KR100763424B1 - 반도체 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

기판 상에 순서대로 적층된, 제1 도전형의 클래드층, 활성층 및 적어도 클래드층을 포함하는 제1 도전형과는 역의 제2 도전형의 반도체층을 구비한 반도체 발광 장치에 있어서, 반도체층 상부의 일부에 리지(ridge)가 형성되고, 제1 도전형의 클래드층, 활성층 및 제2 도전형의 반도체층이 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어지고, 리지(21)는 그 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있는 것이다. 반도체 발광 장치는 임계치 전류를 100㎃ 이하로 하고, 수평각을 6°이상으로 할 때, 30㎽ 정도의 출력으로 안정적인 동작을 한다.
반도체 발광 장치, 질화물, 클래드층, 반도체층, 활성층, 리지, 임계치 전류, 수평각.

Description

반도체 발광 장치 {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도 1은 본 발명의 반도체 발광 장치에 관한 실시 형태를 나타낸 개략 구성 단면도이다.
도 2는 리지의 양측에 있어서의 반도체층의 막 두께와 리지 폭의 허용 범위를 나타낸 도면이다.
도 3은 반도체 발광 장치의 소비 전류와 리지 폭과의 관계도이다.
도 4는 반도체 발광 장치의 소비 전력과 리지 폭과의 관계도이다.
도 5는 임계치 전류와 리지 폭과의 관계도이다.
도 6은 수평각과 리지 폭과의 관계도이다.
본 발명은 반도체 발광 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이고, 상세하게는 청자색(靑紫色) 발광의 질화물계 화합물 반도체를 사용한 반도체 레이저나 발광 다이오드에 사용되는 반도체 발광 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광 디스크 시스템의 광원으로서, 청자색 반도체 레이저 소자가 주목되고 있다. 청자색 발광의 질화물계 화합물 반도체를 사용한 반도체 발광 장치로서는, 예 를 들면 일본국 특개평 11(1999)-214788호 공보에 개시(開示)되어 있는 질화갈륨계 반도체 레이저 소자가 있다. 이 반도체 레이저 소자는 기판 상에 질화물 반도체로 이루어지는 적어도 클래드층 사이에 끼인 질화물 반도체로 이루어지는 활성층을 구비하고 있는 것으로, 이 활성층의 폭보다도 좁은 폭의 스트라이프 영역(리지, ridge)에 전류가 주입되는 질화갈륨계 반도체 레이저 소자이고, 리지 폭이 0.2㎛ 이상 1.8㎛ 이하로 형성되어 있다.
그러나, 상기 종래의 기술에서 설명한 반도체 레이저 소자에서는, 리지 폭이 0.2㎛ 이상 1.8㎛ 이하이므로, 소비 전류가 100㎃ 이상으로 커져서 바람직하지 않다. 예를 들면, 단파장 디지털 비디오 디스크 기록 장치에서는, 반도체 발광 장치는 30㎽ 정도의 출력이 요구되고 있고, 안정적으로 동작시키기 위해서, 소비 전류를 100㎃ 이하로 저감하는 것과 소비 전력을 저감하는 것이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 임계치 전류를 100㎃ 이하로 하고, 수평각을 6°이상으로 해서, 30㎽ 정도의 출력으로 안정적인 동작을 하는 반도체 발광 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 기판 상에 순서대로 적층된, 제1 도전형의 클래드층, 활성층 및, 적어도 클래드층을 포함하는 제1 도전형과는 역의 제2 도전형의 반도체층을 구비하고, 반도체층 상부의 일부에 리지가 형성되고, 제1 도전형의 클래드층, 활성층 및 제2 도전형의 반도체층이 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어지고, 리 지는 그 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있는 반도체 발광 장치에 의해서 달성된다.
리지의 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있는 본 발명의 반도체 발광 장치에 있어서, 30㎽ 출력을 얻기 위해서 필요한 소비 전력은, 본 발명자의 실험에 의하면, 대략 0.6W 이하인 것이 판명되었고, 30㎽ 출력을 얻기 위해서 필요한 소비 전류는 대략 100㎃ 이하이다. 한편, 리지의 폭이 1.9㎛ 보다도 좁은 경우 및 2.6㎛를 넘는 경우에는, 소비 전류는 100㎃를 넘어서 사용할 수 없게 되고, 소비 전력도 급격히 커진다.
본 발명의 반도체 발광 장치에 의하면, 리지 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있으므로, 임계치 전류가 100㎃ 이하로 되는 발광 효율이 높은 청자색 발광의 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있고, 또 수평각(원시야상(far-field pattern)의 수평방향의 반치폭(半値幅))이 6.0°이상으로 되는 청자색 발광의 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라서 구성된 반도체 발광 소자의 개략 구성 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(11)에는 사파이어 기판을 사용하고, 그 기판(11) 상에는, 버퍼층(12), 제1 도전형(이하 제1 도전형을 n형이라고 함)의 콘택트층(13)이 적층되어 있다. 버퍼층(12)은 두께가 30㎚의 언도핑(undoping) 질화갈륨(GaN) 막으로 형성되어 있다. 또, n형의 콘택트층(13)은 두께가 4.5㎛의 n형의 질화갈륨(n-GaN) 막으로 형성되어 있고, n형 불순물로서 통상적으로 실리콘이 도핑되어 있다.
n형의 콘택트층(13)의 소정 영역 상에는, n형의 클래드층(14), n형의 가이드층(15), 활성층(16), p형의 캡층(17), p형의 가이드층(18), p형의 클래드층(19)이 하층부터 순서대로 적층되어 있고, 소정의 메사(mesa) 형상으로 형성되어 있다.
n형의 클래드층(14)은, 두께가 1.3㎛의 n형의 질화갈륨알루미늄(n-AlGaN, Al의 조성은 0.08) 막으로 형성되어 있고, n형 불순물로서 통상적으로 실리콘이 5 ×1018/㎤ 정도의 농도로 도핑되어 있다. n형의 가이드층(15)은, 두께가 100㎚의 n형의 질화갈륨(n-GaN) 막으로 형성되어 있고, n형 불순물로서 통상적으로 실리콘이 5 ×1018/㎤ 정도의 농도로 도핑되어 있다.
활성층(16)은, 웰층으로서의 n형의 질화인듐갈륨(n-Ga1-yInyN) 막과 장벽층으로서의 언도핑 질화인듐갈륨(undoped-Ga1-xInxN) 막으로 이루어지는 다중 양자 웰(multi-quantum well) 구조로 형성되어 있다. 예를 들면, 웰층은 두께가 3.5㎚인 실리콘 도핑 질화인듐갈륨(n-Ga1-xInxN, x = 0.14) 막으로 구성되고, 장벽층은 두께가 7.5㎚인 언도핑 질화인듐갈륨(undoped-Ga1-yInyN, y = 0.02) 막으로 구성된다. 이 다중 양자 웰 구조에서 웰수는 통상적으로 3이다.
p형의 캡층(17)은, 두께가 20㎚의 p형의 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN, Al의 조성은 0.2) 막으로 형성되어 있고, p형 불순물로서 통상적으로 마그네슘이 도핑되어 있다. 이 캡층(17)은 형성되어 있는 것이 바람직하지만, 형성되어 있지 않아도 된 다.
p형의 가이드층(18)은, 두께가 100㎚의 p형의 질화갈륨(p-GaN) 막으로 형성되어 있고, p형 불순물로서 통상적으로 마그네슘이 5 ×1019/㎤ 정도의 농도로 도핑되어 있다. 이 때의 캐리어 농도는 통상적으로 5 ×1017/㎤ 정도의 농도이다.
p형의 클래드층(19)은, 두께가 1.0㎛의 p형의 질화갈륨알루미늄(p-AlGaN) 막으로 형성되어 있고, p형 불순물로서 통상적으로 마그네슘이 8 ×1019/㎤ 정도의 농도로 도핑되어 있다. 이 때의 캐리어 농도는 통상적으로 8 ×1017/㎤ 정도의 농도이다.
p형의 클래드층(19)은, 그 상부의 일부가 스트라이프형의 리지 형상으로 형성되어 있다. 그 부분을 이하 리지(21)라고 한다. 이 리지(21)는, 그 폭(W)이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있다. 바람직하게는, 2.0㎛ 이상 2.4㎛ 이하로 형성된다.
리지(21) 양측에 또한 상기 활성층(16) 상에 있어서의 p형의 반도체층(20)의 두께(본 실시 형태의 경우에는, p형의 캡층(17), p형의 가이드층(18) 및 p형의 클래드층(19)을 포함시킨 두께)(d)는, 뒤에 상술하는 바와 같이, 적당한 임계치 전류를 얻는다는 관점에서, 도 2에 나타낸 사선의 범위이다. 예를 들면 리지 폭(W) = 1.9㎛일 때 0.03㎛ 이상 0.33㎛ 이하이고, 리지 폭(W) = 2.6㎛일 때 0.03㎛ 이상 0.295㎛ 이하이다.
리지(21) 상에는, 두께가 100㎚의 p형의 질화갈륨(p-GaN) 막으로 형성되는 p형의 콘택트층(22)이 형성되어 있다. 또한 p형의 클래드층(19) 상에는, p형의 콘택트층(22)의 상부를 개구한 형태로 전류 저지층(23)이 형성되어 있다. 이 전류 저지층(23)은, 그 하부의 p형의 반도체층(20)(특히, p형 클래드층(19))으로부터 전류가 유입되지 않도록 한 것으로 굴절률이 2.5 이하의 재료로 형성된다. 예를 들면, 산화실리콘(SiO2), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2), 질화산화실리콘(SiON), 산화하프늄(HfO2), 산화스칸듐(Sc2O3), 산화이트륨(Y2O3 ), 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화토륨(ThO2), 산화비스무트(Bi2O3 ), 질화실리콘(SiN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨알루미늄(n-AlxGa1-xN, x ≥0.02)으로 형성되어 있다.
전류 저지층(23) 상에는 리지(21)에 접속되는 p측 전극(24)이, 니켈(Ni)(두께가 10㎚), 백금(Pt)(두께가 100㎚), 금(Au)(두께가 300㎚)을 순서대로 적층한 막으로 형성되어 있다. 또 n형의 콘택트층(13) 상에는 n측 전극(25)이, 티탄(Ti)(두께가 10㎚), 알루미늄(Al)(두께가 100㎚), 백금(Pt)(두께가 100㎚), 금(Au)(두께가 300㎚)을 순서대로 적층한 막으로 형성되어 있다.
상기 설명한 바와 같이, 반도체 발광 장치(1)가 구성되어 있다.
다음에, 반도체 발광 장치(1)에 있어서의 리지 폭(W)의 한정 이유를, 도 3 내지 도 5에 따라 이하에 설명한다.
도 3은 30㎽의 출력을 얻을 때의 소비 전류와 리지 폭(W)과의 관계를 나타낸 도면으로서, 종축에 소비 전류를 나타내고, 횡축에 리지 폭(W)을 나타냈다. 또 도 면 중 검게 칠한 원은 공진기 길이(L) = 600㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타내고, 검게 칠한 삼각형은 공진기 길이(L) = 700㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타낸다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 리지 폭(W)이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하에서는, 대략 소비 전류가 100㎃ 이하로 되어 있다. 특히, 리지 폭(W)은 2.1㎛ 이상 2.4㎛ 이하가 바람직하다. 한편, 리지 폭(W)이 1.9㎛ 보다도 좁을 경우 및 2.6㎛ 보다도 넓을 경우에는, 소비 전류가 100㎃ 이상으로 되고, 특히 리지 폭이 1.9㎛ 보다도 좁아지면 급격히 소비 전류가 증대하고, 발열에 의해 동작 불량을 일으키는 원인으로 되어서 바람직하지 않다.
도 4는 30㎽의 출력을 얻을 때의 소비 전력과 리지 폭(W)과의 관계를 나타낸 도면으로서, 종축에 소비 전력을 나타내고, 횡축에 리지 폭(W)을 나타냈다. 또 도면 중 검게 칠한 원은 공진기 길이(L) = 600㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타내고, 검게 칠한 삼각형은 공진기 길이(L) = 700㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타낸다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 리지 폭(W)이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하에서는, 소비 전력이 대략 0.6W 이하로 되어 있다. 특히, 리지 폭(W)이 2.0㎛ 이상 2.4㎛ 이하에서는 확실히 0.6W 이하로 되어 있다. 한편, 리지 폭(W)이 1.9㎛ 보다도 좁을 경우 및 2.6㎛ 보다도 넓을 경우에는, 소비 전력이 0.6W 이상으로 되고, 특히 리지 폭이 1.9㎛ 보다도 좁아지면 급격히 소비 전력이 높아지고, 저소비 전력화의 목적을 달성할 수 없게 된다.
도 5는 공진기 길이(L) = 750㎛의 반도체 발광 장치의 임계치 전류(Ith)와 리지 폭(W)과의 관계를 나타낸 도면으로서, 종축에 연속 발진시의 임계치 전류(Ith)를 나타내고, 횡축에 리지 폭(W)을 나타냈다. 또, 도면 중, 실선은 리지 양측에 있어서의 반도체층의 두께(d)가 0.1㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타내고, 점선은 두께(d)가 0.3㎛의 장치(1)에서 얻어지는 데이터를 나타낸다.
반도체 발광 장치를 안정적으로 동작시키기 위해서는, 임계치 전류(Ith)를 100㎃ 이하로 할 필요가 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 두께(d)가 0.3㎛인 장치(1)에서 임계치 전류(Ith)를 100㎃ 이하로 하기 위해서는, 리지 폭(W)을 2.3㎛ 이하로 하지 않으면 안 된다. 또 두께(d)가 0.1㎛인 장치(1)에서 임계치 전류(Ith)를 100㎃ 이하로 하기 위해서는, 리지 폭(W)을 3.5㎛ 이하로 하지 않으면 안 된다.
여기서, 리지(21) 양측에 있어서의 반도체층(20)의 두께(d)에 대해서 설명한다. 두께(d)가 두꺼워지면, 리지(21)로부터 유출되는 전류는, 리지(21) 양측에 있어서의 반도체층(20) 방향에도 흐르고, 발광 영역에 유입되는 전류량이 감소한다. 즉, 전류효율이 저하되고, 임계치 전류(Ith)가 증대하게 된다. 한편, 두께(d)가 얇아지면, 리지(21)로부터 유출되는 전류는, 리지(21) 양측에 있어서의 반도체층(20) 방향으로는 흐르기 어렵게 되고, 발광 영역으로 효율 좋게 유입되게 된다. 따라서, 발광 영역에 유입되는 전류량이 증대하므로, 전류 효율이 높아지고 임계치 전류(Ith)가 저감되게 된다.
또, 두께(d)가 얇으면, 리지(21) 직하의 유효 굴절률(n2)과, 반도체층(20), 활성층(16), n형의 가이드층(15) 및 n형의 클래드층(14)으로 구성되는 유효 굴절률(n1)과의 차(Δn), 즉 Δn = n2 - n1 의 값이 커진다. 이와 같이, 굴절률 차(Δn)가 예를 들면 3 ×10-3 이상으로 커지면 횡 방향의 광의 가둠이 충분히 강해지므로 유도 방출이 효율 좋게 일어나게 되고, 따라서 임계치 전류(Ith)가 저하한다.
도 6은 리지(21) 양측의 반도체층(20)의 두께(d)를 파라미터로 해서 수평각(원시야상의 수평방향의 반치폭)(θ)과 리지 폭(W)과의 관계를 나타낸 도면으로서, 종축에 수평각(θ)을 나타내고, 횡축에 리지 폭(W)을 나타냈다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 리지 폭(W)의 범위인 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하에서는, 두께(d)가 0.03㎛ ∼ 0.25㎛의 범위일 때, 평균적인 수평각(θ)은 6.0°이상으로 되어 있다. 특히 두께(d)가 0.03㎛ ∼ 0.20㎛의 범위일 때, 평균적인 수평각(θ)이 8°이상으로 되어 있고, 불균일을 고려해도 6°이상으로 되어 있다. 그리고, 두께(d)의 값을 0.03㎛ 보다도 작게 하는 것도 가능하지만, p형의 클래드층(19)을 에칭해서 리지(21)를 형성하는 경우에는, 그 에칭 시에 활성층(16)에 에칭 대미지가 들어가지 않도록 하기 위해서, 0.03㎛ 정도의 두께로 p형의 클래드층(19)을 남길 필요가 있다. 따라서, 두께(d)는 0.03㎛ 이상으로 하였다. 단, 에칭 대미지가 들어가지 않도록 한 에칭에 의해 리지(21)를 형성하는 경우에는, 두께(d)의 값을 0.03㎛ 이하로 축소하는 것이 가능하다.
이상으로부터, 리지 폭(W)은 적어도 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하, 바람직하게는 2.1㎛ 이상 2.4㎛ 이하가 아니면 안 된다. 또, 두께(d)의 값은 0.03㎛ 이상 0.25㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
반도체 발광 장치(1)에서는, 전류 저지층(23)에 굴절률이 2.5 이하로 되는 저굴절률 재료, 바람직하게는 굴절률이 1.7 이하의 산화실리콘 또는 질화실리콘으로 전류 저지층(23)을 형성함으로써, 횡 방향으로 광강도 분포의 횡 모드를 안정적으로 유지하는 것이 가능하게 되어 있다.
또, 질화갈륨계 재료에 알루미늄을 첨가해도 굴절률은 그다지 변화하지 않는 것이 알려져 있었지만, 리지 폭(W)이나 리지(21)의 양측에 남겨진 반도체층(20)의 두께(d)가, 횡 방향의 굴절률 분포에 큰 영향을 가지는 것은 지적되지 않았었다. 그래서, 반도체 발광 장치(1)에서는, 전류 저지층(23)에 저굴절률 재료를 사용하고, X방향(횡 방향)으로 안정되게 광을 가두기 위해서, 상기 설명한 바와 같이 규정되므로, 저임계치화(임계치 전류(Ith)를 100㎃ 이하로 하는 것), 고원시야각화(to increase the far-field pattern)(원시야상의 수평 방향의 반치폭(θ)을 6.0°이상으로 하는 것)를 동시에 만족시키는 것이 가능하게 되었다. 또, 리지 폭(W)과 반도체층의 두께(d)를 선택함으로써, 반치폭(θ)을 8°이상으로 하는 것도 가능하게 된다. 그래서, 본 발명의 반도체 발광 장치는, 디지털 비디오 디스크(DVD) 장치와 같은 광 디스크 장치, 특히 고밀도 광 디스크 장치에 사용할 수 있다.
그리고, 상기 원시야상의 수평 방향의 반치폭(θ)은, 반도체 발광 장치로부터 방출되는 발광광의 수평 방향의 강도 분포에 있어서, 피크 강도의 50% 이상의 강도가 얻어지는 각도로 나타내진다.
본 발명의 구성은, 상기 실시 형태에서 설명한 이외의 이른바 리지를 가지는 질화갈륨계의 반도체 발광 장치에도 적용하는 것이 가능하다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명의 반도체 발광 장치에 의하면, 리지 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있으므로, 임계치 전류가 100㎃ 이하로 되는 발광 효율이 높은 청자색 발광의 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있다. 또, 원시야상의 수평각의 반치폭이 6.0°이상으로 되는 청자색 발광의 반도체 레이저 장치를 얻을 수 있다.
이상, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않고, 이 기술분야에 숙련된 자는 다음의 특허청구의 범위에 정의된 범위나 기술적 사상을 일탈하지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 가능함을 알 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 기판상에 순서대로 적층된, 제1 도전형의 클래드층, 활성층, 및 상기 제1 도전형과는 역의 제2 도전형의 반도체층을 구비하는 반도체 발광 장치에서,
    상기 제2 도전형의 반도체층은 적어도 클래드층을 포함하며,
    상기 반도체층 상부의 일부에 리지(ridge)가 형성되고,
    상기 제1 도전형의 클래드층, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형의 반도체층이 질화물계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어지고,
    상기 리지는 그 폭이 1.9㎛ 이상 2.6㎛ 이하로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리지의 측방에 존재하는 상기 반도체층은 그 두께가 0.03㎛ 이상 0.25㎛ 이하의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 리지의 측방에 존재하는 상기 반도체층 상에, 상기 반도체층으로부터 상기 활성층 방향으로 흐르려고 하는 전류를 저지하는 전류 저지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    적어도 상기 리지의 측방에 존재하는 상기 반도체층 상에, 상기 반도체층으로부터 상기 활성층 방향으로 흐르려고 하는 전류를 저지하는 전류 저지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
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