 영역은, InAlN에 있어서의 상분리 영역을 나타내고 있다. 3원계 재료인 InAlN 및 InGaN은, InN-AlN 간 및 InN-GaN 간의 격자 부정합이 크기 때문에, 상분리 영역이 큰 것을 알 수 있다. 한편, GaAlN은, 약 1000℃에서 결정 성장을 행한 경우에서도, AlN과 GaN과의 사이의 격자 부정합이 작기 때문에, GaN-AlN 간을 연결하는 직선과 곡선으로 폐영역을 구성하지 않는, 즉, 상분리 영역이 없음을 알 수 있다.
또, 도 8로부터 예측되는 바와 같이, 결정 성장 온도가 한층 더 저온, 예를 들면, 약 500℃ 내지 약 1000℃의 범위 내에 있을 때, In 조성, Ga 조성 및 Al 조성의 상분리가 의미가 있게는 발생하지 않는 InGaAlN 재료계가 존재하는 것을 알 수 있다.
약 1000℃보다 낮은 결정 성장 온도에서, InGaAlN 내에서의 상분리를 회피하기 위한 Ga 조성 Al 조성의 조성 선택 영역은, 도 9에 나타낸 사선 영역이며, 2개의 영역을 분리하는 경계는, Ga 조성을 x, Al 조성을 y로 했을 때, 하기 식 1로 표현되는 관계에 의해서 근사적으로 정의되는 것을 알았다.
X/0.8 + y/0.89 = 1 (식 1)
따라서, 지금까지 개시한 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 있어서, 레이저의 반도체 재료로 이루어지는 각 구성층에 있어서의 Ga 조성 x 및 Al 조성 y가, 하기 식 2의 관계를 만족하고, 각 구성층의 결정 성장을, 약 500℃ 내지 약 1000℃까지의 온도 범위에서 행함으로써, 반도체 레이저 내의 InGaAlN계 재료로 이루어지는 구성층 내에서 상분리 현상을 회피할 수 있다.
0 ≤ x+y ≤ 1 및 1 ≤x/0.8 + y/0.89 (식 2)
그 결과, 원하는 원자 몰분율에 따라서 각 구성층 내에 In 원자, Ga 원자 및 Al 원자를 거의 균일하게 분포시키는 것이 가능하게 되어, 밴드갭 에너지 분포나 굴절률 분포를 균일하게 할 수 있다. 이것에 의해, 광흡수 중심 밀도를 저감할 수 있거나 도파광의 산란을 방지시킬 수 있으며, 나아가서는 클래드층, 배리어층에서의 도파로 손실을 저감하는 것이 가능하게 된다.
또, InGaN계 재료로 이루어지는 웰층에 있어서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, In 조성은 0.2 이하이면 상분리를 일으키지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 청색을 발광시키기 위한 밴드갭 설계로부터 생각하면, 웰층의 In 조성은 0.2 이하일 필요가 있다.
따라서, In 조성 0.2 이하인 InGaN를 웰층에 이용하면, 상분리를 일으키지 않고, 균일성이 뛰어난 층 성장을 실현할 수 있어 양호한 청색 발광을 실현할 수 있다.
또한, 청색을 발광시키는 경우는, 4원계의 InGaAlN계 재료를 이용하는 것보다도, 조성 제어가 용이한 InGaN을 웰층에 이용하는 편이 발진 파장의 제어성을 높이기 때문에, 유효하다.
도 10은, 약 1000℃보다 낮은 성장 온도에 있어서, InGaAlN계 재료의 상분리 현상을 회피하기 위한 Ga 조성 x 및 Al 조성 y의 조성 선택 영역을 나타낸다. 도 10에 있어서, x+1.2y=1이 되는 직선을 굵은 선으로 나타내고 있다. 이 선 상에 있는 InGaAlN계 재료의 격자정수는 GaN의 격자정수와 동일해진다. 따라서, GaN 기판 상에 형성된 레이저에 있어서의 InGaAlN계 재료로 구성되는 층에 관해서는, x+1.2y가 거의 1과 동일하고, 또 (식 2)로 나타내는 관계를 만족함으로써, GaN 기판 상에, 결함 밀도가 낮고, 상분리가 전혀 없거나 매우 적은 반도체 레이저를 제조할 수 있다.
또, 제 1 및 제 2 실시예에 있어서, 활성층의 배리어층으로서 GaN과 격자 정합하는 InGaAlN계 재료를 이용하고 있기 때문에 웰층으로의 격자 결함의 발생을 억제할 수 있다.
따라서, 상기의 실시예에서, 클래드층으로서 4원계의 InGaAlN계 재료를 이용한 예를 나타냈지만, GaN와 격자정수의 차가 비교적 작은 AlGaN으로 이루어지는 3 원계 재료로 해도 된다.
또, 본 발명은, 제 1 및 제 2 실시예에서 개시한 각 층의 막 두께나 조성, 제법, 레이저의 구조 등에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상의 범위내에 있으면 자유롭게 선택할 수 있다.
또, 상기의 실시예에서는 상술하고 있지 않지만, 본 발명은 단면(端面) 방사형의 반도체 레이저에 한정하지 않고, 면발광형의 반도체 레이저에 적용해도 되며, 또, 발광 다이오드 등에 적용해도, 그 효과를 발휘한다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 관한 반도체 발광 소자는, GaN계 반도체 레이저, 특히 고출력용으로서 특히 유용하다.

Claims (13)

  1. In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 1 도전형의 제 1 클래드층과,
    In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 배리어층 및 In1-xGaxN(0≤x≤1)계 재료로 이루어지는 우물층으로 구성되는 양자 우물 활성층과,
    In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 2 도전형의 제 2 클래드층을 구비한 반도체 발광 소자로서,
    상기 각 층의 구성 성분의 몰분율(x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에서, (x+1.2y)가 1±0.05인, 반도체 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층은, 기판 재료의 GaN과의 격자 부정합이, -2.33% 이상, +1.13% 이하인, 반도체 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드층이, 적어도 릿지 구조를 가지는, 반도체 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에서, 0≤x+y≤1 및 1≤x/0.8 + y/0.89의 관계가 성립하는, 반도체 발광 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드층 상에, 또한 1개의 스트라이프 모양 윈도우 영역이 되도록 전기적 절연층을 형성한, 반도체 발광 소자.
  7. In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 1 도전형의 제 1 클래드층과,
    In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 배리어층 및 In1-xGaxN(0≤x≤1)계 재료로 이루어지는 우물층으로 구성되는 양자 우물 활성층과,
    In1-x-yGaxAlyN(0≤x, y≤1)계 재료로 이루어지는 제 2 도전형의 제 2 클래드층을 구비한 반도체 발광 소자의 제조 방법으로서,
    상기 각 층이 500℃ 이상 1000℃ 이하의 범위이고, 상기 각 층의 구성 성분 의 몰분율(x+1.2y)가 1±0.1의 범위로 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에서, (x+1.2y)가 1±0.05인, 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층은, 기판 재료의 GaN과의 격자 부정합이, -2.33% 이상, +1.13% 이하인, 반도체 발광소자의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 클래드층, 상기 배리어층, 상기 우물층, 상기 제 2 클래드층에서, 0≤x+y≤1 및 1≤x/0.8 + y/0.89의 관계가 성립하는, 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 결정 성장 온도가 700℃ 이상 1100℃ 이하의 범위인, 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 클래드층이, 적어도 릿지 구조를 가지는, 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  13. 상기 제 2 클래드층 상에, 또한 1개의 스트라이프 모양 윈도우 영역이 되도록 전기적 절연층을 형성한, 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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