KR100378504B1 - 반도체 디바이스 - Google Patents
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Abstract
반도체 디바이스는 기판과 활성층 사이에 블록킹층이 배치되어 있다. 블록킹층은 활성층 내로의 역상 도메인 결함(APD)의 전파를 차단한다. 이것은 활성층 내의 결함들의 밀도를 감소시키며, 레이저 디바이스의 성능 특성들을 향상시킨다.
블록킹층은 레이저 디바이스의 층들 중에 하나의 층 내에 전체적으로 배치되어 있거나, 또는 레이저 디바이스의 두 개의 층들 간의 인터페이스에 배치되어 있다. 블록킹층의 밴드갭은 양호하게는 배치된 층의 밴드갭과 또는 인접한 층의 밴드갭과 실질적으로 동일하다. 이것은 레이저 구조 내의 전위 장벽 또는 전위벽의 형성을 방지하여서, 블록킹층의 설치가 디바이스를 통한 캐리어들의 전송에 영향을 미치지 않는다.
한 실시예에서 본 디바이스는 레이저 디바이스이며 (Al, Ga, In)P 시스템에서 제조된다.
Description
본 발명은 반도체 디바이스에 관한 것으로서, 특히 630㎚ 내지 680㎚의 파장 범위의 가시광선을 방출하는 반도체 레이저 디바이스에 관한 것이지만, 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 레이저 디바이스는 에지 방출형(edge-emitting type) 또는 표면 방출형(surface-emitting type)일 수 있다.
(Al, Ga, In)P 재료 시스템(material system)에서 제조된 630㎚ 내지 680㎚의 파장 범위의 가시광선을 방출하는 레이저 디바이스들 또는 레이저 다이오드들(LD)이 전문가용 및 소비재의 요소로서 중요성이 점차 증가하고 있다. 예를 들어, 디지털 비디오 디스크(DVD) 시스템이 60℃의 온도까지 최대 30㎽의 출력을 낼 수 있는 635㎚-650㎚ 파장의 LD를 채용할 것으로 예상된다. 차세대 반도체 레이저는 더욱 높은 동작 온도(예, 70℃)에서 훨씬 더 큰 최대출력을 요구할 것이다.
(Al, Ga, In)P 시스템은 일반식 (AlxGa1-x)1-yInyP에 따르는 화합물의 군을 의미한다. 상기 공식에서 x 및 y는 0과 1 사이이다. 본 반도체 시스템의 특장점은 인듐 몰분율(y)이 정확히 0.48인 경우, GaAs 기판에 격자 정합된다는 것이다.
현재의 (Al, Ga, In)P 레이저 다이오드의 주된 한계는 최고 지정 동작 온도에서 장시간 (또는 충분히 낮은 임계 전류로) 동작할 수 없다는 것이다. 이것은 디바이스의 활성 영역으로부터 주변 도광 영역(optical region)으로 그리고 이어서 P-타입 클래딩 영역으로의 전자 누설에 의해 유발된다고 일반적으로 믿어진다.
630㎚-680㎚에서 광을 발생시키기 위한 분리 격리(separate confinement) 레이저 구조의 특유의 구조가 도 1a 및 도 1b를 참조로 하여 이하 후술된다.
도 1a는 (Al, Ga, In)P 시스템에서 제조된 분리 격리 레이저 구조의 개략적인 밴드 구조의 도면이다. 이 구조는 n-도우프된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1), (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 도광 영역(2, 4), (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 도광 영역 내에 배치된 GaInP 양자 우물(quantum well) 활성 영역(3), 및 p-도우프된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1)으로 구성되어 있다. p-타입 접촉층(contact layer)(도 1a에는 도시되지 않음)이 p-타입 클래딩 영역(5) 상에 제공될 수 있으며, n-타입 접촉층(역시 도 1a에는 도시되지 않음)이 n-타입 클래딩 영역(1) 상에 제공될 수 있다. 레이저 다이오드의 양자 우물 활성 영역(3) 내에서 레이저 작용을 일으키는 광학적 천이는 GaInP 양자 우물 활성 영역 내의 Г-밴드내의 전자들로부터 발생된다.
Г-밴드및 X-밴드라는 용어는 본 명세서에 사용된 바와 같이 브릴루앙 영역 내에서의 대칭점들을 의미하고 고체 물리학에서는 표준용어들이다.(R. A. 스미스의 "Semiconductors"(캠브리지 대학 출판부, 1978) 참조) Г-미니멈(Г-minimum) 및 X-미니멈(X-minimum)이라는 용어는 각각 Г-밴드 및 X-밴드의 최소 에너지 레벨을 의미한다.
(Al, Ga, In)P의 전도대의 최소 에너지는 알루미늄 함유량의 함수이다. 알루미늄 농도가 약 0.55인 경우 Г-미니멈으로부터 X-미니멈으로 교차(crossover)가 있다.
도 1b는 도 1a의 레이저 구조와 유사하게 도시되어 있으나, 도광 영역(2, 4) 내의 Г-전자들을 속박하는 전위 장벽을 증가시키기 위해 클래딩 영역(1, 5)이 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P이 아닌 AlInP로 형성되어 있다.
도 1a 및 도 1b에는 활성 영역(3)이 단일의 양자 우물층을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 주지하는 바와 같이 활성 영역(3)은 다수의 양자 우물층으로 대체되어 구성될 수 있으며, 각각의 양자 우물층은 장벽층(barrier layer)에 의해 인접 양자 우물층과 분리된다.
반도체 레이저의 열화는 상용 디바이스를 개발하는데 있어서 주요 문제점이 되어왔다. 0.85㎛ 근방의 파장의 레이저를 방사하는 AlGaAs/GaAs 레이저들이 1970년대에 최초로 개발되었으나, 이러한 레이저들의 초기 예들은 사용중 급속히 열화되었고, 그 결과 수명이 짧고 상용에 적합하지 않았다. 이들 레이저들이 갖는 현저한 열화 문제를 극복하기 위해서 상당한 시간이 걸렸다. AlGaAs/GaAs 레이저들의 열화에 있어서 주요인들 중에 하나는 결정성장 및 제조공정 중에 발생한 결정 결함이다. 이들 결함들은 "다크 라인(dark line)" 결함으로 알려져 있으며, 광흡수도가 높은 고 비방사 재결합 중심(high non-radiative recombination centre)의 국부적 영역을 발생시킨다. 이러한 다크 라인 결함의 문제점은 GaAs의 구조적 품질을 향상시킴으로써 결국에는 극복되었고, 장수명 AlGaAs/GaAs 레이저들이 현재 상용화되어있다. M, Fukuda은 "반도체 레이저들 및 LED들의 신뢰도 및 열화"(ISBN 0-89006-465-2)에서 10000시간 이상의 수명을 갖는 AlGaAs/GaAs레이저들이 현재 상용화되어있다라고 보고하였다.
(Al, Ga, In)P 레이저들이 상용화에 성공하기 위해서는, 이들 레이저들이 AlGaAs/GaAs레이저들에 비견될만한 수명을 가져야 한다.
현재, 대략 650㎚의 파장에서 가시 스펙트럼 내에서 동작하는 인화물 레이저들은 심각한 열화문제를 보인다. 비록 저출력 인화물 레이저들의 수명이 거의 10000시간에 이르기 때문에 상용목적을 위해서는 만족스럽지만, 고출력 인화물 레이저의 전형적인 수명은 겨우 5000 시간으로서 상용화에 적합하지 않다. 또한, 이러한 수명들을 실현하기 위해 레이저들을 어닐링할 필요가 있으며, 어닐링되지 않은 레이저들은 훨씬 짧은 수명을 갖는다.
열화 문제는 분자선 에피택시(MBE)를 사용하여 제조된 레이저들에 있어서 특히 심각하다. 현재 MBE에 의해 성장된 인화물 레이저 구조는 그 신뢰도를 향상시키고 레이저 동작에 대한 임계치를 감소시키기 위해 열적으로 어닐링되어야 한다. 어닐링 프로세스는 재료 내의 비방사 재결합 중심의 일부를 제거(또는 적어도 이전)시킨다고 추정된다. 그러나, 어닐링 단계를 실행하는 것은 바람직하지 않다. p-타입 클래딩 영역을 위한 공통의 p-타입 도펀트의 하나가 베릴륨인데, 베릴륨-도우프된 레이저 디바이스가 어닐링되는 경우, 베릴륨이 p-타입 클래딩 영역으로부터 활성 영역으로 확산할 수 있다. 그러한 확산은 레이저 디바이스의 성능을 열화시키며, 제조 공정의 수율을 저하시킬 수 있다.
M. Jalonen 등은 "Applied Physics Letters" Vol. 71 No. 4 p.479 (1997)에서, 방출 파장 680㎚에서 MOCVD 공정에 의해 성장된 0.2-0.4kA/㎠의 범위에서의 레이저들에 대한 레이저 발진 임계치와 MBE에 의해 성장된 1㎄/㎠ 이상의 범위에서의 재료에 대한 임계치를 비교하였다고 보고한 바 있다. MBE에 의해 성장된 레이저들에 대한 심각한 열화 특성들 및 높은 레이저 임계치들이 발생하는 것은 이들의 재료들이 MOCVD에 의해 성장된 재료들보다 현저하게 더 많은 비방사 재결합 중심(결함)을 갖기 때문이라는 것이 가능하다. 인화물 레이저의 신뢰도를 향상시키고 그 레이저 방사시의 임계치를 감소시키기 위해 비방사 결함들을 제거하는 것이 바람직하다.
와이드 밴드갭(wide bandgap) 인화물 레이저의 심각한 열화 및 높은 레이저 임계치에 대하여 충분한 원인이 될 수 있는 특정 타입의 결함의 하나는 역상 도메인 결함(anti-phase domain defect; APD)이다. 이들 결함들은 인화물 재료 내에서 결정 구조 내에서 일어나는 오더링(ordering)의 결과로서 발생한다. APD는 비방사재결합도가 높고, 광흡수도가 높은 영역을 발생시킨다. 따라서, APD의 밀도가 높을수록 광흡수도가 높아지고 레이저 발진에 대한 임계치가 높아질 것이다. 고밀도의 도메인 바운더리(domain boundary)는 결과적으로 재료의 굴절률의 요동을 발생시키며, 이들 요동들은 부가적인 광자 손실을 유발하고, 따라서 레이저의 양자 효율을 저하시킬 것이다. APD가 존재함으로 인해 제조 공정의 수율을 저하시킬 수도 있다.
C. Geng 등은 "Journal of Crystal Growth" Vol. 170, p418 (1997)에서, 오더링된 구조의 레이저 성능을 악화시키는 원인이 될 수 있다고 보고한 바 있다.
A. Valster 등은 "Journal of Crystal Growth" Vol. 107, p403 (1991)에서, 레이저 발진을 위한 임계치가 낮은 레이저를 생산하기 위해서는 오더링은 피해야한다고 보고한 바 있다.
T-Y Seong 등은 "Applied Physics Letters" Vol. 70, No. 23, P3137(1997)에서, APD는 캐리어 이동도를 감소시키고, 딥 에너지 레벨(deep energy level)을 발생시키고, 캐리어 수명을 감소시킨다고 보고한 바 있다.
약 1㎛의 에피택셜 성장 후에, 비록 성장 프로세스 동안의 성장 온도 및 V/III 비 같은 성장 파라미터에 따라 다르지만, APD가 형성되기 시작한다. 도 1a 또는 도 1b에 도시된 일반 구조를 갖는 (Al, Ga, In)P 레이저에서, APD는 일반적으로 n-타입 접촉층 내에(이 층이 있는 경우) 또는 n-타입 클래딩층(1) 내에 형성되며, 반도체 레이저를 가로질러 활성 영역을 관통하여 p-타입 클래딩층(5) 상에 배치된 p-타입 접촉층(6)으로 확장된다. 도 2는 도 1a 및 도 1b 같은 (Al, Ga, In)P시스템에서 제조된 SCH 레이저의 개략적인 단면도이다. APD(7)는 레이저 구조를 관통하여, n-타입 클래딩 영역(1)으로부터 p-타입 접촉 영역(6)으로 이동한다.
레이저 구조를 관통하여 이동하는 APD의 TEM 포토그래프는 C. Geng 등에(상기 언급됨) 의해 도시된 것이다.
EP-A-0 603 780, EP-A-0 421 205, US-A 5 508 554 및 US-A 4 835 166은 층구조에 격자 정합되지 않은 기판 상의 반도체층 구조의 성장에 관한 것이다. 기판과 층구조 간의 격자 부정합은 결함 및 전위(dislocation)의 형성을 유도하고, 상기 공보들은 격자 부정합의 효과를 감소시키기 위해 기판과 층구조 간의 인터페이스에 버퍼층(buffer layer)을 성장시킬 것을 제안하고 있다. 그러나, 이들 공보들은 층구조 자체 내에서의 결함들의 형성 및 전파의 문제점을 다루는 것은 아니다.
Valster 등은(상기 언급됨) 오더링에 의해 유발된 도메인들의 사이즈가 성장 온도 및 층의 알루미늄 몰분율에 따라 50단위 만큼이나 변화할 수 있다고 보고한 바 있다. 그들은 MOCVD에 의해 성장된 재료 내에서 수백 ㎚까지의 도메인 사이즈를 보고한 바 있다. T-Y Seong 등(상기 언급됨)은 가스 소스 MBE(gas source MBE)에 의해 성장된 재료에 대한 더 작은 전형적으로 1.5㎚의 도메인 사이즈를 보고한 바 있다. 다수의 도메인 바운더리들은 부가적인 광손실을 유발하여, 그에 따라 레이저 디바이스의 양자 효율을 감소시킬 것이다.
M. Jalonen 등(상기 언급됨)은 MBE에 의해 성장된 구조들의 레이저 발진에 대한 임계치가 비방사 재결합 결함들을 제거하기 위해 레이저 구조를 어닐링함으로써 현저하게 감소될 수 있다고 제안하고 있다. 그러나, 이것은 상술된 바와 같이도펀트로서 베릴륨을 포함하는 디바이스를 어닐링함으로써 베릴륨의 확산을 유발할 수 있기 때문에 전체적으로는 만족스럽지 못하다.
C. Geng 등(상기 언급됨)에 의해 p-타입 도펀트인 고밀도 아연(Zn)이 활성 영역에서는 말고, p-타입 클래딩 영역에서의 오더링을 방해한다는 것이 발견되었다.
GaInP층의 TEM(Transmission Electron-Micrograph; 투과형 전자 현미경) 연구에 따르면 V/III 비가 크게 변함으로써 GaInP 내의 APD의 전파를 억제할 수도 있다고 한다. 이것은 도메인 사이즈가 다른 여러 인자들 중에서 V/III 비에 의존하기 때문이다. 따라서, 성장 공정 동안의 V/III 비가 변화하면 도메인 사이즈도 변화하고 APD의 전파도 억제할 것이다. 성장 프로세스 동안에 온도가 크게 변화할 경우에도 도메인 사이즈의 변화가 유발될 것이며 따라서 APD의 전파를 억제할 것이다. APD의 전파를 억제하기 위한 성장 프로세스 동안의 V/III 비 또는 온도를 변화시키는 방법의 결점은 오더링된/디스오더링된 인터페이스가 셋업(set up)된다. 이것은 밴드갭의 차이를 유발하고, 층의 저항도를 증가시킨다.
P. L. Gourley 등은 "Applied Physics Letters" Vol. 47 No. 5 p487 (1985)에서, GaP/GaAsP 또는 GaAs/GaAsP 초격자 같은 스트레인층(strained layer) 초격자를 사용한 AlGaAs/GaAs 재료 시스템 내의 다크 라인 결함의 제거를 보고한 바 있다. 또한, 미국 특허 제5 300 794호는 GaAs/GaAlAs 구조 내의 상향적으로 전파하는(upwardly propagating) 전위 결함을 차단하기 위해 버퍼층 상에 스트레인 초격자를 성장시키는 방법이 개시되어 있다. 이들 방법들의 결점은 그러한 초격자를사용함으로써 각 인터페이스에서 양자 우물 및/또는 장벽을 생성시킬 것이며, 이것은 저항도가 높은 영역을 발생시킬 것이라는 것이다. 미국 특허 제5 300 794호에서 제안된 AlGaAs/GaAs 초격자는 레이저 디바이스의 활성 영역 내로의 캐리어 주입을 방해할 것이며, 따라서 디바이스의 저항도를 증가시킬 것이다.
본 발명은 기판, 및 기판 상에 배치된 다층 구조를 포함하는 반도체 디바이스를 제공하고, 다층 구조는 제1 반도체층 및 제1 반도체층 상에 배치된 제2 반도체층을 포함하고, 디바이스는 제1 반도체층으로부터 제2 반도체층으로의 결함들의 전파를 차단하는 층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
APD 같은 결함들이 제1 반도체층으로 전파하는 경우, 그들의 전파는 결함들의 전파를 차단하는 층에서 차단될 것이다. APD들 또는 다른 결함들이 제2 반도체층에 다다르는 수가 감소될 것이며, 이것은 제2 반도체층 내의 흡수 결합들(absorption defect)의 밀도를 감소시키고, 따라서 레이저의 특성을 향상시킨다.
제2 반도체층은 디바이스의 활성층일 수 있다. 제1 반도체층은 디바이스의 클래딩층일 수 있다. 디바이스는 클래딩층 상에 도광 영역이 배치되어 있고, 도광 영역 내에 활성 영역이 배치되어 있는 분리 격리 헤테로구조(separate confinement heterostructure) 레이저 디바이스이다. 본 발명은 APD같은 결함들의 활성 영역으로의 전파를 차단함으로써 레이저 디바이스의 활성층의 광학적 특성들을 향상시키기 위해 레이저 디바이스, 예를 들어 SCH 레이저 디바이스에 적용될 수 있다.
본 디바이스는 클래딩층, 도광 영역 및 활성층을 기재된 순서대로 포함할 수 있다. 결함들의 전파를 차단하는 층이 클래딩층 내에 배치될 수 있다. 대체적으로 결함들의 전파를 차단하는 층이 클래딩층과 도광 영역 사이의 인터페이스에 배치되거나, 또는 도광 영역 내에 배치될 수 있다.
디바이스는 (Al, Ga, In)P 디바이스일 수 있으며, 결함들의 전파를 차단하는 층은 Ga1-yInyP층일 수 있다. 이것은 (Al, Ga, In)P 레이저 디바이스 같은 (Al, Ga, In)P 시스템 내에서 제조된 디바이스의 특성들이 향상될 수 있게 한다. 디바이스를 어닐링할 필요는 전혀 없으며, 따라서 어닐링 동안의 도펀트들의 확산의 문제가 제거된다. 결함들의 전파를 차단하는 층은 스트레인된 Ga1-yInyP층일 수 있다.
결함들의 전파를 차단하는 층은 활성층의 1㎛ 내에 배치될 수 있다. 인화물 재료 내의 APD들에 대한 전형적인 도메인 사이즈는 1㎛ 근방이며, 결함들의 전파를 차단하는 층을 활성층의 1㎛ 내에 배치시키는 것은 APD들이 활성층과 결함들의 전파를 차단하는 층 사이의 층들 내에 재형성될 수 없다는 것을 의미한다.
제1항에 있어서, 결함들의 전파를 차단하는 층의 밴드갭은 결함들의 전파를 차단하는 층에 인접한 반도체층의 밴드갭과 실질적으로 동일하다. 이것은 현저한 전위벽 또는 전위 장벽의 형성을 방지하고, 따라서 디바이스를 관통하는 캐리어들의 수송이 결함들의 전파를 차단하는 층의 제공에 의해 영향받지 않음을 보장한다.
결함들의 전파를 차단하는 층이 제1 반도체층 내에 배치될 수 있으며, 결함들의 전파를 차단하는 층의 밴드갭이 제1 반도체층의 밴드갭과 실질적으로 동일할수 있다. 대체적으로, 결함들의 전파를 차단하는 층이 도광 영역 내에 배치될 수 있으며, 결함들의 전파를 차단하는 층의 밴드갭이 도광 영역의 밴드갭과 실질적으로 동일할 수 있다. 대체적으로, 결함들의 전파를 차단하는 층이 클래딩 영역과 도광 영역 사이의 인터페이스에 배치될 수 있으며, 결함들의 전파를 차단하는 층의 밴드갭이 도광 영역의 밴드갭 또는 클래딩층의 밴드갭 중의 하나와 실질적으로 동일할 수 있다.
제1 반도체층은 (AlyGa1-y)0.52In0.48P층(0.5<y<1)일 수 있다. 제1 반도체층은 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P층일 수 있고 결함들의 전파를 차단하는 층은 Ga0.3In0.7P층일 수 있다. 대체적으로, 제1 반도체층은 Al0.52In0.48P층일 수 있으며 결함들의 전파를 차단하는 층은 GaP층일 수 있다. 도광 영역은 (AlyGa1-y)0.52In0.48P층(0.3<y<1)을 포함할 수 있다. 도광 영역은 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P층을 포함할 수 있고 결함들의 전파를 차단하는 층은 Ga0.38In0.62P층일 수 있다. 이러한 재료들의 쌍에 대하여, 2개의 재료들의 밴드갭들이 서로 실질적으로 동일하며, 따라서 결함의 전파를 차단하는 층의 제공은 현저한 전위 장벽 또는 전위벽을 유발하지 않는다. (Al, Ga, In)P 레이저 디바이스의 클래딩층들 및 도광 영역은 각각 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 및 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P로 주로 형성되고, 따라서 본 발명은 레이저 디바이스를 관통하는 캐리어들의 전송에 영향을 주지 않고 결함들의 전파를 차단하는 층이 (Al, Ga, In)P 레이저 디바이스 내로 결합될 수 있게 한다.
제2 반도체층으로의 결함들의 전파를 차단하는 제2층을 더 포함할 수 있다.
결함들의 전파를 차단하는 층 또는 각각의 층은 제2 반도체층으로의 역상 도메인 결함들의 전파를 차단할 수 있다.
결함들의 전파를 차단하는 층 또는 각 층 내의 역상 도메인 결함의 특성적 사이즈가 제2 반도체층 내의 역상 도메인 결함의 특성적 사이즈와 상이할 수 있다. 이것은 역상 도메인들의 전파를 차단하는 직접적인 방법이다.
도 1a는 (Al, Ga, In)P 시스템 내에서 제조된 종래의 레이저 디바이스의 개략적 밴드 구조도.
도 1b는 (Al, Ga, In)P 시스템 내에서 제조된 다른 종래의 SCH 레이저 디바이스의 개략적 밴드 구조도.
도 2는 종래의 레이저 구조를 관통하여 전파하는 APD를 도시하는 개략적 도면.
도 3은 GaInP에 대한 격자 상수 대 전도대 에너지의 도면.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 디바이스의 개략적 단면도.
도 5는 도 4의 레이저 디바이스의 개략적 부분적 밴드 구조도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 디바이스의 개략적 단면도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 디바이스의 개략적 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 살시예에 따른 레이저 디바이스의 개략적 단면도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 디바이스의 개략적 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판
1, 11 : N-클래딩 영역
2, 4, 12, 14 : 도광 영역
3, 13 : 활성 영역
5, 15 : P-클래딩 영역
6, 16 : P-접촉 영역
17 : 블록킹층
18 : APD
19 : 다층구조
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 레이저 디바이스를 도시한다. 본 레이저 디바이스는 기판(10), 기판(10) 상에 배치된 다층구조(19)를 갖는다. 다층구조(19)는 n-타입 클래딩 영역(11), 및 n-타입 클래딩 영역 상에 배치된 언도우프된 도광 영역(12, 14)을 포함한다. 활성 영역(13)이 도광 영역(12, 14) 사이에 배치된다. 최종적으로, p-타입 클래딩 영역(15) 및 p- 타입 접촉층(16)이 도광 영역(14) 상에 배치된다.
도 4에서 활성 영역(13)이 단지 1개의 양자 우물층을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나 본 발명은 활성 영역이 오직 1개의 양자 우물층을 포함하는 레이저에 한정되지 않으며, 본 발명은 활성 영역(13)이 다수의 양자 우물층들 및 장벽층들로 구성된 레이저에 적용될 수 있다.
본 발명에 따라, 기판(10)과 활성 영역(13) 사이에 블록킹층(17)이 제공된다. 블록킹층은 APD가 레이저디바이스의 활성 영역(13)으로 전파하는 것을 차단하는 역할을 한다. 도 4의 실시예에서 블록킹층(17)이 n-타입 클래딩 영역(11) 사이에 배치되어 있으나, 본 발명은 블록킹층에 대한 이러한 특정 위치에 한정되는 것은 아니다.
n-타입 클래딩 영역의 하부에 APD(18)가 존재하지만, 블록킹층(17) 내의 APD의 특성적 사이즈가 n-타입 클래딩 영역(11) 내의 APD의 특성적 사이즈와 현격히 차이가 나기 때문에 APD의 활성 영역(13)으로의 전파는 블록킹층(17)에 의해 차단된다.
APD(18)의 전파가 블록킹층(17)에 의해 차단되기 때문에, 어떤 APD도 활성 영역(13)에 도달할 수 없다.(또는 적어도 수가 감소된 APD가 도달한다.) 또한, 도 4의 실시예에서, 어떤 APD도 도광 영역(12, 14)에 도달하지 않거나, 수가 감소된 APD가 도달한다. 결과적으로, 디바이스의 레이저 특성들이 향상된다.
APD가 활성 영역(13)에 도달하기 전에 APD의 전파를 차단하기 위해서 블록킹층(17)이 n-타입 클래딩 영역(11) 내에 위치할 필요는 없으며, 현재의 위치에 제공될 필요도 없다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 n-타입 클래딩 영역(11)과 도광 영역(12) 사이의 인터페이스에 대체적으로 배치될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 도광 영역(12)의 하부에, 또는 도 8에 도시된 바와 같이 도광 영역(12)의 하부와 활성 영역(13)과의 사이에 대안적으로 배치될 수도 있다. 블록킹층(17)의 위치와는 별개로, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 레이저 구조는 도 4에 도시된 레이저 구조와 일반적으로 유사하다. 도 4, 도 6, 도 7 및 도 8의 모든 실시예에서, 블록킹층이 활성 영역과 기판 사이에 위치하고, APD가 활성 영역(13)에 도달하기 전에 APD의 전파를 차단할 것이다.
블록킹 영역(17)은 대안적으로는 활성 영역(13)의 하부의 어떤 위치에도 배치될 수 있다. 그러나, APD의 도광 영역으로의 전파를 차단하기 위해서는 블록킹층이 기판과 도광 영역(12) 사이에 위치하는 것이 양호하다. APD가 도광 영역(12)으로, 또는 도광 영역(12)의 일부로 전파하는 경우, APD가 활성 영역 자체로 전파하는 것을 차단한다고 할지라도 레이저 특성에 열화가 유발될 것이다.
상술된 바와 같이, 인화물 재료 내의 APD에 대한 전형적인 도메인 사이즈는 1㎛ 근방이다. 본 발명은 인화물 레이저에 적용되었으므로, 따라서 블록킹층(17)은 활성 영역의 1㎛ 내에 양호하게 배치된다. 이것은 APD가 블록킹층 위의 층들에 재형성될 수 없다는 것을 보장한다.
본 발명은 단일 블록킹층에 한정되지 않으며, 레이저 구조에 2개 또는 그 이상의 블록킹층들을 제공하는 것이 가능하다. 도 9는 레이저 구조에 2개의 블록킹층이 제공된 본 발명의 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, n-타입 클래딩 영역(11) 내에 제1 블록킹층(17)이 제공되고, n-타입 클래딩 영역(11)과 도광 영역(12, 14) 사이의 인터페이스에 제2 블록킹층(17')이 제공된다.
본 발명이 (Al, Ga, In)P 레이저에 적용되는 경우, 블록킹층에 대한 적합한 재료는 GaP 또는 Ga1-yInyP (이하 GaInP)를 포함한다.
GaInP의 인듐 몰분율이 0부터 1까지 변화함에 따라 격자상수가 증가하고 Г - Г 밴드갭이 감소한다. 밴드갭과 격자 상수 간의 관계가 도 3에 도시되어 있으며, 또한 Г - X 밴드갭을 도시한다. 도 3은 GaP가 Г - Г 밴드갭 및 Г - X 밴드갭이 각각 2.9eV 및 2.3eV이고 격자 상수가 5.451Å인 간접천이형반도체(indirect semiconductor)인 것을 도시한다. InP는 Г - Г 밴드갭 및 Г - X 밴드갭이 각각 1.4eV 및 2.3eV인 직접천이형 물질이다. 상술된 바와 같이, GaAs의 격자 상수는 5.563Å이고, GaInP는 인듐 몰분율(y)가 정확히 0.48인 경우 GaAs와 격자정합된다.
벌크 GaAs는 벌크 GaP의 것보다 대략 3.7% 더 큰 격자 상수를 가지고 있다. 일반적으로 그러한 격자 부정합을 갖는 2개의 반도체 재료들 간의 인터페이스에서 전위가 발생할 수 있다. 이들 전위들은 레이저 디바이스의 성질들을 열화시킬 수 있기 때문에, 본 경우에는 바람직하지 않다.
밑에 있는 층과 성장하는 에피층 간의 격자 부정합이 충분히 작다면, 증착된 제1 원자층(atomic layer)이 밑에 있는 층의 격자 상수와 매치하기 위해 스트레인되어서, 코히어런트한 인터페이스(coherent interface)가 형성될 것이라는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 성장하는 에피층의 두께가 증가함에 따라, 어긋난 전위들이 생성되기에 가장 유리한 임계 두께에 도달할 때까지 균질한 스트레인 에너지가 증가한다. 이러한 임계 두께의 존재는 J. H. Van Der Merwe등에 의해 "Journal of Applied Physics" Vol. 34, p123 (1962)에 제일 먼저 개시되었다. 본 발명에서, 벌크 격자 상수가 레이저 구조의 반도체층들에 격자 정합되지 않는 재료로 만들어진 블록킹층을 갖는 레이저 구조가 제공되는 경우, 전위가 발생하는 것을 방지하기 위해, 이 블록킹층의 두께는 임계 두께보다 얇은 것이 양호하다. 이 경우에, 블록킹층은 스트레인 상태에 있게될 것이며, 그 스트레인의 결과로서, 반도체층들과 격자 정합될 것이다.
GaP 블록킹층이 GaAs와 격자 정합된 반도체층 상에서 성장하는 경우, 블록킹층은 반도체층보다 작은 격자 상수를 가질 것이기 때문에 인장 변형의 상태에 있게될 것이다.
3.7%의 격자 부정합에 대하여, 어긋난 전위가 발생할 임계 두께가 16Å인 것으로 산출된다(R. People 등의 "Applied Physics Letters" Vol. 47 No. 3 pp. 322-324 1985 참조). 따라서, 스트레인된 GaP 층이 블록킹층으로 사용되는 경우, 그 두께는 양호하게는 16Å이하이다.
얇은 GaP층이 인장 변형 하에서 위치되는 경우, 그 밴드갭은 도 3의 벌크 GaP에 대하여 주어진 값들을 취하지 않을 것이다. 인장 변형은 Г - Г 밴드갭은 0.144eV 감소시켜 2.756이 되게 하고, Г - X 밴드갭은 2.320으로 미소하게 증가할 것이다. 인장 변형된 GaP층에 대한 Г - Г 밴드갭은 Г - X 밴드갭의 상기 값들은 AlInP의 밴드갭과 매우 유사하다. 이것은 캐리어들에 대한 현저한 전위 장벽 또는 전위벽을 생성시키지 않고 AlInP 클래딩층 내의 인장 변형된 GaP로 구성된 블록킹층을 사용하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 상기 밴드갭을 사용하고, 그리고 전도대와 가전자대 간에 70:30 밴드 오프셋(band offset)이 있다고 가정한다는 것은, Г - 전자에 대하여 전위 장벽이 30meV 근방으로 낮다는 것을 암시한다. 이러한 전위 장벽은 실온에서의 kT(k는 볼쯔만 상수, T는 절대온도)의 값과 거의 거의 동일하며, 따라서 이러한 장벽은 실온에서의 동작 동안에 레이저 성질에 현저하게 영향을 줄 것이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 블록킹층은 논제로(non-zero) 몰분율을 갖는다.GaInP의 밴드갭은 인듐 몰분율이 증가함에 따라 감소하고, 인장 변형된 GaInP층을 블록킹층으로서 사용하는 장점은 블록킹층의 밴드갭이 레이저 구조 내에서 사용된 다양한 쿼터너리 합금들(quarternary alloy)의 밴드갭으로 동조될 수 있다는 것이다. 예를 들어, Ga0.3In0.7P의 인장 변형층은 각각 2.450eV 및 2.3eV의 Г - Г 및 Г - X 밴드갭을 가지며, 이들 밴드갭들은 레이저 디바이스의 클래딩층들에 대한 재료로서 공통적으로 사용된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P의 것과 동일하다. 스트레인된 Ga0.3In0.7P층이 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P층 상에 성장하는 경우에 임계 두께는 33Å이며, 블록킹층의 두께가 이것보다 얇은 것이 양호하다.
블록킹층을 위한 다른 유용한 재료는 Ga0.38In0.62P의 인장 변형층이다. 이러한 재료의 Г - Г 및 Г - X 밴드갭은 2.3eV로서, 도 1a 및 도 1b에 도시된 레이저 디바이스의 도광층을 형성하기 위해 사용된 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 내에서와 같다. (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P와 Ga0.38In0.62P의 밴드갭이 거의 같기 때문에, Ga0.38In0.62P 블록킹층이 현저한 전위벽 또는 전위 장벽을 생성시키지 않고 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 도광층 내에 제공될 수 있다. Ga0.38In0.62P층의 임계 두께는 60Å 근방이다.
도 5는 도 4의 레이저 디바이스의 개략적인 밴드갭의 도면이다. 도 5는 n-클래딩 영역(11), 블록킹층(17) 및 도광 영역(12)의 일부에 대한 밴드갭들을 도시한다. n-타입 클래딩 영역(11)은 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P로 형성되어 있고, 도광 영역은 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P로 형성되어 있다. 블록킹층(17)은 n-타입 클래딩 영역(11) 내에 배치되어 있으며, Ga0.3In0.7P의 스트레인된 층으로 형성되어 있다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 블록킹층(17)의 Г - Г 및 Г - X 밴드갭들이 블록킹층이 제공된 클래딩 영역의 것들과 유사하여서, 어떤 전위 장벽 또는 전위벽도 형성되지 않는다.
도 5의 실시예에서, 블록킹층(17)의 두께는 GaAs와 부정합된 Ga0.3In0.7P층의 임계 두께인 33Å 이하이어야 한다.
블록킹층이 n-타입 클래딩 영역(11)이 아닌 도광 영역(12)에 제공되는 경우, 블록킹층이 Ga0.38In0.62P로 형성되는 것이 양호하다. 이 재료는 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 도광 영역과 밴드갭 정합(bandgap match)된다.
블록킹층이 2개의 층들, 예를 들어 클래딩층과의 사이의 인터페이스에 제공되는 경우, 블록킹층의 밴드갭이 상기 층들 중에 어느 한쪽과 정합될 수 있다.
비록 상술된 특정 실시예가 주로 (Al, Ga, In)P 시스템과 관련되어 있으나, 본 발명은 이러한 시스템에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 오더링 효과를 보이고 APD 같은 결함들의 반도체 구조를 관통하는 전파가 디바이스 성질에 현저한 열화를 유발하는 어떤 재료 시스템에서도 적용될 수 있다.
비록 도 5의 블록킹층은 블록킹층이 위치하는 층의 밴드갭들과 유사한 밴드갭들을 가지지만, 이것은 본 발명의 본질적인 특성은 아니다. 그러나, 양호한 특성이기는 하며, 밴드갭 내의 어떤 부정합도 전위 장벽 또는 전위벽을 유발할 것이기 때문에, 이것은 캐리어들의 디바이스의 활성 영역으로의 수송을 방해할 것이다.
본 발명은 반도체 레이저 디바이스가 결함에 매우 민감하기 때문에, 반도체 레이저 디바이스에 적용될 경우에 특별한 장점이 있다. 그러나, 본 발명은 레이저 디바이스에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 발광 다이오드 같은 다른 반도체 소자들에 적용될 수 있다.
Claims (25)
- 반도체 디바이스에 있어서,기판, 및 상기 기판 상에 배치된 다층 구조물을 포함하고,상기 다층 구조물은,제1 반도체층,활성층인 제2 반도체층,상기 기판과 상기 활성층 사이에 배치되고, 도광 재료로 이루어진 제3 반도체층,도광 재료로 이루어진 제4 반도체층, 및상기 제1 반도체층으로부터 역상 도메인 결함(APD)의 전파를 차단하기 위한 층을 포함하고,상기 차단층 및 상기 활성층은 상기 제3 반도체층에 근접하여 배치되고,상기 제1 반도체층은 상기 기판상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 제1 반도체층은 상기 디바이스의 클래딩층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 클래딩층 상에 도광 영역이 배치되어 있는 분리 격리 헤테로구조 레이저 디바이스이고, 상기 도광 영역 내에 활성층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 클래딩층, 도광 영역 및 상기 활성층을 기재된 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제3항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 클래딩층 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 클래딩층 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 클래딩층과 상기 도광 영역 사이의 인터페이스에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 도광 영역 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 (Al, Ga, In)P 디바이스이고, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 Ga1-yInyP층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 스트레인된 Ga1-yInyP층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 상기 활성층의 1㎛ 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층의 밴드갭은 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층에 인접한 반도체층의 밴드갭과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제13항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 제1 반도체층 내에 배치되고, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층의 상기 밴드갭이 상기 제1 반도체층의 밴드갭과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제4항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층의 상기 밴드갭이 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층에 인접한 반도체층의 밴드갭과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제15항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 도광 영역 내에 배치되고, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층의 상기 밴드갭이 상기 도광 영역의 밴드갭과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제15항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층이 상기 클래딩 영역과 상기 도광 영역 사이의 상기 인터페이스에 배치되고, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층의 상기 밴드갭이 상기 도광 영역의 밴드갭 또는 상기 클래딩층의 밴드갭 중의 하나와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제14항에 있어서, 상기 제1 반도체층은 (AlyGa1-y)0.52In0.48P층(0.5<y<1)인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제18항에 있어서, 상기 제1 반도체층은 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P층이고 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 Ga0.3In0.7P층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제18항에 있어서, 상기 제1 반도체층은 Al0.52In0.48P층이고 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 GaP층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제16항에 있어서, 상기 도광 영역은 (AlyGa1-y)0.52In0.48P층(0.3<y<0.5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제21항에 있어서, 상기 도광 영역은 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P층을 포함하고 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 Ga0.38In0.62P층인 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 반도체층으로의 상기 결함들의 전파를 차단하는 제2층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 상기 층은 상기 제2 반도체층으로의 역상 도메인 결함들의 전파를 차단하는 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
- 제24항에 있어서, 상기 결함들의 전파를 차단하는 층의 역상 도메인 결함의 특성적 사이즈가 상기 제2 반도체층 내의 역상 도메인 결함의 특성적 사이즈와 다른 것을 특징으로 하는 반도체 디바이스.
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