KR100362862B1 - 화합물 반도체 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 화합물 반도체 레이저는, Ⅲ족 질화물 반도체에 의해 화합물 반도체 레이저에 있어서, 기판(101) 상의 제1 도전형을 갖는 제1 클래드층(104)과, 상기 제1 클래드층 상의 활성층(106)과, 상기 활성층(106) 상의 제2 도전형을 갖는 제2 클래드층(108)과, 상기 제2 클래드층(108) 상에 형성되고, 전류를 상기 활성층의 선택된 영역에 협착시키기 위한 개구부를 갖는 매립층(110)을 구비하고 있고, 상기 제2 클래드층(108) 상부는 릿지부를 구비하고, 상기 릿지부는 상기 매입층(110)의 개구 부분에 위치하고 상기 매립층(110)은 상기 활성층(106)으로부터 발하는 광을 실제적으로 흡수하지 않고, 또한 상기 제2 클래드층(108)과 거의 동일한 값의 굴절율을 갖는다.

Description

화합물 반도체 레이저{COMPOUND SEMICONDUCTOR LASER}
도 1은 종래의 릿지 도파형 III족 질화물계 반도체 레이저를 도시하는 단면 개략도이다. 도 1의 반도체 레이저는 사파이어 기판(201) 상의 GaN 버퍼층(202), n-GaN 컨택트층(203), n-InGaN 완충층(204), n-AlGaN 클래드층(205), n-GaN 가이드층(206), InGaN계 MQW 활성층(207), p-AlGaN 캡층(208), p-GaN 가이드층(209), p-AlGaN 클래드층(210), p-GaN 컨택트층(211)으로 이루어지는 적층 구조를 갖는다. 사파이어 기판은 절연성이므로, n형 전극을 부설하는 영역을 노출하기 위해, 적층 구조의 일부는 n형 컨택트층(203)까지 파여져 있다. 또한, 메사 구조의 일부는 릿지 도파로를 형성하기 위해 p형 클래드층(210)까지 파여진다. 이들의 가공 시에는, 드라이 에칭법이 사용되며, 에칭 부분을 보호하기 위해 SiO2보호막(214)이 부가되어 있다.
도 2는 광 가이드층을 갖지 않는 소자 구조에 있어서의, p-클래드층 잔류막 두께와 스트라이프(릿지부) 내외의 실효 굴절율차의 관계(도 2에서 도시되는 종래의 곡선)를 도시한다. 종래의 릿지 도파형 III족 질화물계 반도체 레이저에서는, 도 2에서 도시된 바와 같이, 릿지부와 릿지 외부에 있어서의 p-AlGaN 클래드층(210)의 두께 차에 의한 굴절율 차를 이용하여, 도 1의 (A)부와 도 1의 (B)부에서의 실효적인 굴절 분포를 형성하고, 횡모드의 제어를 행하고 있는 것이다. 도 1의 (B)부의 실효적인 굴절율 제어는 에칭시키지 않고 남아있는 p-AlGaN 클래드층(210)의 막두께 T를 조절하여 행해진다.
이에 의해, 실온에서의 연속 통전에 의해 수직 방향의 광 방사각이 34°, 수평 방향의 광 방사각이 7°인 광학적 특성이 얻어진다. 또한, 실온에서의 연속 통전 경우의 소자 수명은 35시간 정도이다. 도 3은 종래의 릿지 도파형 III족 질화물계 반도체 레이저의 실온에서의 연속 통전시의 동작 전류의 변화를 도시하고 있다.
그러나, 도 1에서 도시한 바와 같이, 종래의 릿지 도파형 III족 질화물계 반도체 레이저에서는, 횡모드 특성을 갖춘 반도체 레이저를 수율 좋게 제조하는 것이 매우 곤란하다는 문제가 있었다. 그 이유는, III족 질화물 반도체에는 적절한 화학 에칭액이 존재하지 않기 때문에 에칭시에는 RIE나 RIBE 등의 드라이 에칭이 이용되지만, 적절한 에칭 스톱층이 존재하지 않으므로, 도 1의 (B)부의 p-AlGaN 클래드층(210)의 막두께 제어를 시간 제어에 의해 행하는 등의 정밀도가 낮은 기법을 취할 수 밖에 없었기 때문이다. 이 때문에, p-AlGaN 클래드층(210)의 막 두께가 로트마다, 또는 동일 웨이퍼의 면내에서 변동하여 횡모드의 제어성이 현저히 떨어져 생산 수율이 저하된다.
다른 문제점으로서는, 실온에서의 연속 통전에 있어서의 소자 수명이 짧다는 것을 들 수 있다. 이는, 스트라이프형 릿지 형상을 형성할 때의 가공 방법에 드라이 에칭을 사용하는 것에 기인한다는 것이 본 발명자에 의해 확인되었다. 보다 구체적으로 말하자면, 상기 문제점은 에칭 처리에 의해 에칭되는 반도체층의 측면 및 저면이 손상을 받아, 결정 결함을 발생시키는 것과, 릿지 측면 및 릿지 외부의 p-AlGaN 클래드층 상을 피복하는 SiO2보호막(214)의 SiO2에 핀홀이 다량 존재하여, 사실상, 해당 결정면의 보호를 충분히 행할 수 없는 것에 기인한다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명이 목적으로 하는 바는 높은 생산 수율로 제조할 수 있는 단일 횡모드 특성을 갖는 반도체 레이저를 제공하는데 있다.
<발명의 개시>
본 발명에 의한 III족 질화물 반도체에 의한 화합물 반도체 레이저는, 기판 상의 제1 도전형을 갖는 제1 클래드층과, 상기 제1 클래드층 상의 활성층과, 상기 활성층 상의 제2 도전형을 갖는 제2 클래드층과, 상기 제2 클래드층 상에 형성되고 전류를 상기 활성층의 선택된 영역에 협착하기 위한 개구부를 갖는 매립층을 구비하고, 상기 제2 클래드층의 상부는 릿지부를 갖고, 상기 릿지부는 상기 매립층의 상기 개구부 내에 위치하고, 상기 매립층은 상기 활성층으로부터 발하는 광을 실질적으로 흡수하지 않고, 또한 상기 제2 클래드층과 거의 동일한 값의 굴절율을 가짐으로써 상기 목적이 달성된다.
다른 실시예에서는, 상기 제2 클래드층의 상부 상에는 상기 제2 도전형을 갖는 상기 제2 클래드층보다 높은 값의 굴절율을 갖는 광 가이드층과, 상기 제2 도전형을 갖는 제3 클래드층과, 상기 제2 도전형을 갖는 컨택트층이 기술된 순서로 형성되어 있다.
다른 실시예에서는, 상기 광 가이드층이 InGaAlN으로 형성되어 있다.
다른 실시예에서는, 상기 매립층은 TiO2, ZrO2, HfO2, CeO2, In2O3, Nd2O3, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, ZnO를 함유하는 그룹 중에서 적어도 1종류 이상의 화합물을 포함하는 유전체막이다.
다른 실시예에서는, 상기 매립층은 ZnMgCdSSe 화합물 반도체에 의해 형성되어 있다.
다른 실시예에서는, 상기 매립층은 상기 제2 클래드층과 거의 동일한 조성의 반도체에 의해 형성되어 있다.
다른 실시예에서는, 상기 매립층은 절연성, 또는 상기 제1 도전형을 갖는다.
다른 실시예에서는, 상기 제2 클래드층의 상부의 위에는, 상기 제2 도전형을 갖는 컨택트층이 형성되어 있다.
본 발명에 의한 다른 화합물 반도체 레이저는 III족 질화물 반도체에 의한 화합물 반도체 레이저로서, 기판 상의 제1 도전형을 갖는 제1 클래드층과, 상기 제1 클래드층 상의 활성층과, 상기 활성층 상의 제2 도전형을 갖는 제2 클래드층과, 상기 제2 클래드층 상에 형성되고 전류를 상기 활성층의 선택된 영역에 협착하기 위한 개구부를 갖는 광 반사층을 구비하고, 상기 광 반사층의 상기 개구부 내에는 상기 제2 도전형을 가지며 상기 제2 클래드층과 거의 동일한 조성의 반도체에 의한 층이 형성되고, 상기 광 반사층은 상기 제2 클래드층보다도 낮은 값의 굴절율을 가짐으로써 상기 목적이 달성된다.
다른 실시예에서는, 상기 광 반사층은 InGaAlN에 의해 형성되어 있다.
다른 실시예에서는, 상기 광 반사층은 절연성, 또한 상기 제1 도전형을 갖는다.
다른 실시예에서는, 상기 광 반사층의 상에는 상기 제2 도전형을 갖는 제3 클래드층과,상기 제2 도전형을 갖는 컨택트층이 형성되어 있다.
이하에서는, 본 발명에 의한 작용을 설명하기로 한다.
본 발명에서는, 에칭량의 변화에 대해 횡모드가 변화하지 않도록한 소자 구조를 제공하여, 특성을 갖춘 릿지 도파형 III족 질화물 반도체 레이저를 효율 좋게 제조하는 것을 가능하게 한다.
또한, 에칭에 의해 형성된 릿지형 스트라이프 외부에 핀홀이 적은 유전체층, 또는 반도체층을 두껍게 형성하고 사실상 릿지형 스트라이프를 매립하는 구조로 함으로써, 에칭 가공시에 발생하는 손상에 의한 결정 결함이 연속 통전 동작에 의해서도 활성층으로 전달되지 않아, 동작 수명을 현저히 향상시킨 소자를 실현한다.
또는, 에칭에 의해 형성된 오목형 홈부를 전류 통로로 하기 때문에, 또는 반도체층으로 매립하는 구조로 함으로써도, 에칭 가공 시에 발생된 손상에 의한 결정 결함이 연속 통전 동작에 의해서도 활성층으로 전달되지 않아, 동작 수명을 현저히 향상시킨 소자를 실현한다.
광 가이드층을 갖지 않는 소자 구조에 있어서, 에칭된 부분을 p-클래드층과 동일한 굴절율을 갖는 재료로 매립한 경우의, 스트라이프 내외의 실효적인 굴절율차를 도 2에서 도시한다(도 2의 본 발명의 선), 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 릿지부 내외에서의 굴절율차는 없어진다. 한편, 릿지 매립층의 전류 협착 작용에 의해 활성층에 있어서의 릿지 바로 아래부와 매립층 바로 아래부에서 이득차가 생겨, 그 결과 횡모드의 제어가 이루어진다. 상기 횡모드에 있어서는, 릿지 형성을 위한 에칭 프로세스의 에칭 깊이에 대한 오차 허용 범위가 넓고 횡모드 제어성이 안정되어. 특성을 갖춘 레이저 소자의 생산 수율이 향상된다.
또한, 이들 매립 재료는, 레이저 발진 파장의 광에 대해 투명하므로 광 흡수에 의한 열 발생 등이 없고, 제2 클래드층과 거의 동일한 굴절율을 가지므로 레이저의 횡모드에 영향을 주지 않아 매립층으로서 적합하다. 또, 에칭에 의해 형성된 릿지형 스트라이프부를 매립층에 의해 매립하므로, 에칭 가공 시에 생긴 손상에 의한 결정 결함이 연속 통전 동작에 의해서도 활성층으로 전달되지 않아, 동작 수명을 현저히 향상시킨 소자를 실현한다. 또, 매립층의 재료로서 제2 클래드층과 거의 동일한 조성의 III족 질화물 반도체를 사용한 경우에는 매립층과 다른 에피택셜층 간의 격자 정수차가 해소되므로, 열 변형 등의 응력이 소자에 미치는 영향을 회피할 수 있게 된다.
도 4는 광 가이드층을 갖는 소자 구조에 있어서의, p-클래드층 잔류 막두께와 스트라이프 내외의 실효적인 굴절율차(도 4에 있어서의 종래예), 및 에칭부를 p-클래드층과 동일한 굴절율을 갖는 재료로 매립하는 경우의 스트라이프 내외의 실효적인 굴절율차(도 4에 있어서의 본 발명)를 도시한다. 상기와 같이, 광 가이드층이 릿지부에 포함되는 구조를 가짐으로써, 도 4에서 도시된 바와 같이, 릿지 내부의 실효적인 굴절율이 커져, 횡방향의 광 분포 영역이 보다 중앙으로 집중하게 되어 상기와 같은 이득차를 이용한 릿지 도파형 레이저보다도 횡모드 제어가 용이하게 된다. 매립층을 갖지 않거나 또는 매립층의 굴절율이 제2 클래드층의 굴절율과 다른 경우에는, 릿지 외부의 제2 클래드층의 두께(에칭 잔류 막두께)가 릿지 외부에서의 실효 굴절율의 값과 관여하여, 레이저의 특성에 크게 영향을 미친다.
그러나, 본 발명에 의한 구조에서는 매립층의 굴절율이 제2 클래드층의 굴절율과 동일하므로, 릿지 외부의 제2 클래드층의 두께(에칭 잔류 막두께)가 릿지 외부에서의 실효 굴절율에 영향을 미치지 않는다. 이 때문에, 에칭 깊이를 정밀하게 제어할 필요가 없어 에칭 깊이는 적어도 광 가이드층이 릿지 내부에 존재하도록 광 가이드층-제2 클래드층 계면에 도달하기만 하면 된다. 또한, 오버에칭해도 에칭 저면이 제2 클래드층 내부에 존재하도록 하면 되기 때문에, 에칭 시의 오차 허용 범위가 커져 횡모드 제어성이 안정하여 레이저의 생산 수율이 향상된다.
본 발명에 의하면, 절연성 또는 제1 도전형을 가지고 제2 클래드층보다도 낮은 굴절율을 나타내는 개구부를 갖는 반도체층이 설치되어 있으므로, 소자 전류는 개구부로 집중하여 레이저의 횡방향에서 이득 분포가 생기게 된다. 또, 실효적인 굴절율은 개구부내의 반도체층이 다른 부분에 비해 상대적으로 커지게 되어 횡방향의 광 분포 영역이 보다 중앙으로 집중하게 됨으로써 상기 이득 분포 효과와 함께 레이저의 횡모드 제어가 용이해진다.
또한, 제2 클래드층 상에 적층되는 제2 클래드층보다도 낮은 굴절율을 나타내는 반도체층의 재료로서 InGaAlN을 이용함으로써 상기 층 상에 연속하여 형성되는 각 III족 질화물층은 결함 발생을 억제시키면서 에피택셜 성장을 할 수 있어 레이저의 신뢰성이 향상된다.
본 발명은 III족 질화물 반도체에 의해 형성되는 반도체 레이저에 관한 것이다.
도 1은 종래의 반도체 레이저의 단면 구조를 도시하는 모식도.
도 2는 광 가이드층을 갖지 않는 소자 구조에 있어서의, p-클래드층 잔류 막두께와 스트라이프 내외의 실효 굴절율차를 종래예와 본 발명을 비교하여 도시한 도면.
도 3은 종래의 반도체 레이저의 실온에서의 연속 통전 시의 동작 전류의 변화를 도시하는 도면.
도 4는 광 가이드층을 갖는 소자 구조에 있어서의, p-클래드층 잔류 막두께와 스트라이프 내외의 실효 굴절율차를 종래예와 본 발명을 비교하여 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 반도체 레이저의 단면 구조를 도시한 모식도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 반도체 레이저의 제조 과정을 도시하는 모식도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 관한 반도체 레이저의 실온에서의 연속 통전시의 동작 전류의 변화를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 관한 반도체 레이저의 단면 구조를 도시한 모식도.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 관한 반도체 레이저의 단면 구조를 도시한 모식도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 관한 반도체 레이저의 단면 구조를 도시한 모식도.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 관한 반도체 레이저의 제조 과정을 도시한 모식도.
이하에, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시예)
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 레이저 단면 구조를 나타내는 개략도이고, 도 6은 제조 과정을 나타낸 개략도이다.
본 실시예의 레이저 다이오드는 이하에서와 같은 프로세스에 의해 형성된다. 우선, 유기 금속 기상 성장(MOCVD)법에 의해, (0001) 면방위(C면)를 갖는 사파이어 기판(101) 상에, 비도핑된 GaN 버퍼층(102)을 20nm, n형 도전형을 갖는 (이하 n-으로 기재) GaN 컨택트층(103)을 5㎛, n-Al0.3Ga0.7N 클래드층(104)을 1㎛, n-GaN 광 차폐층(105)을 0.1㎛, InGaN계 MQW 구조에 의한 활성층(106), p형 도전형을 갖는 (이하 p-으로 기재) GaN 광 차폐층(107)을 0.1㎛, p-Al0.3Ga0.7N 클래드층(108)을 1㎛, 및 p-GaN 컨택트층(109)을 0.5㎛로 순차 에피택셜 성장시킨다[도 6의 (a)].
다음으로, p-컨택트층(109)의 일부에 마스크 M1을 실시하고, 피마스크부 이외의 에피택셜층을 n-컨택트층(103) 중의 적당한 깊이 까지 드라이 에칭하고, 메사 형상을 형성한다[도 6의 (b)].
다음으로, 상기 마스크 M1을 제거후, 메사 정상의 일부 및 에칭에 의해 노출된 n-컨택트층(103)면의 전면을 마스크 M2에 의해 피복하고, 재차 드라이 에칭을 행하여, 메사 상부에 릿지 구조를 형성한다. 이때, 에칭의 깊이는 p-클래드층 (108) 중의 어느 한 위치까지로 하고, 나머지 막 두께 H를 제어할 필요는 없다[도 6의 (c)].
이어서 전자 빔(EB) 증착법에 의해, TiO2와 ZrO2의 혼합물을 소자 상부면으로부터 증착한다. 증착막의 두께는 증착막의 표면이 릿지 상면과 동일한 높이가 되는 두께로 한다. 즉, TiO2와 ZrO2의 혼합물로 이루어진 매립층(110)에 의해 릿지부를 매립한다[도 6의 (d)].
최후에, 마스크 M2 및 릿지 상의 TiO2와 ZrO2의 혼합물층(110), n-GaN 컨택트층(103) 상에 형성되어 있는 마스크 M2 및 마스크 M2 상의 TiO2와 ZrO2의 혼합물층을 제거하여, n측 전극(111) 및 p측 전극(112)을 형성하고, 도 5의 릿지 도파형 레이저 구조를 완성한다.
본 실시예의 반도체 레이저에서는, 활성층(106)으로부터 발생된 광의 파장은 약 520nm가 되도록 설계하였다. 이 파장의 광에 대한 p-클래드층(108)의 굴절율은 약 2.33이다. 매립층의 유전체는 TiO2(굴절율=2.35)와 ZrO2(굴절율=2.05)를 혼합물로하고, 증착된 혼합물막의 파장 520nm에 있어서의 굴절율이 2.33이 되도록 조정하였다. 이 경우의 TiO2와 ZrO2와의 혼합비(몰비)는 93:7이다. 활성층의 설계 변경에 의해 발진 파장이 변화한 경우에는 p-클래드층(108)의 굴절율도 변화하지만, 그 때에는 매립층도 TiO2와 ZrO2의 혼합비를 변경하거나, 또는 증착 조건을 변경하여 굴절율을 변화시키면 된다.
또한, 유전체의 종류는 TiO2나 ZrO2에 한정되는 것은 아니고, 레이저의 발진 파장의 광을 실질적으로 흡수하지 않는, 즉 활성층(106)으로부터 발생되는 광에 대하여 투명하다면, 어떠한 유전체가 이용되어도 좋다. 여기서 말하는「레이저의 발진 파장의 광을 실질적으로 흡수하지 않는다」라고 하는 것은, 레이저의 횡 모드에 악영향을 주는 정도의, 광의 흡수는 발생되지 않는다는 것을 의미한다. 또한, 유전체막의 형성 방법도 EB 증착법에 한정되는 것도 물론 아니고, 스퍼터링법 또는 그 밖의 박막 형성 프로세스가 이용되어도 상관없다.
이상과 같이 형성된 본 실시예의 매립 릿지 도파형 반도체 레이저에서는, 전류는 절연체인 유전체 매립층(110)에 의해 협착되고, 활성층의 릿지부 바로 밑의 부분에 집중하기 때문에, 이득 분포가 발생한다. 한편, 매립층의 굴절율은 p-클래드층의 그것과 동일하기 때문에, 활성층에서 발생한 광은 굴절율 분포를 띠지 않는다. 따라서, 레이저의 횡 모드 제어가 릿지폭의 제어에 의해 이루어지면 되므로 용이하다. 또한, 드라이 에칭에 의한 p-클래드층(108)의 나머지 막 두께를 정밀하게 제어할 필요가 없기 때문에 에칭 오차의 허용 범위가 넓어지고, 생산 수율이 향상한다.
더욱이, 에칭에 의해 형성한 릿지 형상의 스트라이프부를, TiO2와 ZrO2의 혼합물로 이루어진 매립층(110)에 의해 매립하기 때문에, 에칭 가공시에 발생한 손상에 의한 결정 결함이 연속 통전 동작에 의해 활성층으로 전파되지 않아, 동작 수명을 현격히 향상시킨 소자를 실현할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 실온에서의 연속 통전의 경우의 소자 수명은 120 시간 이상에 이른다.
(제2 실시예)
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면 구조를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 레이저 다이오드는 절연성 기판을 이용하고, 그 형성 프로세서는 실시예 1과 거의 동일한 가공 공정을 가진다.
우선, MOCVD법에 의해, (0001) 면방위(C면)을 갖는 사파이어 기판(401) 상에 비도핑된 GaN 버퍼층(402)을 20nm, n-GaN 컨택트층(403)을 5㎛, n-Al0.08Ga0.92N 제1 클래드층(404)을 1㎛, n-GaN 광 차폐층(405)을 0.1㎛, InGaN계 MQW 구조에 의한 활성층(406), p-Al0.2Ga0.8N 증발 방지층(407)을 0.05㎛, p-GaN 광 차폐층(408)을 0.1㎛, p-AlGaN 제2 클래드층(409)을 0.2㎛, p-GaN 광가이드층(410)을 0.05㎛, p-Al0.08Ga0.92N 제3 클래드층(411)을 0.8㎛, 및 p-GaN 컨택트층(412)을 0.5㎛로 순차적으로 에피택셜 성장시킨다. 다음으로, p-컨택트층(412)의 일부에 마스크 M1을 형성하고, 피마스크부 이외의 에피택셜층을 n-컨택트층(403) 중의 적당한 깊이까지 드라이 에칭하고, 메사 형상을 형성한다. 또한, 상기 마스크를 제거한 후, 메사 정상의 일부 및 이전의 에칭에 의해 노출한 n-컨택트층(403)의 전면을 마스크 M2에 의해 피복하고, 재차 드라이 에칭을 행하여, 메사 상부에 릿지 구조를 형성한다. 이때, 에칭의 깊이는 p-제2 클래드층(409) 중의 어느 한 위치까지로 하고, 나머지 막 두께를 제어할 필요는 없다. 이어서 분자선 에피택시(MBE)법에 의해, C1 도프 ZnMgSSe 화합물을 소자 상면으로부터 막을 형성한다. 이 화합물층의 두께는 층의 표면이 릿지 상면과 동일한 깊이가 되는 두께로 한다. 즉, ZnMgSSe로 이루어진 매립층(413)에 의해 릿지부를 매립한다.
최후에, 마스크 M1, 마스크 M2, 및 마스크 M1 및 마스크 M2 상의 C1 도프 ZnMgSSe 화합물을 제거하고, n측 전극(414) 및 p측 전극(415)을 형성하고, 도 8의 릿지 도파형 레이저 구조를 완성한다.
본 실시예의 반도체 레이저에는, 활성층(406)으로부터 발생하는 광의 파장이 약 410nm가 되도록 설계하였다. 이 파장의 광에 대한 p-제2 클래드층(409)의 굴절율은 약 2.50이다. 따라서, 매립층의 II-VI족 반도체인 ZnMgSSe의 각 원소의 조성비는 에너지갭이 3.03eV 이상, 굴절율은 2.50이 되도록 조절하고 있다. 활성층의 설계 변경에 의해 발진 파장이 변화한 경우에 p-제2 클래드층(409)의 굴절율도 변화하지만, 그 경우는 매립층도 ZnMgSSe의 조성비를 변경하여 굴절율을 변화시켜도 좋다. 또한, 매립에 이용하는 II-VI족 반도체의 종류는 ZnMgSSe에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, ZnCdSe 등이 이용되어도 좋다. 또한 II-VI족 반도체막의 형성 방법도 MBE법에 따른 에피택셜 성장에 한정되는 것은 물론 아니고, 스퍼터링법 및 기타 박막 형성 프로세스가 이용되어도 상관없다.
이상과 같이 형성되는 릿지 도파형 반도체 레이저에서는, 전류는 n형의 도전형을 나타내는 C1 도핑된 ZnMgSSe 매립층(413)에 의해 협착되어, 릿지부 바로 밑의 활성층에 집중하기 때문에, 이득 분포가 발생한다. 한편, 릿지 내부에 형성된 광 가이드층(410)은 굴절율이 p-제2 클래드층(409) 및 매립층(413)에 비해 크고, 또한 릿지 외에서는 광 가이드층(410)이 제거되기 때문에, 릿지 내외에 실효적인 굴절율 분포가 생긴다. 따라서, 광 가이드층을 갖지 않는 제1 실시예에 비해, 릿지 바로 아래의 광 차폐 효율이 좋게 되고, 횡 모드 제어가 보다 용이하게 된다.
또한, 드라이 에칭에 의한 릿지 형성에 있어서는, 에칭 저면이 적어도 광 가이드층(410)과 p-제2 클래드층(409)의 계면에 도달하면 좋고, 광 차폐층(408)에 도달하지 않는다면 오버 에칭도 허용되기 때문에, 나머지 막 두께를 정밀하게 제어할 필요가 없게 되고, 생산 수율이 향상한다.
게다가, 에칭에 의해 형성된 릿지 형상의 스트라이프부를 ZnMgSSe로 이루어진 매립층(413)에 의해 매립하기 때문에, 에칭 가공시에 발생하는 손상에 의한 결정 결함이 연속 통전 동작에 의해서도 활성층으로 전파하지 않고. 동작 수명을 현격하게 향상시킨 소자를 실현할 수 있다.
(제3 실시예)
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면 구조를 나타내는개략도이다. 본 실시예의 레이저 다이오드는 다음과 같은 프로세스에 의해 형성된다.
우선, MOCVD법에 의해, n-SiC 기판(501) 상에, 비도핑된 GaN 버퍼층(502)을 20nm, n-Al0.08Ga0.92N 제1 클래드층(503)을 1㎛, n-GaN 광 차폐층(504)을 0.1㎛, InGaN계 MQW 구조에 의한 활성층(505), p-Al0.2Ga0.8N 증발 방지층(506)을 0.05㎛, p-GaN 광 차폐층(507)을 0.1㎛, p-Al0.08Ga0.92N 제2 클래드층(508)을 0.2㎛, p-Al0.02Ga0.98N 광 가이드층(509)을 0.05㎛, p-Al0.08Ga0.92N 제3 클래드층(510)을 0.8㎛, 및 p-GaN 컨택트층(511)을 0.5㎛로 순차적으로 에피택셜 성장시킨다.
다음으로, p- 컨택트층(511)의 일부에 마스크를 형성하고, 피마스크부 이외의 에피택셜층을 드라이 에칭시켜서, 릿지 구조를 형성한다. 이 때 에칭의 깊이는 p-제2 클래드층(508) 중의 어느 한 위치까지로 하고, 나머지 막 두께를 제어할 필요는 없다. 다음으로, 릿지 상부에 마스크를 남겨둔 채로 MOCVD법에 의한 선택 성장에 의해 n-Al0.08Ga0.92N층을 릿지 측면에만 성막한다. 이 AlGaN층의 두께는 층의 표면이 릿지 상면과 동일한 높이가 되는 두께로 한다. 즉 n-Al0.08Ga0.92N으로 이루어진 매립층(512)에 의해 릿지부를 매립한다.
최종적으로, 마스크를 제거하고, 기판 이면에 n측 전극(513)을 형성하고, 소자 상면에 p-측 전극(514)을 형성하여, 도 9의 릿지 도파형 레이저 구조를 완성한다.
본 실시예의 반도체 레이저에서는, 활성층(505)으로부터 발생하는 광의 파장은 약 450nm가 되도록 설계하였다. 이 파장의 광에 대한 p-제2 클래드층(508)의 굴절율은 거의 2.45이다. 본 실시예에서, 매립층(512)은 p-제2 클래드층(508)과 도전형이 상이할 뿐 동일한 조성이고, 매립층(512)의 굴절율은 거의 2.45이고 발진 파장의 광에 대해 투명하다.
본 실시예의 릿지 도파형 반도체 레이저에서, 소자 전류는 n-AlGaN 매립층(512)에 의해 협착되어, 릿지부 바로 밑의 활성층으로 집중하기 때문에 이득 분포가 생긴다. 한편, 릿지부 내에 형성된 광 가이드층(509)은 굴절율이 p-제2 클래드층(508) 및 매립층(512)에 비하여 크고, 또한 릿지 외에서는 광 가이드층(509)이 제거되어 있기 때문에, 릿지 내외에서 실효적인 굴절율로 분포가 생긴다. 따라서 제2 실시예와 마찬가지로, 릿지 바로 밑부분에의 광 밀폐 효율이 양호해져서 횡 모드 제어가 더욱 용이해진다.또한, 드라이 에칭에 의한 릿지 형성에 있어서, 에칭 저면은 적어도 광 가이드층(509)과 p-제2 클래드층(508)의 계면에 도달하는 것이 바람직하고, 광 차폐층(507)에 도달하게 되면 오버에칭도 허용되므로, 잔류 막 두께를 정밀하게 제어할 필요가 없게 되어 생산 수율도 향상된다.
(제4 실시예)
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 레이저의 단면 구조를 나타내는 개략도, 도 11은 제조 공정을 도시한 모식도이다. 본 실시예의 레이저 다이오드는 이하와 같은 프로세스에 의해 형성된다.
먼저, MOCVD법에 의해, n-GaN 기판(601) 상에 비 도핑된 GaN 버퍼층(602)을 20㎚, n-Al0.08Ga0.92N 제1 클래드층(603)을 1㎛, n-GaN 광 차폐층(604)을 0.1㎛, InGaN계 MQW 구조에 의한 활성층(605), p-Al0.2Ga0.8N 증발 방지층(606)을 0.05㎛, p-GaN 광 차폐층(607)을 0.1㎛, p-Al0.08Ga0.92N 제2 클래드층(608)을 0.2㎛, n-Al0.3Ga0.7N 광 반사층(609)을 0.1㎛, p-Al0.08Ga0.92N 제3 클래드층(610)을 0.7㎛, 및 p-GaN 컨택트층(611)을 0.5㎛로 순차적으로 에피택셜 성장시킨다[도 11의 (a)].
다음에, p-컨택트층(611)의 일부에 마스크 M1을 형성하고, 피 마스크부 이외의 에피택셜층을 드라이 에칭하여 오목부 구조 R을 형성한다. 이 때 에칭의 깊이는 p-제2 클래드층(608) 중의 어느 한 위치까지로 하고, 나머지 막두께를 제어할 필요는 없다[도 11의 (b)].
이어서, 오목부 이외의 마스크를 남긴 채 MOCVD법에 의한 선택 성장에 의해, 오목(凹) 구조의 홈 내부에만 선택적으로 p-Al0.08Ga0.92N층(612)을 p-제3 클래드층(610)과 p-컨택트층(611)과의 계면 부근까지, 계속하여 p-GaN층(613)을 p-컨택트층(611)의 표면 근방까지 에피택셜 성장시킨다. 즉 p-Al0.08Ga0.92N으로 이루어지는 매립층(612)에 의해 오목 구조의 홈부를 매립한다[도 11의 (c)].
마지막으로, 마스크 M1을 제거하고, 기판 이면에 n측 전극(614)을, 소자 상면에 p측 전극(615)을 형성하여 도 10의 레이저 구조를 완성한다.
본 실시예의 반도체 레이저에서는, 활성층(605)으로부터 발하는 광의 파장이 약 430㎚가 되도록 설계하였다. 본 실시예에서는, 매립층(612)이 p-제2 클래드층(608)과 도전형도 구조도 동일하고, 또한 오목 구조의 홈 부분에 대응하는 개구부를 갖는 광 반사층(609)은 그 도전형의 차이로 인하여 전류 저지층이 되기 때문에, 소자 전류는 홈부(개구부) 바로 아래의 활성층에 집중되어, 레이저의 횡방향에 있어서 이득 분포가 생긴다.
한편, 홈부 이외에 설치되어 있는 광 반사층(609)은 굴절율이 p-제2 클래드층(608) 및 매립층(612)에 비해 작고, 또한 홈부에서는 굴절율이 동일하므로, 홈부 이외에서 광이 감지되는 실효적인 굴절율이 작기 때문에, 스트라이프 구조의 내외에서 실효 굴절율에 차가 발생한다. 따라서, 스트라이프부에서의 광 차폐의 효율이 양호해져서 횡 모드 제어가 더욱 용이해진다.
또한, 드라이 에칭에 의한 홈 구조 형성에 있어서는, 에칭 저면이 적어도 광 반사층(609)과 p-제2 클래드층(608)과의 계면에 도달하는 것이 바람직하고, 광 차폐층(607)에 도달하지 않으면 오버 에칭도 허용된다. 이 때문에, 나머지 막두께를 정밀하게 제어할 필요가 없게 되어, 생산 수율이 향상한다. 또, 제4 실시예에서는 여러 기판이나 버퍼층, 광 차폐층 등 청구 범위에 기재되어 있지 않은 구조가 이용되고 있지만, 이것들은 특성이 좋은 레이저 소자의 형성을 위해 이용되는 것으로서, 릿지 부분의 구조에 관한 본 발명의 실시에 영향을 끼치지는 않는다.
본 발명에 따르면, 종래와 같이 에칭의 나머지 막 두께에 의한 릿지 도파형 반도체 레이저의 횡 모드 제어를 행하지 않기 때문에, 단일 횡 모드 특성을 갖는 반도체 레이저를 높은 생산 수율로 제작할 수 있다.

Claims (20)

  1. 화합물 반도체 레이저에 있어서,
    제1 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물 반도체의 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된, 제2 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 제2 클래드층 - 상기 제2 클래드층은 상부 표면 측에 돌출부를 가짐 -; 및
    제2 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 릿지 구조 - 상기 릿지 구조의 일부는 상기 제2 클래드층의 상기 돌출부임 -
    를 구비하고,
    상기 제2 클래드층의 돌출부는 상기 제2 클래드층의 상부면상의 상기 돌출부의 양쪽에 형성되어 있는 절연체 또는 제1 도전형의 매립층에 인접하며,
    상기 매립층은 상기 활성층으로부터 출력되는 광을 거의 흡수하지 않으며 상기 제2 클래드층의 굴절율과 거의 동일한 굴절율을 갖는
    것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 릿지 구조에는 광 가이드층이 형성되고, 상기 광 가이드층은 상기 매립층의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 릿지 구조 상에는 제2 도전형의 컨택트층과 전극이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 상기 매립층은 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  5. 제2항에 있어서, 상기 매립층은 상기 제2 클래드층의 조성과 거의 동일한 조성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  6. 제1항에 있어서, 상기 매립층은, TiO2, ZrO2, HfO2, CeO2, In2O3, Sb2O3, SnO2, Ta2O5, ZnO를 포함하는 그룹 중 적어도 하나 이상의 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  7. 제1항에 있어서, 상기 매립층은 ZnMgCdSSe 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  8. 제2항에 있어서, 상기 광 가이드층은 GaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  9. 제2항에 있어서, 상기 광 가이드층은 AlGaN으로 형성되며, 상기 매립층은 상기 광 가이드층의 AlGaN보다도 Al 조성이 큰 AlGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  10. Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저에 있어서,
    기판 상의 제1 도전형의 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 상에 형성된 Ⅲ족 질화물 반도체의 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 제2 클래드층; 및
    상기 제2 클래드층 상에 형성되고, 전류를 상기 활성층의 선택된 영역에 협착시키기 위한 개구부를 갖는 반사층
    을 구비하고,
    상기 반사층의 동작부(operating portion) 내에는, 상기 제2 클래드층의 조성과 거의 동일한 조성을 갖는 제2 도전형의 Ⅲ족 질화물 반도체 매립층이 형성되어 있고,
    상기 매립층의 최하위면은 상기 제2 클래드층의 상부면보다도 낮은 레벨에 위치하고, 상기 반사층은 제1 도전형 혹은 절연체로 이루어지며, 상기 제2 클래드층의 굴절율보다도 낮은 값의 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반사층 및 상기 매립층은 InGaAlN 화합물 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  12. 제10항에 있어서, 상기 매립층 상에는 제2 도전형의 컨택트층 및 전극층이 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  13. 제10항에 있어서, 상기 반사층은 AlGaN으로 형성되며, 상기 매립층은 상기 반사층의 AlGaN보다도 Al 조성이 작은 AlGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 클래드층은 AlGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  15. 제10항에 있어서, 상기 제2 클래드층은 AlGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어진 화합물 반도체 레이저.
  16. 화합물 반도체 레이저에 있어서,
    제1 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 제1 클래드층(104);
    상기 제1 클래드층(104) 상에 형성된 Ⅲ족 질화물 반도체의 활성층(106);
    상기 활성층(106) 상에 형성된, 제2 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 제2 클래드층(108) - 상기 제2 클래드층(108)은 상부 표면 측에 돌출부를 가짐 -; 및
    제2 도전형을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체의 릿지 구조 - 상기 릿지 구조의 일부는 상기 제2 클래드층(108)의 상기 돌출부임 -
    를 구비하고,
    상기 제2 클래드층(108)의 돌출부는 상기 제2 클래드층(108)의 상부면상의 상기 돌출부의 양쪽에 형성되어 있는 절연체 또는 제1 도전형의 매립층(110) 사이에 있으며,
    상기 매립층은,
    매립층(110)이 TiO2, ZrO2, HfO2, CeO2, In2O3, Nd2O3, Sb2O3, SnO2, Ta2O3, ZnO를 포함하는 그룹 중 적어도 하나 이상의 화합물을 함유하는 조건, 매립층(413)이 ZnMgCdSSe 화합물 반도체로 이루어지는 조건, 매립층(512)이 제2 클래드층(508)의 조성과 거의 동일한 조성을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체로 이루어지는 조건 중 어느 한 조건에서 선택되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  17. 제16항에 있어서, 상기 릿지 구조내에 광 가이드층이 형성되고, 상기 광 가이드층은 상기 매립층 보다 큰 굴절율을 갖는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  18. 제16항에 있어서, 상기 릿지 구조상에 상기 제2 도전형의 컨택트층 및 전극이 순서대로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  19. 제17항에 있어서, 상기 광 가이드층은 GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
  20. 제17항에 있어서, 상기 광 가이드층은 AlGaN으로 형성되고, 상기 매립층은 상기 광 가이드층의 AlGaN보다 Al 조성이 큰 AlGaN으로 형성되는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 레이저.
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