KR100385039B1 - 반도체 장치 - Google Patents

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Abstract

(Al, Ga, In)P 반도체 레이저 장치는 n형 및 p형 클래딩(cladding)층 사이에 배치된 광영역(optical region)을 구비한다. 양자 우물 활성층 및 상기 양자 우물층과 번갈아서 배치된 장벽층을 포함하는 활성영역은 상기 광 가이딩(guiding) 영역 내에 제공된다. InxGa1-xP의 변형층은 상기 장벽층으로 사용된다. 따라서 상기 활성영역은 무알루미늄(aluminium-free) 상태이고, 이로인해 상기 활성영역의 산소 불순물 농도가 감소되어 상기 레이저의 성능과 신뢰도를 향상시킨다.
무알루미늄 스페이서(spacer)층은 클래딩층들 중의 하나와 상기 클래딩층에 가장 가깝게 배치된 양자 우물 활성층 사이에 제공될 수 있다.
본 발명은, 예를 들면 LED와 같은 다른 반도체 장치에 이용될 수 있다.

Description

반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 특히 반도체 레이저 장치 혹은 발광 다이오드와 같은 파장 630㎚ 내지 680㎚ 범위인 가시광을 방출하는 반도체 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 가장자리 방출(edge-emitting) 또는 표면 방출 (surface-emitting)형일 수 있다.
630㎚-680㎚ 파장 범위의 가시광을 방출하는 (Al, Ga, In)P 물질계로 제조된 레이저 장치 또는 레이저 다이오드(LD)는 점점 더 전문 제품 및 소비자 제품의 중요한 구성요소가 되고 있다. 예를 들면, 디지털 비디오 디스크(DVD) 시스템은 60℃의 온도에 이르기까지 30㎽ 출력 전력까지 낼 수 있는 635㎚-650㎚ 파장 LD를 사용할 것이다. 다음 세대의 반도체 레이저는 더 높은(예를 들면 70℃) 작동 온도에 이르기까지 훨씬 더 큰 최대 전력 출력을 필요로 할 것이다.
(Al, Ga, In)P 계는 일반식 (AlxGa1-x)1-yInyP를 가진 화합물들의 집합을 의미하는데, 여기서 x와 y는 0과 1 사이에 있다. 이 반도체 시스템의 한 가지 특별한 이점은 인듐 몰비인 y가 0.48과 같을 때 GaAs 기판과 격자 정합(lattice-matched)된다는 것이다.
현재 (Al, Ga, In)P 레이저 다이오드의 중요한 한계는 가장 높은 특정 작동 온도에서 장기간 동안(또는 충분히 낮은 임계 전류로) 작동할 수 없다는 것이다. 이것은 상기 장치의 활성영역으로부터 주위 광 가이딩 영역, 이어서 p형 클래딩 영역으로 전자 누설에 의해 일어난다고 일반적으로 생각된다.
이제, 630㎚-680㎚에서 빛을 생성하기 위한 각 제한(comfinement) 레이저 구조의 일반적인 구조는 도 1a, 1b 및 1c를 참조하여 설명된다.
도 1a는 (Al, Ga, In)P 계로 제조된 각 제한 레이저 구조의 개략적인 밴드 구조이다. 그것은 n-도핑된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(1), (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광 가이딩 영역(2, 4), 상기 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광 가이딩 영역 내에 배치되어 있는 GaInP 양자 우물 활성영역(3), 및 p-도핑된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역(5)으로 구성된다. p형 접촉층(contact layer)은(도 1a에 도시되지 않음) 상기 p형 클래딩 영역(5) 상에 제공될 수 있고, n형 접촉층은(도시되지 않음) 상기 n형 클래딩 영역(1) 상에 제공될 수 있다. GaInP 양자 우물 활성영역의 Γ밴드 전자들은 상기 레이저 다이오드의 양자 우물 활성영역(3)에서 레이저 작동을 일으키는 광전이의 근원이 된다.
여기에서 사용되는 Γ밴드 및 X밴드라는 용어는 브릴루앙(Brillouin) 영역의 대칭점을 말하고 고체 물리학에서 표준 용어인데, 예를 들면 R. A. Smith "Semiconductors", (Cambridge University Press, 1978)를 참조하면 된다. Γ최소 및 X최소라는 용어는 각각 Γ밴드 및 X밴드의 최소 에너지 레벨을 말한다.
(Al, Ga, In)P의 전도대에서 최소 에너지는 알루미늄 함량에 대한 함수이다. 약 0.55의 알루미늄 농도에서 Γ밴드 최소부터 X밴드 최소까지 걸쳐 있다.
상기 광 가이딩 영역에 Γ전자들을 가두어 넣기 위해 유효 전위 장벽을 충분히 제공한다면, 상기 클래딩 영역(1, 5)의 알루미늄 몰비는 0.7일 필요가 없다. 도 1b는 도 1a의 레이저 구조와 유사한 레이저 구조를 도시하지만, 상기 클래딩 영역(1, 5)은 상기 광 가이딩 영역(2, 4)에 Γ전자들을 가두어 넣는 전위 장벽을 증가시키기 위하여 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P보다는 AlInP로 형성된다.
도 1a 및 도 1b에 나타낸 레이저 구조에서, 상기 활성영역(3)은 단일 GaInP 양자 우물층이다. 상기 활성영역은 장벽층에 의해 분리된 두 개 혹은 그 이상의 양자 우물층들을 선택적으로 포함할 수 있다.
도 1c는 활성영역이 다수의 양자 우물층으로 구성된 (Al, Ga, In)P 레이저 장치의 Γ전도대 및 가전자대를 나타낸다. 도 1c에 나타낸 실시예에서, 상기 활성영역(3)은 양자 우물층의 각 인접 쌍이 장벽층(3b)에 의해 분리된 세 개의 GaInP 양자 우물층(3a)으로 구성된다. 상기 장벽층(3b)은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 또는 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P와 같은, 상기 양자 우물층(3a)을 형성하기 위해 사용된 물질보다 Γ밴드가 더 높은 물질로 형성된다. 상기 도 1c에 나타낸 레이저에서 상기 장벽층(3b)은 상기 광 가이딩 영역(2, 4)에 사용된 것과 같은 재료인, (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P로 형성된다.
반도체 레이저의 성능저하는 상업 장치를 개발하는데 주요한 문제가 되었다. 레이징(lasing) 파장이 약 0.85㎛인 AlGaAs/GaAs 레이저는 1970년대에 최초로 개발되었으나, 이러한 레이저들의 초기 예는 사용 중에 빨리 성능이 저하되어 결과적으로 수명이 낮았고 상업적 이용에 부적당하였다. 이러한 레이저와 관련된 중요한 성능저하 문제를 극복하는데 상당한 시간이 걸렸으나, 긴 수명 AlGaAs/GaAs 레이저는 이제 상업적으로 이용할 수 있다. M. Fukuda는, "Reliability and Degradation of Semiconductor Lasers and LEDs" ISBN 0-89006-465-2에서, 수명이 10,000 시간 이상인 AlGaAs/GaAs 레이저를 이제 상업적으로 이용할 수 있다고 기록한다.
(Al, Ga, In)P 레이저가 상업적으로 성공하기 위하여, 이런 레이저의 수명은 AlGaAs/GaAs 레이저의 수명과 유사해야 한다.
현재에, 약 650㎚ 파장의 가시 스펙트럼에서 작동하는 넓은 밴드갭 인화물 레이저는 심한 성능저하 문제를 나타낸다. 저전력 인화물 레이저의 수명은 상업적 목적에 만족스러운 거의 10,000 시간이지만, 고전력 인화물 레이저의 전형적인 수명은 상업적으로 받아들여 질 수 없는 약 5,000 시간뿐이다. 더욱이, 이런 수명을 얻기 위하여 상기 레이저를 담금질(annelling)하는 것이 필요하고, 담금질하지 않은 레이저의 수명은 훨씬 더 짧다.
상기 성능저하 문제는 분자빔 에피택시(epitaxy)(MBE)를 사용하여 제조된 레이저에서 특히 심각하다. 현재, MBE에 의해 성장된 인화물 레이저 구조는 신뢰도를 향상시키고 레이저 작동에 대한 임계값을 감소시키기 위하여 열로 담금질되어야 한다. 상기 담금질 과정은 상기 물질의 비방사 재결합 중심들 중의 일부를 제거한다(혹은 적어도 이동시킴)고 추정된다. 하지만, 담금질 단계를 실시하는 것은 바람직하지 않다. p형 클래딩 영역에 대한 한 가지 공통 p형 도펀트(dopant)는 베릴륨이고, 베릴륨이 도핑된 레이저 장치를 담금질하면 베릴륨은 p형 클래딩 영역에서 활성영역으로 확산할 수 있다. 그런 확산은 상기 레이저 장치의 성능을 저하시키고, 또한 제조 과정의 수율(yield)을 낮출 수 있다.
인화물 레이저의 성능저하는 상기 활성영역의 산소 오염이 한 가지 이유가 될 수 있다. 산소와 알루미늄의 높은 반응성 때문에, 알루미늄을 함유한 인화물 재료의 산소 오염은 쉽게 일어날 수 있다. 산소는 비방사(non-radiative) 결점을 상기 활성층으로 전하고, 이로인해 레이저 진동에 대하여 높은 임계값을 야기할 수 있다.
산소를 함유한 종류(species)와 알루미늄의 높은 반응성 때문에, 산소는 알루미늄을 함유한 합금들에서 공통적인 오염물질이다. AlGaAs/GaAs 반도체 구조의 성장에서, 에피택셜(epitaxial) 성장 과정 동안 산소 원자는 경계면으로 이동하고상기 경계면에 트랩될(trapped) 정도로 충분히 움직이기 쉽다. 산소는 GaAs 및 AlGaAs에 비방사 중심을 형성하여, 산소의 존재는 AlGaAs/GaAs 레이저의 성능과 신뢰도를 감소시키는 경향이 있다. N. Chand 등은, "J. Vac. Sci Technol. B" Vol. 10 (2), p807, 1992에서, 알루미늄 몰비가 0.3 혹은 그 이상인 AlGaAs층의 전형적인 산소 원자 밀도는 적어도 1017㎝-3이라 기록한다. 대조적으로, GaAs에서 상기 산소 농도는 전형적으로 너무 작아서 검출할 수 없다.
Chand 등은 산소가 상기 AlGaAs/GaAs 경계면에 축적하는 경향이 있어서, 상기 장치의 활성영역에서 "산소 스파이크"를 일으킨다고 설명한다. 또한 그들은 베릴륨으로 도핑된 클래딩층의 산소 농도는 실리콘으로 도핑된 클래딩 영역보다 더 크다고 설명한다.
도 3a는 도 1c의 레이저의 산소 농도를 나타낸다. 상기 레이저의 밴드 구조는 도 3b에 반복되므로, 상기 산소 농도는 상기 장치의 레이저와 편리하게 관련지을 수 있다.
도 1c의 레이저는 주로 알루미늄 함량이 영이 아닌 (Al, Ga, In)P로 구성되어서, 배경 산소 농도는 대략 1017㎝-3이라고 생각된다. 이 구조의 성장에서, 산소는 상기 4개 층과 상기 GaInP 양자 우물층(3a) 사이의 경계면으로 이동한다. 이것은 각 경계면 영역에 국지적으로 높은 산소 농도, 혹은 "스파이크"를 일으킨다. 산소 농도의 이런 스파이크는 상기 활성층의 산소 농도를 증가시키고, 양자 우물 활성층에 비방사 트랩을 형성시킨다. 상술한 바와 같이, 이런 트랩은 상기 레이저의 성능과 신뢰도를 저하시킨다.
도 4는 (Al, Ga, In)P 계로 제조된 종래의 레이저 구조에 대한 산소 농도를 나타낸다. 상기 산소 농도는 2차 이온 질량 분광 분석법(secondary ion mass spectrometry; SIMS)에 의해 측정되었다. 도 4는 상이한 스캐닝 비율에서 실시된, 두 측정법의 결과를 나타낸다.
상기 측정된 샘플은 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 장벽층, (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 도파관 영역, 및 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P 클래딩 영역 사이에 끼인 3 GaInP 양자 우물층들을 포함한 활성영역을 구비하고 있다. (무알루미늄의)상기 GaInP 양자 우물층에서 1015㎝-3만큼 낮은 산소 농도와 비교하여, 상기 클래딩 영역 및 상기 도파관 영역은 각각 약 1017㎝-3으로 SIMS에 의해 측정된 산소 농도를 갖는다. 따라서 (GaAlAs /GaAs의 경우와 유사한 방법에서) 장벽층 및 양자 우물층 사이의 각 경계면에서의 산소 농도에는 날카로운 스파이크가 있다. 상기 SIMS 기구는 그와 같은 날카로운 특징을 분석할 수 없어서, 도 4는 사실상 세 개의 양자 우물층을 가로지르는 산소 레벨의 중첩(convolution)을 나타낸다. 상기 산소 농도에서 관찰되는 단일 스파이크는 상기 측정 기술로 만들어진 것이다.
상기 (Al0.7Ga0.5)0.52In0.48P 클래딩층 및 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 광 가이딩 영역의 산소 농도는 약 1017㎝-3으로 측정된다. 상기 활성영역의 산소 농도는 이보다 상당히 더 크다.(상술한 바와 같이, 도 4의 단일 산소 스파이크는 상기 측정 기술로 만들어진 것이다.)
2.6-2.8㎛ 깊이의 영역은 GaInP층인데, 예상대로, 산소 농도는 낮은 것으로 관찰된다. 산소 스파이크는 상층(epilayer) 구조와 기판 사이의 경계면에서 2.8-3.0㎛의 깊이에서 일어나고, 에피택셜 성장 과정 전에 상기 기판에서 완전히 제거되지 않은 산소가 원인이 된다.
무알루미늄 활성영역을 구비한 반도체 레이저 장치를 제조하기 위한 많은 시도가 있었다. A. Al-Muhanna 등은, "Applied Physics Letters" Vol. 72, No. 6, 641-642 페이지 (1998)에서, InGaAsP 활성층을 구비한 InGaAlP 계의 레이저 장치를 제시하였다. 이 레이저는 730㎚ 파장의 빛을 방출한다. 그들은 이 레이저의 효율이 향상되었다고 기록하고, 무알루미늄 활성영역을 사용한 탓이라고 한다.
Wade 등은, "Applied Physics Letters" Vol. 70, No. 2, 149-151 페이지 (1997)에서, 830㎚에서 빛을 방출하고 무알루미늄 활성영역을 구비한 레이저를 기록하고 있다. 게다가 이 장치는 InGaAsP층을 활성영역으로 사용하고, InGaP 광 가이딩 영역에 배치된다. Wade 등은 상기 레이저의 신뢰도 향상을 기록하는데, 무알루미늄 활성영역을 사용한 탓이라고 한다. 또한 그들은 향상된 COD(치명적 광거울 손상) 전력 밀도 레벨을 기록하고 있다.
하지만, InGaAsP의 밴드 갭(band gap)이 너무 작아서 630㎚ 내지 680㎚ 파장 범위에서 방출할 수 없기 때문에, InGaAsP 활성층을 사용하는 방법은 이 파장 범위에서 빛을 방출하는 레이저 장치를 얻는데 사용될 수 없다. 이것은 모든 Ⅲ-Ⅴ 반도체에 대한 경우이다(질화물을 제외한).
유럽 특허 제 0 476 689 호는 활성영역이 변형 AlGaInP층으로 형성된 630-680㎚ 범위에서 방출하는 레이저 장치를 개시한다. 장벽층은 인장 변형을 받고 양자 우물층은 압축 변형을 받으며, 상기 상이한 변형들은 상기 장벽과 양자 우물층에서 상이한 밴드 구조를 유도한다. 또한 이 문헌은 무알루미늄 상태라도 상기 레이저의 방출 파장이 증가하지만, 유사한 방법이 변형 GaInP층으로 형성된 활성영역에 사용될 수 있다고 제안한다.
유럽 특허 제 0 476 689 호에서 제안된 레이저는 활성영역에 인접해 있는 AlGaInP 도파관을 구비하고 있다. 도파관이 알루미늄을 함유하므로 도파관에서 산소 오염이 발생할 것이고, 산소 농도의 스파이크는 상기 활성영역과 도파관 사이의 경계면에서 일어날 것이다.
미국 특허 제 5 331 656 호는 550-590㎚ 파장 범위에서 방출하는 GaInP 레이저를 개시한다. 활성영역은 질소로 도핑된 GaInP로 형성되어 있는 양자 우물층 및 장벽층 모두를 포함한다. 하지만, 질소 도핑은 실제에 있어서는 실시하기가 곤란하다. 더욱이 약한 질소 도핑은 합금 구성성분을 변화시키지 않아서 중대한 변형을 일으키지 않는 반면에, 강한 질소 도핑은 밴드갭을 상당히 감소시킬 것이다.
또한 양자 우물층 및 장벽층이 정반대로 변형된 활성영역을 구비한 레이저는 미국 특허 제 5 903 587 호, 일본 특허 공고 제 11 145 549 호 및 미국 특허 제 5 841 152 호에 개시되어 있다. 하지만, 이 문헌은 630-680㎚ 파장 범위에서 방출하는 (Al, Ga, In)P 레이저와 관련이 없다. 일본 특허 공고 제 11 145 549 호는 상기 양자 우물층 및 장벽층 모두가 InGaAsP 층인 MQW 층을 개시한다. 미국 특허 제 5 903 587 호에 개시된 레이저는 0.98 내지 1.02㎛ 범위에서 방출하고 GaAsP로 형성된 장벽층과 GaInAs로 형성된 양자 우물층을 포함한 활성영역을 구비하고 있다. 미국 특허 제 5 841 852 호는 파장이 1.3㎛인 빛을 방출하는 레이저를 개시하는데, 상기 장벽층은 InGaAsP이고, 상기 양자 우물층은 InGaAs이다.
본 발명의 첫 번째 목적은 무알루미늄 활성영역을 구비한 반도체 장치를 제공하는 것으로써, 상기 활성영역은 하나 이상의 양자 우물층 및 하나 이상의 장벽층을 포함하고, 상기 양자 우물층 및 상기 장벽층은 번갈아서 배치되는데, -상기 또는 각(the or each) 장벽층은 변형층임- 여기서 상기 장치는 제1 클래딩 층, 및 제1 클래딩 층과 제1 클래딩 층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 배치된 무알루미늄 층을 더 포함한 반도체 장치를 제공하는데 있다.
여기에서 사용된 "무알루미늄 층(aluminium-free layer)"은 의도적인 구성 요소로서의 알루미늄을 포함하고 있지 않은 층을 말한다.
반도체 물질의 층을 변형시키는 것은 상기 물질의 밴드 갭(band gap)을 증가시킬 수 있다. 상기 장벽층(들)에 변형층을 사용하는 것은 상기 장벽층(들)에 알루미늄을 의도적으로 넣을 필요 없이 주변 양자 우물층들 간 Γ전자의 운반을 위해 효과적인 장벽을 제공하는데 필요한 Γ밴드 에너지를 갖는 장벽층 또는 층들을 제공한다. 따라서 본 발명은 무알루미늄 활성영역을 구비한 장치를 가능하게 한다.
더욱이, 성장 과정 동안 산소는 제1 클래딩 층과의 경계면에 축적하여, 산소농도가 높은 영역이 된다. 제1 클래딩 층 및 제1 클래딩 층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 무알루미늄 층을 제공하는 것은 이러한 높은 산소 농도 영역으로부터 상기 활성영역 사이에 공간을 두도록 배치하고, 상기 장치의 작동 특성에 있어서 높은 산소 농도 영역에 대한 영향을 감소시킨다.
본 발명의 두 번째 목적은 무알루미늄 활성영역을 구비한 반도체 장치를 제공하는 것으로써, 상기 활성영역은 하나 이상의 양자 우물층과 하나 이상의 장벽층으로 구성되고, 상기 양자 우물층과 상기 장벽층은 번갈아서 배치되는데, -상기 장벽층 각각은 변형층임- 여기서 상기 장치는 630 내지 680㎚ 범위의 파장을 갖는 빛을 방출하는 반도체 장치를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같이, 상기 장벽층(들)에 변형층을 사용하는 것은 상기 장벽층(들)에 알루미늄을 의도적으로 넣을 필요가 없도록 한다. 따라서 본 발명은 무알루미늄 활성영역을 구비하고 가시 스펙트럼 중 630-680㎚ 파장 범위에서 빛을 방출할 수 있는 장치를 가능하게 한다. 예를 들면, 레이저 장치의 활성영역에 알루미늄을 넣을 필요가 없도록 함으로써, 상기 활성영역의 산소 오염으로 인한 장치 성능저하가 감소하고 따라서 상기 장치의 수명은 증가한다.
본 발명의 두 번째 목적에 의한 장치는 제1 클래딩 층 및, 제1 클래딩 층과 제1 클래딩 층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 배치된 무알루미늄 스페이서층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 첫 번째 목적에 의한 장치는 630-680㎚ 범위의 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다.
본 발명의 다른 목적에 의한 장치는 635-650㎚ 범위의 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다.
상기 장벽층 각각은 인장 변형층일 수 있다.
상기 장벽층 각각과 상기 양자 우물층 각각 간 격자 부정합 (mismatch)은 작을 수 있다. 이것은 상기 장벽층(들)의 임계 두께를 증가시킨다.
상기 양자 우물층 각각은 상기 클래딩 층(들)에 격자 정합될 수 있다. 대안적으로, 상기 양자 우물층 각각은 압축 변형층(compressive strained layer)일 수 있다. 상기 양자 우물층 각각에 대해 압축 변형층을 사용하고 상기 장벽층 각각에 대해 인장 변형층을 사용함으로써, 상기 장치는 변형 보상 활성영역을 구비하게 된다.
상기 장벽층 각각은 인듐을 포함할 수 있다. 상기 장벽층(들)에 인듐을 넣는 것은 상기 장벽층(들)의 변형률을 감소시켜서 상기 장벽층(들)의 임계 두께를 증가시킨다.
상기 무알루미늄 층은 변형층일 수 있다.
상기 장치는 (Al, Ga, In)P 물질계로 제조될 수 있다. 예를 들면 장치는 630-680㎚ 영역에서 빛을 방출하고 무알루미늄 활성층을 구비하게 된다.
상기 활성층 각각은 GaxIn1-xP 층이고 상기 장벽층 각각은 GayIn1-yP 층일 수 있는데, 여기서 y > x이다. 예를 들면, 상기 활성층 각각은 Ga0.52In0.48P 층이고 상기 장벽층 각각은 Ga0.61In0.39P 층이거나, 대안적으로 상기 활성층 각각은Ga0.52In0.48P 층이고 상기 장벽층 각각은 Ga0.71In0.29P 층일 수 있다. Ga0.61In0.39P 및 Ga0.71In0.29P 인장 변형층의 밴드갭은, 각각, (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 및 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P와 거의 같아서, 상기 밴드갭 프로필에 영향을 미치지 않고 이러한 물질을 대체하여 사용할 수 있다.
대안적으로, 상기 활성층 각각은 Ga0.43In0.57P 층일 수 있다. 이 물질의 격자 상수는 GaAs보다 더 작아서, GaAs와 격자 정합된 층 상에서 성장될 때 압축 변형층을 형성할 것이다.
상기 장치는 레이저 장치일 수 있다. 대안적으로, 상기 장치는 발광 다이오드일 수 있다.
이제 본 발명에 따른 보다 적절한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명에 도움이 되는 실례를 통해 기술될 것이다.
도 1a는 종래의 (Al, Ga, In)P 레이저 장치에 따른 밴드갭(band-gap)을 나타내는 구성도.
도 1b는 다른 종래의 (Al, Ga, In)P 레이저 장치에 따른 밴드갭을 나타내는 구성도.
도 1c는 활성영역이 다수의 양자 우물층들을 포함하는 종래의 (Al, Ga, In)P 레이저에 따른 밴드갭을 나타내는 구성도.
도 2는 인듐(In) 농도 함수로서 GaInP의 밴드 에너지를 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 상기 구조의 산소 농도와 함께 도 1c에 나타낸 레이저의 전도대 및 가전자대를 나타낸 구성도.
도 4는 종래의 AlGaInP/GaInP 레이저 구조에 대한 산소 농도를 나타낸 도면.
도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 레이저 장치에 따른 밴드갭을 나타낸 구성도.
도 5b는 도 5a의 레이저 장치에 대한 산소 농도를 나타낸 도면.
도 6a는 본 발명의 다른 실시예의 레이저 장치에 따른 밴드갭을 나타낸 구성도.
도 6b는 도 6a의 레이저에 대한 산소 농도를 나타낸 도면.
도 7은 도핑되지 않은 GaInP의 산소 농도를 나타낸 도면.
도 8은 베릴륨으로 도핑된 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48의 산소 농도를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : n형 클래딩 영역, 12, 14 : 광 가이딩 영역
13 : 활성영역, 13a : 양자 우물층
13b : 장벽층 15 : p형 클래딩 영역
13c, 13d : 무알루미늄 스페이서층
도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 630-680㎚ 파장 범위에서 빛을 방출하기 위한 레이저 장치의 Γ전도대(상부 도형) 및 가전자대(VB)(하부 도형)를 나타낸다. 상술한 선행 기술의 레이저 장치처럼, 상기 레이저 장치는 n형 클래딩 영역(11), 광 가이딩 영역(12, 14), 상기 광 가이딩 영역 내에 배치된 활성영역(13), 및 p형 클래딩 영역(15)을 구비한다. 도 5a의 실시예에서 본 발명의 레이저 장치는 (Al, Ga, In)P 계로 제조된다. 상기 n형 및 p형 클래딩 층(11, 15)은 (Al0.7Ga0.3)0.52In0.48P로 형성되고 상기 광 가이딩 영역(12, 14)은 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P로 형성되어서, 상기 클래딩 층 및 광 가이딩 영역은 GaAs 기판과 격자 정합된다(도 5a에 도시되지 않음).
상기 활성영역(13)은 장벽층(13b)에 의해 분리된 다수의 양자 우물층(13a)을 포함한다. 도 1c에 나타낸 선행 기술 레이저 장치와 대조를 이루어, 상기 양자 우물층(13a) 및 상기 장벽층(13b)은 GaxIn1-xP로 형성된다. 상기 장벽층도 상기 양자 우물층도 Al을 포함하지 않아서, 상기 활성영역의 산소 농도는 상당히 감소된다. 상기 활성영역은 어떠한 알루미늄 함유 합금도 포함하지 않으므로, 상기 활성영역의 산소 불순물 농도는 1016㎝-3보다 더 낮을 것이라고 예상된다.
GaP는, Γ-Γ 및 Γ-X 밴드갭이 각각 2.9eV 및 2.3eV인, 간접 반도체이다. 그것의 격자 상수는 5.451Å이다. InP는 Γ-Γ 및 Γ-X 밴드갭이 각각 1.4eV 및 2.3eV인 직접 밴드갭 물질이다. 그것의 격자 상수는 5.85Å이다. GaxIn1-xP에서 인듐 농도를 증가시킴에 따라, 상기 격자 상수는 증가한다. Ga0.52In0.48P의 격자 상수는 5.653Å이어서, GaAs와 격자 정합된다. GaxIn1-xP의 인듐 몰비를 증가시킴에 따라, 그것의 밴드갭은 감소한다. 도 2는 그것의 구성성분에 대한 GaxIn1-xP의 밴드갭 의존도를 나타낸다. 그것은 전자반사율(폐쇄원), 파장 변조된 반사(wavelength modulated reflection)(개방원) 및 흡수 측정법(삼각형)(Landolt-Bornstein, Vol 17, Springer-Verlag에서)으로부터 77K에서 구한 실험값을 나타낸다.
인장 또는 압축 변형을 GaP 및 GaInP 층에 가하는 것은 벌크(bulk) 물질에 대한 예측값으로부터 상기 물질의 밴드갭을 변화시킬 것이다. 얇은 GaP 층의 GaAs에 대한 격자 부정합은 3.7%이다. 얇은 GaP 층이 GaAs, 또는 GaAs와 격자 정합된 층 상에 성장되면, 그것은 인장 변형 상태에 있게 될 것이다. 이 인장 변형은 GaP의 밴드갭으로부터 0.144eV만큼 Γ-Γ 밴드갭을 감소시켜서, Γ-Γ 밴드갭은 약 2.756eV이다. 또한 상기 인장 변형은 Γ-X 밴드갭이 약간 증가하도록 하여서, 약 2.30eV가 된다.
이와 같이 GaxIn1-xP 층의 인듐 몰비를 변화시키는 것은 상기 층의 밴드갭을 변화시킨다. 따라서, 인듐 몰비를 적당하게 선택함으로써, 알루미늄을 함유한 합금 층을 밴드갭이 거의 동일한 GaxIn1-xP의 변형층으로 대체할 수 있다. 예를 들면, 인장 변형 GaP 층에 대한 상기 Γ-Γ 및 Γ-X 밴드갭 값은 AlInP의 밴드갭과 매우 유사하다. 추가적인 예로서, 갈륨 몰비가 0.53 내지 0.75 범위인(즉, 인듐 몰비는 0.47 내지 0.25 범위이다) GaInP 물질의 밴드갭은 범위 0.1 < x < 0.5에 대해 (AlxGa1-x)0.52In0.48P와 같다.
도 5a의 실시예에서, 상기 양자 우물층(13a)은 Ga0.52In0.48P로 형성되어서, 이러한 층은 상기 클래딩 층(11, 15) 및 상기 광 가이딩 영역(12, 14)과 격자 정합된다. 이 물질의 Γ-Γ 밴드갭은 대략 2.0eV이다.
도 5a의 레이저의 장벽층(13b)은 Ga0.61In0.39P로 형성된다. 이것의 격자 상수는 5.617Å이어서 Ga0.52In0.48P 활성층(13a)에 대하여 약 0.6%의 격자 부정합을 갖는다. 일반적으로, 그와 같은 격자 부정합을 갖는 두 반도체 물질 간 경계면에서 전위(dislocation)가 일어날 것이다. 이런 전위는 상기 레이저 장치의 특성을 저하시키므로, 이 경우에 바람직하지 않다.
하층(underlying layer)과 성장 상층(growing epilayer) 간 격자 부정합이 충분히 작다면, 상층에 피복된 제1 원자 층은 상기 하층의 격자 상수와 정합하도록 변형되어서 서로 밀착해 있는(coherent) 경계면이 형성될 것이다. 하지만, 상기 성장 상층의 두께가 증가함에 따라, 부적합(misfit) 전위에 강력하게 유리하게 되는 임계 두께에 도달할 때까지 균일한 변형 에너지는 증가한다. 이 임계 두께는 J. H. Van der Merwe에 의해 "Journal of Applied Physics" Vol. 34, p123 (1962)에서 최초로 개시되었다. 상기 장벽층이 상기 양자 우물층과 격자 정합되지 않은 본 발명에서, 전위가 일어나지 않도록 하기 위하여 상기 장벽층의 두께가 상기 임계 두께보다 더 낮은 것이 바람직하다. 이 경우에, 상기 장벽층은 변형 상태에 있을 것이다.
GaAs와 격자 정합된, Ga0.52In0.48P 층 상에서 Ga0.61In0.39P 층이 성장될 때, 차단층(blocking layer)의 격자 상수는 상기 양자 우물층보다 더 낮으므로 상기 차단층은 인장 변형 상태에 있을 것이다.
0.6%의 격자 부정합에 대하여, 부적합 전위가 일어나는 임계 두께는 90Å으로 추정되는데, R. People 등의 "Applied Physics Letters" Vol 74, No. 3 322-324 페이지 (1985)를 참조하면 된다. 따라서, 도 5a에서처럼, 변형 Ga0.61In0.39P 층이 상기 장벽층에 사용되는 경우, 각 장벽층의 두께는 바람직하게는 90Å 혹은 그 이하이다.
도 5a의 레이저에서 상기 장벽층(13b)으로서 사용된 인장 변형 Ga0.61In0.39P 층의 밴드갭은 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 층과 같다. 따라서, 도 1c에 나타낸 형태의 레이저에서 사용된 (Al0.3Ga0.7)0.52In0.48P 장벽층(3b)은 도 5a의 레이저 장치의 인장 변형 Ga0.61In0.39P 장벽층(13b)으로 대체될 수 있다. 이것은 무알루미늄 활성영역이 생성될 수 있게 한다.
본 발명은 상기 변형 장벽층(13b)에 대하여 Ga0.61In0.39P를 사용하는 것으로 한정되지 않는다. 상기 양자 우물층이 Ga0.52In0.48P로 형성되면, 상기 장벽층(13b)은 갈륨 몰비가 대략 0.53 내지 0.75 범위인 GaInP의 변형층으로 형성될 수 있다. 구성성분이 이 범위 내에 있는 인장 변형 장벽층의 밴드갭은 격자 정합된 Ga0.52In0.48P의 밴드갭보다 충분히 더 커서 양자 우물을 만들어낸다.(상술한 바와 같이, 갈륨 몰비가 0.53 내지 0.75인 GaInP 물질의 밴드갭은 0.1 < x < 0.5 범위에 대하여 (AlxGa1-x)0.52In0.48P와 같다.)
예를 들면, Ga0.71In0.29P 변형층의 Γ-Γ 밴드갭은 대략 2.3eV인데, (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P의 밴드갭과 거의 같다. 따라서, Ga0.71In0.29P의 변형층은 도 1c의 레이저의 (Al0.5Ga0.5)0.52In0.48P 장벽층 대신에 사용될 수 있고, 이것은 상기 활성영역의 밴드갭 프로필을 바꾸지 않고 무알루미늄 활성영역을 생성할 수 있게 한다.Ga0.71In0.29P의 격자 상수는 5.577Å이어서, GaAs와 격자 정합된 층 상에 Ga0.71In0.29P층이 성장되는 경우에 임계 두께는 약 42Å이다. 따라서, 전위가 형성되지 못하게 하기 위해서 상기 장벽층(13b)의 두께는 바람직하게는 42Å이하이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 레이저는 630-680㎚ 파장 범위에서 빛을 방출할 것이다. 상기 양자 우물층(13a)의 고정된 갈륨/인듐 비율에 대하여, 상기 활성영역의 밴드 갭(bandgap) 그러므로 상기 레이저의 방출 파장은 상기 양자 우물층(13a)의 두께를 변화시켜 상기 활성영역(13)의 총두께를 변화시킴으로써 조절 될 수 있다. 따라서 상기 양자 우물층(13a)의 두께를 변화시킴으로써 본 발명의 레이저의 방출 파장은 630-680㎚ 범위, 특히 635-650㎚ 범위의 선택된 파장으로 조절 될 수 있다. 예로서, 650㎚의 방출 파장을 얻기 위하여 도 5a의 실시예에서 Ga0.52In0.48P 양자 우물층(13a) 각각의 두께는 대략 10㎚이어야 한다. 그 밖의 예로서, 650㎚의 방출 파장을 얻기 위하여 도 6a의 실시예에서 상기 양자 우물층 각각의 두께는 대략 60㎚이어야 한다.
두꺼운 장벽층을 원하면, 상기 활성층과 거의 격자 정합된 GaInP층을 사용할 필요가 있어서, 상기 임계 두께는 크다. Ga0.52In0.48P 활성층의 경우에, Ga0.55In0.45P의 인장 변형층을 사용하면 상기 장벽층의 임계 두께는 약 300Å이 될 것이다. 이 물질의 인장 변형층의 Γ-Γ 밴드갭은 약 2.75eV이다.
도 5a에 나타낸 레이저의 활성영역(13)은 알루미늄을 함유하지 않아서, 산소 농도가 낮지만, 상기 광 가이딩 영역(12) 및 상기 활성영역(13) 사이에서 경계면의산소 농도는 불가피하게 높다. 상술한 바와 같이, 이것은 상기 성장 과정 동안 산소가 상기 경계면에 축적되는 경향이 있기 때문이다.
이 산소 스파이크가 상기 레이저의 성질에 미치는 영향을 최소화하기 위하여, 상기 활성영역의 n측 상의 제일 바깥 양자 우물층 및 상기 광 가이딩 영역의 n측 부분(12) 사이에 무알루미늄 스페이서층을 제공하는 것이 바람직하다. 도 5a에 도시된 상기 레이저 장치는 무알루미늄 스페이서층(13c)을 구비한다. 도 5a의 실시예에서, 상기 무알루미늄 스페이서 영역은 Ga0.61In0.39P층으로 형성되고, 이 층은 인장 변형에 있을 것이다. 상기 스페이서 영역은 Ga0.61In0.39P에 한정되지 않고 0.5≤y≤0.65인 GayIn1-yP로 형성될 수 있다. 또한 상기 활성영역의 p측 상의 제일 바깥 양자 우물층 및 상기 광 가이딩 영역의 p측 부분(14) 사이에 무알루미늄 스페이서층(13d)을 제공할 수 있다.
도 5a에 나타낸 레이저 장치에서 양자 우물층(13a)은 상기 기판과 격자 정합되므로, 명목상으로는 변형되지 않는다. 하지만, 인장 변형 장벽층(13b)을 사용하는 것은 상기 양자 우물층에 뜻밖의 변형을 가져올 수도 있으므로, 상기 활성영역 내에 순변형을 일으킬 수 있다. 예를 들면 임계 전류를 감소시키기 위하여, 상기 활성영역이 변형되는 것이 간혹 바람직할 수도 있지만, 상기 클래딩층과 상기 광 가이딩층에 대하여 압축 변형된 물질의 양자 우물층을 만듦으로써 상기 활성영역에서 상당한 변형이 일어나는 것을 막을 수 있다. 압축 변형을 상기 양자 우물층(13a)에 가져오기 위하여, 상기 양자 우물층의 갈륨 몰비를 0.52이하로 감소시키고, 상기 양자 우물층의 격자 상수를 GaAs의 격자 상수보다 더 크게 할 필요가 있다.
도 6a는 상기 양자 우물층(13a)은 압축 변형층이고 상기 장벽층은 인장 변형층인 본 발명의 레이저 장치의 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 기판은(도시하지 않음) 또 GaAs이고, 상기 양자 우물층(13a)은 Ga0.43In0.57P층이며, 상기 장벽층은 Ga0.61In0.39P층이다. 이 실시예에서, 순변형(net strain)이 없는, 변형 보상 활성영역(strain-compensatied active region)이 생성된다. T. Katsuyama 등은 "Electronics Letters" Vol 26, No. 17, 1375-1377 페이지 (1990)에서, 변형 보상 활성층을 사용하는 것은 상기 레이저 장치의 임계값을 낮출 것이라고 제안하였다.
도 6b는 도 6a의 레이저의 산소 농도를 나타낸다. 상기 활성영역의 산소 농도는 대단히 낮아서, 약 1016㎝-3일 것이다. 상기 광 가이딩 영역(12)의 경계면에서 산소 프로필 내에 "스파이크"가 있지만, 도 5a의 실시예에서처럼 무알루미늄 스페이서층들(13c, 13d)을 제공함으로써, 상기 레이저 특성에 미치는 이 스파이크의 영향을 최소화할 수 있다.
도 7은 2차 이온 질량 분광 분석법(SIMS)에 의해 측정된 도핑되지 않은 GaInP의 산소 농도를 나타낸다. 이것은 이 물질의 산소 농도가 상기 측정 장치의 검출 한계(대략㎝-3) 이하에 있다는 것을 보여준다. 도핑되지 않은 GaInP의 산소 농도는 대략 1015㎝-3으로 생각된다.(약 0.1㎛ 이하의 깊이에서 산소 농도 내의피크(peak)는 일부분을 샘플 표면의 산소 오염으로부터 그리고 일부분은 에칭으로 "세틀링(settling)"하는 SIMS 기구로부터 일어난다.)
대조적으로, AlGaInP의 산소 농도는 도 8에 나타나 있다. 이것은 1㎛ 두께의 AlGaInP층, GaInP층, 및 기판으로 구성된 샘플에 대한 산소 농도를 나타낸다. 약 1㎛ 깊이까지 확장되는 AlGaInP층의 산소 농도는 약㎝-3이다. 깊이가 약 1㎛에서 1.6㎛까지 확장되는 GaInP층의 산소 농도는, 도 7에서처럼, 상기 측정 장치의 검출 한계(대략㎝-3) 이하에 있다. (약 1.6 내지 1.8㎛의 깊이에서 산소 농도의 피크(peak)는 상기 상층과 기판 사이의 경계면에 있고, 상기 에피택셜(epitaxial) 성장 과정 전에 상기 기판 표면으로부터 완전히 제거되지 않은 산소 때문이다.)
도 8은 명목상 동일한 두 개의 AlGaInP 샘플에 대한 SIMS 결과를 나타낸다. 상기 샘플들은 몇 년 동안 따로 성장되었고, 산소 불순물 농도는 시간의 함수로써 변하지 않는다는 것을 나타낸다.
본 발명은 레이저 장치와 관련하여 상술하였다. 하지만, 본 발명은 레이저 장치로의 사용에 한정되지 않고, 예를 들면, 발광 다이오드와 같은 다른 반도체 장치에 이용될 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같은 본 발명은 상기 장벽층(들)에 변형층을 사용함으로써 상기 장벽층(들)에 알루미늄을 의도적으로 넣을 필요가 없도록 하며, 제1 클래딩과 제1 클래딩 층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 무알루미늄 층을 제공함으로써 이 높은 산소 농도 영역으로부터 상기 활성영역 사이에 공간을 두어 배치하고 상기 장치의 작동 특성에 미치는 높은 산소 농도 영역의 영향을 감소시키는 효과가 있다. 따라서 본 발명은 무알루미늄 활성영역을 구비하고 가시 스펙트럼 중 630-680㎚ 파장 범위에서 빛을 방출할 수 있는 장치를 가능하게 한다.

Claims (31)

  1. 무알루미늄(aluminium-free) 활성영역을 구비한 반도체 장치에 있어서,
    상기 활성영역은 하나 이상의 양자 우물층, 및 하나 이상의 장벽층- 상기 양자 우물층(들)과 상기 장벽층(들)은 번갈아서 배치됨 -을 포함하며,
    상기 장벽층 각각은 변형층이고, 상기 장치는 제1 클래딩(cladding)층, 및 상기 제1 클래딩층과 상기 제1 클래딩층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 배치된 무알루미늄 층(aluminium-free layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 사용시 630 내지 680㎚ 범위인 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 장치는 사용시 635 내지 650㎚ 범위인 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 장벽층 각각은 인장 변형층(tensile strained layer)인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 장벽층 각각(the or each barrier layer)과 상기 양자우물층(the or each quantum well layer) 각각 사이의 격자 부정합(lattic mismatch)이 작은 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 상기 제1 클래딩층과 격자 정합된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 압축 변형층(compressive strained layer)인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장벽층 각각은 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 제1항에 있어서, (Al, Ga, In)P 물질계로 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 GaxIn1-xP층이고, 상기 장벽층 각각은 GayIn1-yP층- 여기서 y > x임 -인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.52In0.48P층이고, 상기 장벽층 각각은Ga0.61In0.39P층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.52In0.48P층이고, 상기 장벽층 각각은 Ga0.71In0.29P층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.43In0.57P층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 장치는 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 장치는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 무알루미늄 활성영역을 구비한 반도체 장치에 있어서,
    상기 활성영역은 하나 이상의 양자 우물층, 및 하나 이상의 장벽층- 상기 양자 우물층(들)과 상기 장벽층(들)은 번갈아서 배치됨 -을 포함하며,
    상기 장벽층 각각은 변형층이고, 상기 장치는 사용시 630 내지 680㎚ 범위인 파장의 빛을 방출하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  17. 제16항에 있어서, 제1 클래딩층, 및 상기 제1 클래딩층과 상기 제1 클래딩층에 가장 가까운 양자 우물층 사이에 배치된 무알루미늄 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  18. 제16항에 있어서, 사용시 635 내지 650㎚ 범위인 파장의 빛을 방출하기에 적합한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 장벽층 각각은 인장 변형층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 장벽층 각각과 상기 양자 우물층 각각 사이의 격자 부정합이 작은 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 상기 제1 클래딩층과 격자 정합된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 압축 변형층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  23. 제16항에 있어서, 상기 장벽층 각각은 인듐을 포함하는 것을 특징으로 하는반도체 장치.
  24. 제16항에 있어서, 상기 무알루미늄 층은 변형층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  25. 제16항에 있어서, (Al, Ga, In)P 물질계로 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 양자 우물층 각각은 GaxIn1-xP층이고, 상기 장벽층 각각은 GayIn1-yP층- 여기서 y > x임 -인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.52In0.48P층이고, 상기 장벽층 각각은 Ga0.61In0.39P층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  28. 제25항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.52In0.48P층이고, 상기 장벽층 각각은 Ga0.71In0.29P층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  29. 제25항에 있어서, 상기 활성층 각각은 Ga0.43In0.57P층인 것을 특징으로 하는반도체 장치.
  30. 제16항에 있어서, 상기 장치는 레이저인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  31. 제16항에 있어서, 상기 장치는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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