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KR910003465B1 - 광 반도체장치 - Google Patents

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KR910003465B1
KR910003465B1 KR1019880002879A KR880002879A KR910003465B1 KR 910003465 B1 KR910003465 B1 KR 910003465B1 KR 1019880002879 A KR1019880002879 A KR 1019880002879A KR 880002879 A KR880002879 A KR 880002879A KR 910003465 B1 KR910003465 B1 KR 910003465B1
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KR
South Korea
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semiconductor
layer
superlattice
semiconductor device
conductivity type
Prior art date
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KR1019880002879A
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English (en)
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KR880011962A (ko
Inventor
마사히고 곤도우
시게가즈 미나가와
다가시 가지무라
Original Assignee
가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
미다 가쓰시게
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Filing date
Publication date
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Publication of KR880011962A publication Critical patent/KR880011962A/ko
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Abstract

내용 없음.

Description

광 반도체장치
제 1 도는 Al0.5Ga0.5As 혼합결정 반도체와 (AlAs)1(GaAs)1초격자 반도체의 III족 원자배치의 모델을 도시한 도면.
제 2 도는 AlGaAS계 혼합결정 반도체 및 분자층 초격자 반도체에서의 조성과 밴드 갭의 관계를 도시한 도면.
제 3a 도는 실시예 1에 있어서의 반도체 레이저 소자의 단면도.
제 3b 도는 클래드층(33)의 단면 부분 확대도.
제 4 도는 실시예 2에 있어서의 반도체 레이저 소자의 단면도.
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로써, 특히 발광 파장 영역이 넓은 범위에서의 가시광 반도체 레이저를 얻는 기술에 관한 것이다.
광 정보 처리 분야를 중심으로, 보다 파장이 짧은 반도체 레이저가 요구되고 있다. 현재 주류를 이루고 있는 AlGaAs/GaAs계 레이저는 그 밴드 갭의 크기에서 720nm 이하의 발진을 얻는 것을 곤란하다. 이것에 대신해서 AlGaInP/GaAs계 레이저가 주목받고, 마침내 실용화 단계에 있다. 그러나 이 재료에 있어서도 밴드 갭의 크기에 제한되어 600nm 이하의 황색, 녹색, 청색 등의 발진을 얻기 어렵다. 이 계는 예를 들면, "J.Appl.Phys."58권, 1982년 , p4928에 개시되어 있는 바와 같이 III-V족 혼합결정 반도체를 사용하여 실현할 수 있는 최단파장의 재료로 생각되고 있다. 즉, 통상의 혼합결정 반도체를 사용하여 레이저를 실현할 경우 600nm 이하의, 즉 적색 이외의 황색, 녹색, 청색으로 발진하는 반도체 레이저를 얻는 것은 불가능하게 된다.
한편, MBE(Molecular Beam Epitasy), OMVPE(Organo Metalic Vapor Phase Deposition)등의 결정 성장 기술의 진보는 분자층 레벨에서의 막두께의 제어를 가능하게 하였다. 제 1 도에 Al0.5Ga0.5As혼합결정 반도체와 AIAs와 GaAs를 1분자층(monolayer)마다 적층한 분자층(atomic layer)초격자 반도체(이하 (AlAs)1(GaAs)1로 기술한다)의 III족 원자 배치의 모델을 도시한다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이 분자층 두께 정도의 주기를 갖는 초격자 반도체는 예를 들면 평균적인 조성이 같아도 단거리 질서성, 대칭성이 다르기 때문에 등가적으로 같은 조성을 갖는 혼합결정 반도체와는 에너지 띠구조, 즉 밴드 갭이 달라진다고 생각된다. 예를 들면 "J.P.van der Ziel"등에 의해 AlGaAs/GaAs계에 있어서 분자층 초격자의 밴드 갭이 혼합결정 반도체의 그것이 약 100meV를 웃돈다는 보고가 있다(J.Appl.Phys. 48권, 1977년, p3108). 또 이현상의 이론적인 면에서의 취급에 대해서는 예를 들면, T.Nakayama 등 J.Phys. Soc.Jpn 54권, 1985년 p4726~p4734에 이루어져 있다.
제 2 도에 Zeil등의 데이터를 기초로하여 그린 AlGaAs/GaAs계의 혼합결정 반도체 및 분자층 초격자 반도체에서의 조성과 밴드 갭의 관계를 도시한다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이 AlGaAs/GaAs계에서는 분자층 초격자화에 의해 밴드 갭을 증가시켜도 얻어지는 밴드 갭의 범위는 혼합결정 반도체가 얻어지는 범위에 비해 조금도 변하지 않는다. 이와 같은 이유에서 반도체 레이저등의 소자에 응용되는 이점이 거의 없어, 이 현상에 대해서 그다지 관심이 없었다.
또, 지금까지 이 AlGaAs/GaAs계 이외에서 분자층 레벨에서의 초격자 구조를 가지는 반도체가 등가적으로 같은 조성을 갖는 혼합결정 반도체보다 큰 밴드 갭을 갖는 현상이 보여진 예가 없다. 이러한 이유로 (1) 앞서 기술한 바와 같이 소자에서이 응용은 거이 이점이 없어 관심이 저조했다는 것, (2) AlGaAs/GaAs계는 가장 잘 연구되어 있는 계로 기본적인 결정기술이 확립되어 있는 점, (3) 이 계는 구성 재료인 AlAs와 GaAs의 본드 길이가 같고, 조성 재료의 본드 길이가 다른 다른계에 비하면 결정 성장이 매우 쉽고, 특히 복잡한 구성 재료를 강하게 요구하는 일도 적었던 것등을 생각할 수 있다.
한편, 본 발명자는 이 현상에 주목하여 광 반도체장치, 측히 가시광 반도체 레이저에 응용할 수 있는 재료계의 검토를 행하였다.
본 발명의 목적은 통상의 혼합결정 반도체로는 실현할 수 없었던 밴드 갭을 가지는 초격자구조를 소정의 기판위에 실현시켜서 이러한 초격자 구조를 사용한 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 초격자 구조를 사용하는 것에 의해 해당 초격자 구조 전체에 걸친 등가적인 평균 조성과 같은 조성을 갖는 혼합결정 반도체 밴드 갭이 다른 반도체 구조체를 실현할 수 잇다.
본 발명에 관한 초격자 구조는 다음과 같이 구성하고, 이것은 이하 "분자층 초격자(atomic layer superlattice)"라고 칭하기로 한다.
1~10의 1분자층을 단위로 하여 다른 반도체층을 적층한다. 10의 1분자층을 넘으면 재료 본래의 성질이 강하게 나타난다. 따라서, 본래 재료의 적층과 같은 효과밖에 이루지 못한다. 해당 반도체는 적어도 2원재료를 사용한다. 즉 III-V족 화합물 반도체 II-VI족 화합물 반도체를 대표적인 예로 들 수 있다. 보다 구체적으로는 III-V족 화합물 반도체로써는 InP, GaP, InAs, GaAs, AlAs, AlP등, Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로써는 ZnSe, ZnTe, Zns, CdTe등이 그 대표적인 예이다. 물론 2원화합물 반도체가 본 발명에는 가장 바람직하다. 또, 본 명세서에서는 "1분자층"은 상기 각 반도체층 즉 InP의 단위인 화합물 반도체 1층을 의미하고 있다.
해당 초격자구조의 등가적인 밴드 갭의 조정은 초격자 구조를 가지는 반도체 구조 전체의 평균 조성의 선정 및 상술한 1분자층 단위의 적층수에 따라 이루어진다. 이것에 대해 이론적으로 다룬 것은 예를 들면 Journal of the Physical Society of Japan. Vol 54, No.12, 1985, p4726~p4734등을 참작할 수 있다.
또, 결정 성장은 주지한 MBE법, OMVPE법에 따라 행할 수 있다.
이와 같이 반도체층 각각의 층이 1~10이 1분자층 두께 정도인 극히 짧은 주기성으로 구성재료의 1분자층을 적층하여 초격자 반도체를 제작하는 것에 의해 상기 목적은 달성된다. 단, 물질에 따라서 밴드 교차등의 문제가 생기기 때문에 반드시 1분자층씩 적층한 경우가 최대의 밴드 갭을 가지고 등가적으로 같은 조성을 갖는 혼합결정 반도체보다 큰 밴드 갭을 갖는다고 할 수 없으며, 2개의 1분자층 또는 3개의 1분자층씩 적층한 경우가 최대의 밴드 갭을 갖는 경우도 있을 수 있다.
또, 재료에 따라서는 반대로 예를 들면, 6개의 1분자층막 정도의 조금 긴 주기로 구성 재료를 적층한 경우에는 등가적으로 같은 조성의 혼합결정 반도체보다 밴드 갭을 낮추는 것이 가능하다.
본 발명에 관한 분자층 초격자는 이와 같이 통상의 혼합결정 반도체에서는 실현할 수 없었던 밴드 갭을 소정의 기판위에 실현할 수 있으므로 이러한 특성을 이용한 여러 가지 장치에 응용할 수 있다. 그 대표적인 예는 광반도체장치, 즉 반도체 레이저, 발광 다이오드, 발광 소자 또는 그들의 복합 소자등을 들 수 있다.
반도체 레이저에 본 발명은 적용할 경우, 에를 들면, 활성층으로써 분자층 초격자를 사용하는 것, 또는 이른바 클래드층에 그것을 사용하는 것도 가능하다. 그리고 그것에 따라서 여러 가지 이점이 생긴다.
활성층에 사용한 경우, 어제까지의 혼합결정 반도체만으로 반도체 레이저를 구성한 경우 실현할 수 없었던 파장에서의 발진이 가능하게 된다. 또 클래드층에 사용한 경우 활성층과 클래드층 사이의 밴드 갭의 차를 장치의 설계요구에 따라 실현할 수 있다.
구체적인 예를 다음에 기술한다. GaAs기판과 격자 정합하는 ZnSe0.94S0.06을 활성층으로, Zn0.42Cd0.58S를 클래드층을 사용한 이중 헤테로 레이저를 생각해 본다. 활성층 ZnSe0.94S0.06은 직접 천이형의 2.7eV의 밴드 갭을 가지므로 470mm 정도의 레이저를 기대할 수 있다.
그러나, 클래드층으로써 Zn0.42Cd0.58S의 혼합결정 반도체를 사용하는 경우에는 그 밴드 갭이 2.9eV밖에 없고, 활성층과의 에너지차가 거의 없으므로 실온에서의 레이저 발진을 얻는 것은 어렵다.
한편, (ZnS)(CdS)(ZnS)(CdS)(ZnS)(CdS)(CdS)을 1주기로 하는 분자층 초격자 반도체를 클래드층으로써 사용하는 경우에는 격자정수는 Zn0.42Cd0.58S 혼합결정 반도체와 바뀌지 않게 하기 위해 GaAs 기판과 격자정합할 수 있고, 단거리 질서성 증가에 따른 밴드 갭이 상승하므로 Zn0.42Cd0.58S 혼합결정 반도체 대신 클래드층으로 사용하는 것에 의해 안정된 레이저 발진이 얻어지게 된다.
이와 같이 클래드층으로써 사용하는 혼합결정 반도체의 밴드 갭이 작기 때문에 가시광 영역에서의 레이저 발진이 달성되지 않는 계는 이외에도 많이 있어 본 발명의 분자층 초격자 반도체는 유효하게 작용한다.
이하 본 발명이 실시예를 도면을 이용하여 설명한다.
[실시예 1]
제 3a 도에 본 실시예의 적층 구조를 도시한다. 반절연성의 GaAs기판(31)위에 도우프되지 않은 GaAs 버퍼층(32)를 0.1㎛ 두께로 에피택셜 성장시키고, 다음에, (ZnS)(CdS)(ZnS)(CdS)(ZnS)(CdS)(Cds)의 7개의 1분자층을 1주기로 하는 초격자 반도체에 의한 클래드층(33)이 0.5㎛성장한다. 제 3b 도에는 이 초격자 반도체의 적층 상태를 모식적으로 단면도로써 도시한다. 그위에 활성층이 되는 ZnSe0.94S0.06혼합결정 반도체(34)를 0.1㎛ 성장시킨다. 마지막으로 클래드층(35)를 다시 0.5㎛ 성장시킨다. 상기 (32)~(35)의 에피택셜층은 MBE 장치를 원자층 에피택셜 장치를 사용하여 RHEED의 강도를 모니터하면서 II족(또는 III족)셀의 셔터와 VI족(또는 V족)셀의 셔터를 교대로 개폐하여 1원자층씩 적층하였다. 활성층의 ZnSeS는 Se와 S의 셀을 동시에 개폐하는 것에 의해 혼합결정 반도체로 하였다. 이와 같이 하여 얻어진 이중 헤테로 구조를 가지는 웨이퍼는 벽개에 의해 300×500(㎛)2의 사이즈로 칩화한다. 벽개면은 레이저이 공진기 단면을 구성한다. 다음에 400nm의 발진 파장을 갖는 색소 레이저로 광 여기하는 것에 의해 실온에서 470nm의 레이저 발진을 얻을 수 있었다. 또, 본 실시예에서는 광 여기에 의해 레이저 발진을 얻었으므로 에피택셜층으로의 도우핑은 행하지 않는다. 물론 통상의 전류 주입형 반도체 레이저를 구성하는 것도 가능하다. 또 초격자의 적층 상태는 투과형 전자 현미경에 의해 확인되었다.
[실시예 2]
본 실시예는 전류 주입형 반도체 레이저에 본 발명을 적용한 예이다. 본 실시예는 분자층 추격자를 반도체 레이저의 클래드층에 적용한 예이다.
제 4 도에 그 단면 구조를 도시한다. n형(100) GaAs 기판(41)위에 우선 Se 도우프의 n형 GaAs버퍼층(42)를 0.1㎛ 정도 성장시키고, 다음에 Se 도우프의 N형의 InP 2개의 1분자층과 AIP 2개의 1분자층을 교대로 적층한 분자층 초격자에 의한 클래드층(43)은 1㎛ 성장한다. 그위에 활성층이 되는 도우프하지 않은 Al0.25Ga0.25In0.5P 혼합결정 반도체(44)를 1.4㎛ 성장시킨다. 또 그위에 Zn 도우프된 p형의 InP 2개의 1분자층과 AIP 2개의 1분자층을 교대로 적층시킨 분자층 초격자 클래드층(45)를 1㎛ 성장시킨다. 마지막으로 갭층이 되는 Zn 도우프된 p형 GaAs(46)을 0.5㎛ 성장시킨다. 상기의 (42)∼(46)의 에피택셜층은 2개의 반응관을 갖고, 그 반응관내를 기판이 이동하는 것에 의해 분자층 레벨에서의 급격한 헤테로 경계면에 얻어지는 OMCPE 장치를 사용하여 연속해서 결정 성장시켰다. n형과 p형의 캐리어 농도는 모두 1×10-18cm-3으로 일정하게 하였다. 이와 같이하여 얻어진 이중 헤테로 구조를 가지는 웨이퍼에 SiO2전류 저지막(47)과 저항성 전극(48) 및 (49)를 형성하여 줄무늬 레이저를 제작하는 본 레이저는 실온에서 580nm의 황색 레이저 발진을 관측했다. 본 실시예에서는 n형 기판을 사용하였지만, p형 기판을 사용하여 전도형을 반대로 하여도 된다. 또 (InP)2,(AlP)2초격자는 엄밀하게는 GaAs 기판과 격자 정합하지 않으므로 12회에 1회 정도 (InP)2를 2회 계속해서 적충하는 것에 따라 완전히 격자 정합시킬 수 있다. 이 견해는 실시예 1등에도 응용할 수 있다. 또 활성층에는 본 실시예에서 도시한 Al0.25Ga0.25In0.5P외에 GaAs 기판과 격자 정합하는 (AlxGa1-X)0.5In0.5(0
Figure kpo00001
x
Figure kpo00002
0.7)을 사용해도 좋다.
표 1에 실시예와 마찬가지의 방법을 이용하여 제조할 수 있는 반도체 레이저의 예를 도시한다. 이제까지 실현할 수 없었던 "황색","녹색","황녹색"등의 발광색을 얻을 수 있다.
[표 1]
Figure kpo00003

Claims (11)

  1. 다른 반도체 재료층이 주기적으로 적층되고, 각각의 층이 1∼10분자층의 두께를 가지며, 초격자 반도체와 등가적으로 동일한 조성을 갖는 혼합결정 반도체와는 다른 밴드 갭을 갖는 초격자 반도체를 포함하는 광반도체 장치.
  2. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 초격자 반도체는 상기 초격자 반도체와 등각적으로 동일한 조성을 갖는 상기 혼합결정 반도체보다 큰 밴드 갭을 갖는 광반도체 장치.
  3. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 초격자 반도체는 다른 II-VI족 화합물 반도체로 되는 층을 적층하는 것에 의해 구성되는 광반도체 장치.
  4. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 초격자 반도체는 ZnCdS계, ZnTeSe계 및 AlGaInP계로 구성되는 군에서 선택된 것중의 하나인 광반도체 장치.
  5. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 광반도체 장치는 이중헤테로 구조의 반도체 레이저이고, 상기 초격자 반도체는 클래드층인 광반도체 장치.
  6. 특허청구의 범위 제 6 항에 있어서, 상기 이중헤테로 구조의 반도체 레이저는 제 1 도전형의 GaAs기판(41), 상기 GaAs 기판위에 형성된 제 1 도전형의 GaAs 버퍼층(942), 상기 GaAs 버퍼층위에 형성된 제 1도전형의 상기 초격자 반도체로 되는 제 1의 클래드층(43), 상기 제 1의 클래드층(43)위에 형성되어 상기 제 1의 클래드층보다 작은 밴드 갭과 상기 제 1의 클래드층보다 큰 굴절율을 갖는 (AlXGa1-X)0.5In0P(07X
    Figure kpo00004
    0.7)활성층(44), 상기 활성층위에 형성되어 상기 활성층 보다 큰 밴드 갭과 상기 활성층보다 작은 굴절률을 가지며, 상기 제 1도전형과 반대도전형인 제 2도전형의 상기 초격자 반도체로 되는 제 2의 클래드층(45), 상기 제 1도전형과 반대도전형인 제 2도전형의 상기 초격자 반도체로 되는 제 2의 클래드층(45), 상기 제 1도전형의 층과 상기 제 2도전형의 층에 전기적으로 접속된 전극(48,49)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2의 클래드층의 초격자 반도체는 2개의 InP 분자층과 2개의 AIP 분자층을 교대로 적층하는 것에 의해 형성되는 광반도체 장치.
  7. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 광반도체 장치는 이중 헤테로 구조의 반도체 레이저이고, 상기 초격자 반도체는 활성층이며, 상기 초격자 반도체의 밴드 갭은 상기 초격자 반도체와 등가적으로 동일한 조성을 갖는 상기 혼합결정 반도체보다 작은 광반도체 장치.
  8. 특허청구의 범위 제 8 항에 있어서, 상기 이중헤테로 구조의 반도체 레이저는 제 1도전형의 GaAs 기판(31), 상기 GaAs 기판위에 형성된 제 1도전형의 ZnSe로 되는 제 1의 클래드층(33), 상기 제 1의 클래드층위에 형성되어 상기 제 1의 클래드층보다 작은 밴드 갭과 상기 제 1의 클래드층보다 큰 굴절률을 갖는 상기 초격자 반도체로 되는 활성층(34), 상기 활성층위에 형성되어 상기 활성층보다 큰 밴드 갭과 상기 활성층보다 작은 굴절률을 갖는 제 2도전형의 ZnSe로 되는 제 2의 클래드층(35), 상기 제1도전형 및 제 2도전형의 클래드층에 전기적으로 접속된 전극을 포함하고, 상기 활성층의 초격자 반도체는 각각 1분자층에 대응하는 InP, GaP, InP, AlP, InP 및 AIP로 구성되는 1주기를 갖는 광반도체 장치.
  9. 특허청구의 범위 제 6 항에 있어서, 상기 초격자 반도체는 Zn0.2Cd4.58S 혼합결성 반도체와 등가적으로 동일한 조성을 갖는 광반도체 장치.
  10. 특허청구의 범위 제 10 항에 있어서, 상기 이중헤테로 구조의 반도체 레이저는 각각 상기 초격자 반도체로 구성되는 2개의 클래드층(33, 35)와 상기 각각의 클래드층 사이에 마련된 ZnSe0.94S0.06혼합결정 반도체로 되는 활성층(34)를 포함하는 광반도체 장치.
  11. 특허청구의 범위 제 2 항에 있어서, 상기 다른 반도체 재료층의 각각은 화학량론적 반도체 화합물로 이루어지는 광반도체 장치.
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