KR100853241B1 - 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의제조방법 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의제조방법 Download PDF

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Abstract

광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자에 있어서, 상기 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 상기 광출사부에 접하는 코팅막이 상기 광출사부에 인접하여 적층된 산질화물막 및 상기 산질화물막상에 적층된 산화막으로 이루어지는 질화물반도체 발광 소자가 제공된다. 또한, 벽개에 의해 캐비티의 단면을 형성하는 공정; 및 상기 캐비티의 단면을, 이 캐비티의 단면에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막 상에 적층된 산화막으로 이루어지는 코팅막으로 코팅하는 공정을 포함하는, 캐비티 단면에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 레이저 소자를 제조하는 방법이 제공된다.
광출사부, 코팅막, 질화물, 반도체 발광 소자, 질화물반도체, 산질화물막, 산화막, 벽개

Description

질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법{Nitride Semiconductor Light Emitting Device and Method of Fabricating Nitride Semiconductor Laser Device}
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 질화물 반도체 레이저 소자의 바람직한 일례의 모식적 단면도이다.
도2는, 도1에 나타낸 상기 제1 실시 형태에 있어서의 질화물 반도체 레이저 소자를, 캐비티의 길이를 따라 도시한 모식적 측면도이다.
도3은 ECR 스퍼터링 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 채용된 것과 동일한 조건하에 별도로 준비된 알루미늄 산질화물막의 AES에 의해, 깊이방향으로 본, 조성물의 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도5는 상기 제1 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면 상에 적층된 알루미늄 산질화물막 및 상기 알루미늄 산질화물막 상에 적층된 산화 알루미늄막으로 형성되는 코팅막의 AES에 의해, 깊이방향으로 본, 조성물의 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도6은 상기 제1 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자로 행해지는 에이징 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도7은 제2 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면 상에 적층된 알루미늄 산질화물막 및 상기 알루미늄 산질화물막 상에 적층된 산화 알루미늄막으로 형성되는 코팅막의 깊이방향 AES 분석의 결과를 나타낸 도면이다.
도8은 제3 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면 상에 적층된 알루미늄 산질화물막에 적용되는 것과 동일한 조건 하에 별도로 제공된 알루미늄 산질화물막의 깊이방향 AES 분석의 결과를 나타낸 도면이다.
도9는 종래 질화물 반도체 레이저 소자에 의해 행해지는 에이징 시험의 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 단면이 열화된 캐비티를 갖는 반도체 레이저 소자는 그 신뢰도가 훼손되는 것으로 알려져 있다. 캐비티는 비발광 재결합 준위가 존재할 때 단면이 열화되고 그에 따라 상기 단면이 과도하게 열을 발하는 것으로 생각된다. 이러한 준위의 주요인은 캐비티가 산화된 단면을 갖는 것에 있다.
따라서, 일본국 공개특허공보 09-162496호는 산소를 배제한 질화물로 형성된 코팅막으로 캐비티의 단면을 코팅함으로써 캐비티의 단면이 산화되는 것을 방지하고 있다. 또한, 일본국 공개특허공보 2002-237648호는 단면과 동일한 질화물의 유 전체 재료의 코팅막으로 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 단면을 코팅함으로써 비발광 재결합 준위를 감소시키고 있다.
이에 따라 통상적으로 질화물의 코팅막으로 캐비티의 단면을 코팅하는 것이 알려져 있다. 질화물 중, 질화 알루미늄이 특히 화학적 및 열적으로 안정적임과 동시에 양질의 절연체이고, 또한 높은 열전도성을 갖고 있어 매우 효율적으로 열을 발산한다. 이와 같이, 상기 질화 알루미늄은 반도체 레이저의 캐비티의 단면을 코팅하는 코팅막으로서 우수한 특징을 나타낸다(예컨대, 일본국 공개특허공보 03-209895호 참조). 그러나, 산소를 함유하지 않는 코팅막은 일반적으로 응력이 높고 예컨대 어두운 라인과 같이 열화되는 것으로 생각된다.
본 발명자들은 열화된 단면을 갖는 캐비티에 의해 신뢰도가 손상되지 않고 고출력으로 구동될 수 있는 질화물 반도체 레이저 소자를 제조하기 위해 캐비티의 단면에 AlN 막을 형성하는 기술을 개발하여 왔다.
우선, 알루미늄(Al) 및 질소 가스로 ECR 스퍼터링을 행하여 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면에 100℃로 6nm 두께의 AlN막을 적층한다. 다음, 5%의 반사율을 제공하기 위해 AlN막 상에 76nm 두께의 산화 알루미늄막을 적층한다. 또한, 적어도 95%의 높은 반사율을 얻기 위해 1조의 산화 실리콘막 및 산화 티타늄막으로 형성되는 고반사막을 갖는 캐비티의 광반사 단면에 상기 질화물 반도체 레이저 소자가 제공된다.
상기와 같이 제조된 질화물 반도체 레이저 소자는 70℃의 환경에 놓이고 100mW의 광출력을 제공하도록 연속적으로 레이저를 발하여 에이징 시험을 행한다. 도9에 나타낸 바와 같이, 15개의 질화물 반도체 레이저 소자 중, 8개의 질화물 반도체 레이저 소자의 발진이 갑자기 중단된다. 발진이 중지된 질화물 반도체 레이저 소자를 검사한바 그들 캐비티의 광반사 단면이 열화된 것을 발견했다. 본 발명자들은, 광반사 단면상에 적층된 6nm 두께의 AlN막의 응력이 여전히 커서 그 결과 상기 AlN막의 두께가 2nm로 감소되는 것으로 판단했다. 그러나, 그 결과는 실질적으로 동일했다. 이에 따라, 종래와 같이, AlN막을 갖는 캐비티의 광출사 단면을 갖는 질화물 반도체 레이저 소자는 고신뢰도를 얻기에는 불충분하다는 것을 발견했다.
또한, AlN막이 제공된 채 질화물 반도체 레이저 소자가 광출사부로서의 광출사 단면을 갖고 상기 광출사 단면이 질화물 반도체로 형성되는 경우, AlN막이 서로 긴밀히 접촉하여 그들 계면에 제공된 비발광 센터 등이 광을 흡수한다. 이는 광의 추출시 효율을 저하시켜 신뢰도를 훼손시킨다.
따라서, 본 발명은 신뢰도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은, 코팅막으로 코팅된 광출사부를 갖는 질화물 반도체 발광소자이고, 상기 광출사부는 질화물 반도체로 형성되며 이 광출사부와 접하고 있는 상기 코팅막은 상기 광출사부에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막상에 적층된 산화막으로 형성된다.
이때, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 질화물 반도체 레이저 소자일 수 있으며 상기 광출사부는 캐비티의 단면(facet)으로 될 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물 반도체 발광 소자에 있어서 상기 산질화물막은 알루미늄 산질화물막 및 실리콘 산질화물막 중 하나로 될 수 있다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광 소자에 있어서 상기 산화막은, 산화 알루미늄막, 산화 실리콘막, 산화 티타늄막, 산화 하프늄막, 산화 지르코늄막, 산화 니오븀막, 산화 탄탈륨막, 및 산화 이트륨막 중 하나로 될 수 있다.
또한, 본 발명은 코팅막으로 코팅된 단면을 갖는 캐비티를 갖는 질화물 반도체 레이저 소자의 제조 방법으로, 상기 방법은, 캐비티의 단면을 형성하기 위한 벽개(cleavage)를 제공하는 단계, 및 상기 캐비티의 단면을, 이 캐비티의 단면에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막상에 적층된 산화막으로 형성되는 코팅막으로 코팅하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 질화물 반도체 레이저 소자에 있어서, 산질화물막은 산화 알루미늄을 타겟으로 사용하여 제조될 수 있다.
이에 따라 본 발명은 신뢰도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광 소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적, 특징, 장점을 첨부 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명한다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 도면에서, 동일한 부호는 동일 또는 대응하는 구성을 나타낸다.
본 발명은, 코팅막으로 코팅된 광출사부를 갖는 질화물 반도체 발광소자이 다. 상기 광출사부는 질화물 반도체로 형성되며 이 광출사부와 접하고 있는 상기 코팅막은 상기 광출사부에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막상에 적층된 산화막으로 형성된다. 이에 따라 본 발명에 있어서 상기 광출사부는 이 광출사부에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막상에 적층된 산화막으로 형성되는 코팅막으로 코팅되어 질화물 반도체 발광소자의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
여기에서, 상기 질화물 반도체 발광소자는 예컨대 질화물 반도체 레이저 소자, 질화물 반도체 발광다이오드 소자 등을 포함한다. 또한, 상기 질화물 반도체 발광소자가 질화물 반도체 레이저 소자인 경우, 그의 광출사부는 캐비티의 단면에 대응한다. 상기 질화물 반도체 발광소자가 질화물 반도체 발광다이오드 소자인 경우, 그의 광출사부는 광출사 단면에 대응한다. 본 발명에 있어서, 상기 질화물 반도체 레이저 소자는 적어도, 주성분(적어도 50질량%의 양으로 포함된 성분)으로서 AlInGaN(알루미늄, 인듐 및 갈륨으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 한 형태의 원소와 질소의 화합물)을 함유하는 물질로 형성되는 클래드층 및 활성층을 갖는 반도체 레이저 소자를 나타낸다. 또한 본 발명에 있어서 캐비티의 단면은 적어도 반도체기판 및 상기 기판상에 적층된 활성층과 클래드층을 포함하는 스택을 벽개함으로써 형성된 미러 평면을 의미한다.
또한, 본 발명에 채용된 산질화물막은 예컨대 알루미늄 산질화물막 또는 실리콘 산질화물막으로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에 채용된 산화막은 예컨대 산화 알루미늄막, 산화 실리콘막, 산화 티타늄막, 산화 하프늄막, 산화 지르코늄막, 산화 니오븀막, 산화 탄탈륨막, 또는 산화 이트륨막으로 구성될 수 있다. 이때 본 발명에 있어서 상기 산질화물막으로 형성된 코팅막은 그 위에 적층된 다른 막을 가질 수도 있다.
또한, 상기 질화물 반도체 발광소자가 질화물 반도체 레이저 소자인 경우, 상기 질화물 반도체 레이저 소자는 벽개(cleavage)에 의해 캐비티의 단면을 형성하는 단계, 및 상기 캐비티의 단면을, 이 캐비티의 단면에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막상에 적층된 산화막으로 형성되는 코팅막으로 코팅하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
여기에서, 산질화물막이 알루미늄 산질화물막인 경우 상기 알루미늄 산질화물막은 예컨대 성막실 내에 산화 알루미늄의 타겟을 제공하고, 상기 성막실 내에 질소 가스만을 도입하고, 반응성 스퍼터링를 행함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 산화 알루미늄의 타겟을 제공함으로써 알루미늄 산질화물막을 적층함에 있어 성막실내로 산소 가스를 의도적으로 도입할 필요성을 제거할 수 있다.
또한, 산질화막이 알루미늄 산질화물인 경우에는, 알루미늄의 산화성이 높기 때문에, 성막실 내에 산소 가스를 도입한 경우에 있어서, 산소의 함유량이 적은 산질화물의 조성의 제어 및 재현성이 곤란하게 되는 경향이 있으나, 이는 AlxOy(단, 0<x<1, 0<y<0.6, x+y=1)의 조성식으로 표현되는 산화 상태가 낮은 산화 알루미늄을 타겟으로 사용하고, 성막실 내에 산소 가스를 도입하지 않고 질소 가스만을 도입함으로써, 산소의 함유량이 적은 알루미늄의 산질화물을 비교적 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 AlxOy(단, 0<x<1, 0<y<0.6, x+y=1)의 조성식으로 표현되는 산화 상태가 낮은 산화 알루미늄으로 이루어지는 타겟 대신, 산소의 함유량이 적은 알루미늄의 산질화물로 이루어지는 타겟을 사용한 경우에도 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 성막실 내의 진공도 및/또는 성막 온도 등의 성막 조건을 변화시키는 것에 의해서도 산질화물에 있어서의 산소의 함유량을 변화시킬 수 있기 때문에 산질화물의 조성을 변화시킬 수 있다.
또한, 성막실의 내벽을 산화시키거나, 또는, 성막실의 내벽에 산화 알루미늄을 형성한 후, 성막실 내에 아르곤 가스와 질소 가스를 도입하고, Al로 이루어지는타겟을 사용하여 스퍼터링법에 의해 성막하면, 성막실의 내벽의 산소가 플라즈마에 의해 이탈하기 때문에, 알루미늄 산질화물막을 형성하는 것이 가능하다.
실시 형태 1
도1에, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 바람직한 일례의 모식적인 단면도를 나타낸다. 여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(10)는, n형 GaN기판(11), 그 위에 적층된 n형 AlGaInN버퍼층(21), 그 위에 적층된 n형 AlGaInN클래드층(22), 그위에 적층된 n형 AlGaInN가이드층(23), 그 위에 적층된 AlGaInN 다중양자 웰 활성층(24), 그 위에 적층된 p형 AlGaInN가이드층(25), 그 위에 적층된 p형 AlGaInN클래드층(26) 및 그 위에 적층된 p형 AlGaInN콘택트층(27)을 포함한다. 또한, 상기 각 층의 조성비는 적당히 조절되는 것으로, 본 발명의 본질과는 관계가 없다. 또, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자로부터 발진되는 레이저 광의 파장은 AlGaInN 다중양자 웰 활성층(24)의 조성비에 의해, 예를 들면 370nm∼470nm의 범위에서 적당히 조절될 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 405nm 의 파장의 레이저광이 발진하도록 조절되었다. 또한, 상기 AlGaInN 다중양자 웰 활성층(24)은 적어도 0.01원자% 내지 10원자% 정도의 양으로 As, P 및 유사한 5족 원소들 중 적어도 한 형태의 원소를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(10)는, p형 AlGaInN클래드층(26) 및 p형 AlGaInN콘택트층(27)의 일부가 제거되어 리지 스트라이프부(ridged stripe portion)(13)가 캐비티의 길이 방향으로 연장되도록 형성되어 있다. 여기에서, 리지 스트라이프부(13)의 스트라이프의 폭은, 예컨대 1.2∼2.4μm 정도이고, 대표적으로는 1.5μm 정도이다. 또한, p형 AlGaInN콘택트층(27)의 표면에는 p전극(14)이 설치되고, p전극(14)의 하부에는 리지 스트라이프부(13)의 형성 개소를 제외하고 절연막(12)이 제공되어 있다. 또한, n형 GaN기판(11)의 상기 층의 적층측과 반대쪽의 표면에는 n전극(15)이 형성되어 있다.
도2에, 도1에 나타낸 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자의 캐비티 길이 방향의 모식적인 측면도를 나타낸다. 여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자(10)는 광출사부로서 기능하는 광출사면(16) 및 광반사 단면(17)을 가지며, 각각 다이아몬드 포인트로 세선을 긋고 쪼개어 n형 GaN기판상에 n형AlGaInN버퍼층 등의 상기 반도체층을 순차적으로 적층하고, 리지 스트라이프부를 형성한 후에, 절연막, p전극 및 n전극을 각각 형성한 웨이퍼를 벽개(cleave)함으로써 형성된다. 상기 벽개는 도2에 나타낸 바와 같이 서로 평행한 단면 16 및 17로서 기능한다.
상기 광출사 단면(16)에는 두께 6nm의 알루미늄 산질화물막(31)이 적층되어 있고, 그 위에 두께 76nm의 산화 알루미늄 막(32)이 적층되어 5%의 반사율을 제공하도록 하고 있다. 또한, 광반사 단면(17)에는 두께 6nm의 알루미늄 산질화물막(33), 두께 80nm의 산화 알루미늄막(34) 및, 두께 71nm의 산화 실리콘막과 두께 46nm의 산화 티타늄막을 1 페어로하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시) 한 후에 최표면에 두께 142nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막(35)이 형성되어 있다.
또한, 상기 알루미늄 산질화물막(31), 산화 알루미늄 막(32), 알루미늄 산질화물막(33), 산화 알루미늄막(34) 및 고반사막(35)은, 예를 들면 이하에 설명하는 ECR(Electron Cyclotron Resonance) 스퍼터링법에 의해 형성할 수 있지만, 다른 각종 스퍼터링법, 또는 CVD(chemical Vapor Deposition)법 등에 의해 형성할 수 있다.
도3에, ECR 스퍼터링 장치의 모식적인 구성도를 나타낸다. 여기에서, ECR 스퍼터링 장치(40)는 일반적으로 성막실(50)과 플라즈마 생성실(60)로 구성된다. 상기 성막실(50)에는 가스 도입구(51) 및 가스 배기구(56)가 설치되어 있고, 그 내부에 타켓(52), 히터(53), 시료대(54) 및 셔터(55)가 설치되어 있다. 또한, 시료대(54) 위에는 상기와 같이 벽개된 시료(66)가 설치되어 있고 상기 시료는 막이 캐비티의 단면(16 또는 17)에 적층되도록 하는 방향으로 홀더(도시되지 않음)에 부착되어 있다. 또한, 가스 도입구(56)에는 성막실(50) 내의 가스가 배기되도록 하는 진공 펌프(도시되지 않음)가 부착되어 있다. 또한, 타겟(52)에는 RF전원(57)이 접속되어 있다.
또한, 플라즈마 생성실(60)에는 가스 도입구(61) 및 마이크로파 도입구(62)가 설치되어 있고, 그 내부에는 마이크로파 도입창(63) 및 자기 코일(64)이 제공되어 있다. 상기 마이크로파 도입구(62)는 마이크로파 도입창(63)을 통해 도입되는 마이크로파(65)를 유도하여 상기 가스 도입구(61)를 통해 도입된 가스로부터 플라즈마를 생성한다.
상기와 같이 구성된 ECR 스퍼터링 장치(40)는 우선 캐비티의 광출사 단면(16) 상에 6nm 두께의 알루미늄 산질화막(31)을 적층한 다음, 상기 알루미늄 산질화막(31) 상에 76nm 두께의 산화 알루미늄막(32)을 적층한다.
보다 상세히 살명하면, 우선, 성막실(50) 내에 질소 가스를 5.5sccm의 유량으로 도입하고, 산소 가스를 1.Osccm의 유량으로 도입하고, 또한, 플라즈마를 효율적으로 발생시켜 성막 속도를 크게 하기 위해 아르곤 가스를 20.Osccm의 유량으로 도입한다. 또한, Al로 이루어진 타겟(52)을 스퍼터링하기 위해, 타겟(52)에 RF 파워를 500W 인가하고, 플라즈마의 생성에 필요한 마이크로파 파워를 500W 인가한바, 성막 레이트가 1.7Å/초로, 파장 633nm의 광의 굴절률이 2.0인 알루미늄 산질화물막(31)이 성막되었다. 상기 알루미늄 산질화물막(31)은 알루미늄, 질소 및 산소로 형성되고, 그들 각각의 함유량(원자%)은 예를 들면 AES(Auger Electron Spectroscopy)에 의해 측정할 수 있다. 또한, 알루미늄의 산질화물막(31)을 구성하는 산소의 함유량은, TEM-EDX(Transmission Electron Microscopy-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)에 의해서도 측정할 수 있다.
도4에, 상기와 동일한 조건으로 별도 제작한 알루미늄 산질화물막을 AES에
의해 두께 방향으로 조성의 분석을 행한 결과를 나타낸다. 여기에서, AES에 의한 알루미늄의 함유량, 산소의 함유량 및 질소의 함유량은 각각, AES 신호 강도에 기초하여, 각 원소의 피크 감도를 고려하여 구했다. 여기에서는, 알루미늄의 원자%와 산소의 원자%와 질소의 원자%의 합계가 100원자%로 되도록 하고, 알루미늄, 산소 및 질소 이외의 아르곤 등 다른 미량으로 포함되는 원소는 제외하고 있다.
도4에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 산질화물막을 구성하는 알루미늄의 함유량은 35원자%, 산소의 함유량은 3원자% 및 질소의 함유량은 62원자%로 두께 방향으로 거의 균일한 조성인 것을 알 수 있다. 또한, 도4에는 도시되지 않았으나, 극미량의 아르곤이 검출되었다.
상기 알루미늄 산질화물막(31)이 성막되기 전에, 상기 성막 장치에 있어서의 캐비티는, 단면(16)으로부터의 산화막, 불순물 등을 제거하여 상기 단면을 세정하기 위해 예컨대 적어도 100℃ 및 기껏해야 500℃로 가열되는 단면(16)을 갖는 것이 바람직하나, 본 발명은 그렇게 하지 않을 수도 있다. 또한, 상기 알루미늄 산질화물막(31)이 성막되기 전에, 상기 캐비티는 예컨대 아르곤 또는 질소의 플라즈마에 노출되어 세정되는 단면(16)을 가질 수도 있으나, 본 발명은 그렇게 하지 않을 수도 있다. 또한, 상기 알루미늄 산질화물막(31)이 성막되기 전에, 상기 캐비티는 가열과 동시에 플라즈마에 노출되는 단면(16)을 가질 수도 있다. 또한, 상기 단면이 플라즈마에 노출될 때, 예컨대, 아르곤의 플라즈마에 노출된 후 질소의 플라즈마에 노출되거나 또는 그 반대로 될 수 있다. 아르곤과 질소 이외에, 예컨대 헬륨, 네온, 크세논, 크립톤 등의 희가스가 사용될 수 있다. 또한, 상기 캐비티는 적어도 100℃ 및 500℃ 이하로 가열되는 단면(16)으로 성막되는 알루미늄 산질화물막(31)을 갖는 단면(16)에 제공되어 있으나, 본 발명은 그렇게 하지 않고 알루미늄 산질화물막(31)의 성막시 단면을 가열할 수도 있다.
상기한 바와 같이 알루미늄 산질화물막(31)이 6nm의 두께를 갖도록 성막된 후, 성막실(50) 내로 40.0sccm으로 변경된 유량의 아르곤 가스 및 6.8sccm으로 변경된 유량의 산소 가스를 도입하고, 그 안으로 도입된 질소 가스를 중지시켜 76nm의 두께를 갖도록 알루미늄 산질화물막(31) 상에 산화 알루미늄막(32)을 성막한다. 이때, 상기 RF 출력 및 마이크로파 출력은 변경되지 않고 각각 500W이다.
상기 알루미늄 산질화물막(31)은 산화 알루미늄막(32) 이외에, 산화 실리콘 막, 산화 티타늄막, 산화 하프늄막, 산화 지르코늄막, 산화 니오븀막, 산화 탄탈륨막, 산화 이트륨막 또는 기타 유사 막 등으로 할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서
상기 알루미늄 산질화물막(31) 또는 유사한 산질화물막은, 예컨대, 본 실시 형태에 기재된 바와 같이, 알루미늄 산질화물막(31)을 ECR 스퍼터링에 의해 산질화물막을 성막하고, 전자빔(EB) 증착 등에 의해 산화 알루미늄막(32)을 성막하는 이외의 방법으로 성막된 산화막에 기초할 수도 있다.
도5는, 제1 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면 상에 적층된 알루미늄 산질화물막 및 상기 알루미늄 산질화물막 상에 적층된 산화 알루미늄막으로 형성되는 코팅막의 AES에 의해, 깊이방향으로 본, 조성물의 분석 결과를 나타낸 도면이다. 여기에서, 상기 알루미늄 산질화물막은 매우 얇은 6nm의 두께이므로, 알루미늄 산질화물막의 산소함량이 산화 알루미늄막의 산소에 의해 가 려져서 AES에 의해 얻어질 수 없다. 그러나, 이는 TEM-EDX에 의해 얻어질 수 있다.
알루미늄 산질화물막(31) 및 산화 알루미늄막(32)이 성막된 후, 상기 ECR 스퍼터링 등을 사용하여 알루미늄 산질화막(33), 산화 알루미늄막(34) 및 고반사막(35)을 캐비티의 광출사 단면(17)상에 성막한다. 이들 막은 상기 단면이 가열에 따른 클리닝 및/또는 플라즈마에 노출되어 클리닝된 후 성막되는 것이 바람직하다.
그러나, 단, 광출사 단면의 열화가 문제로 되는 것은 광밀도가 큰 광출사 단면이고, 광반사 단면은 광출사 단면에 비해 광밀도가 적기 때문에, 열화가 문제로 되지 않는 경우가 많다. 따라서, 본 발명에 있어서의 캐비티는 산질화물막 및 산화막으로 이루어지는 코팅막이 코팅되는 광출사 단면만을 필요로 하고, 그를 커버하는 캐비티의 광반사측의 단면에는 알루미늄 산질화물막 등의 막은 제공되지 않아도 좋다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 상기 캐비티는 두께 6nm의 알루미늄의 산질화물(31)을 갖는 광반사 단면(16)이 형성되어 있으나, 알루미늄 산질화물(31)의 두께를 예를 들면 50nm로 두껍게 해도 별 문제는 없다.
또한, 캐비티 단면에 상기 막을 형성한 후에는 가열 처리를 행해도 좋다. 이에 의해 상기 막에 포함되는 수분의 제거나 가열처리에 의한 막질의 향상을 기대할 수 있다.
이상과 같이 하여, 상기 시료의 광출사측의 캐비티 단면(16)에 알루미늄 산질화막(31) 및 산화알루미늄막(32)을 형성하고, 광반사측 단면(17)에 알루미늄 산질화막(33), 산화 알루미늄막(34) 및 고반사막(35)을 형성한 후에 칩 형태로 분할 함으로써, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자가 얻어진다.
상기와 같이 얻어진 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자를 에이징 시험을 행하기 위해 100mW의 광츨력을 제공하도록 70℃의 환경에서 연속적으로 조사했다. 그 결과를 도6에 나타낸다. 도시된 바와 같이, 130시간의 에이징 시험을 행한 본 실시 형태의 20개의 질화물반도체 레이저 소자들은 공히 발진이 중단되지 않고 계속 구동되었다.
본 실시 형태의 상기 질화물반도체 레이저 소자를 유사한 에이징 시험을 행한 종래의 질화물반도체 레이저 소자와 비교한바(도9), 본 발명이 종래보다 명백히 신뢰성이 높았다.
AlN막을 제공하여 기대되는 비발광 재결합 준위의 감소 효과는 산소의 부재에 의한다. 따라서, 산소를 포함하는 알루미늄 산질화물막을 사용하는 것과 AlN막을 사용하는 것을 비교할 때, 전자는 질화물반도체 레이저 소자의 신뢰성을 손상시키는 것으로 추측된다. 그러나, 실제로 전자는 질화물반도체 레이저 소자의 신뢰성을 향상시키며, AlN막과 산화 알루미늄막의 결합을 알루미늄 산질화물막과 산화 알루미늄막의 결합과 비교했을 때, 후자는 만족한 상태를 갖는 계면을 제공하는 것으로 추측된다. 구체적으로, 알루미늄 산질화물막과 산화 알루미늄막은 공히 산소를 포함하고 있어 예컨대 만족한 콘택트 등에 기여하도록 하는 것은 질화물반도체 레이저 소자의 신뢰성을 향상시키는 원인으로 추측된다. 또한, 산질화막들 중, 알루미늄 산질화막이 열전도성이 높고, 이는 질화물반도체 레이저 소자의 신뢰성을 향상시키는 한 원인으로 추측된다.
제2 실시 형태
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측 단면에 형성된 코팅막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 캐비티 단면에 두께 20nm의 알루미늄 산질화물막이 형성되어 있고, 그 위에 두께 69nm의 산화 알루미늄막이 형성되어 5%의 반사율을 제공한다. 상기 알루미늄 산질화물막과 산화 알루미늄막은 제1 실시 형태와 비슷한 조건 하의 방법으로 성막되고, 상기 알루미늄 산질화물막은 각각 35원자%, 3원자% 및 62원자%의 양으로 알루미늄, 산소 및 질소를 포함한다.
도7은 제2 실시 형태의 질화물 반도체 레이저 소자의 캐비티의 광출사 단면 상에 적층된 알루미늄 산질화물막 및 상기 알루미늄 산질화물막 상에 적층된 산화 알루미늄막으로 형성되는 코팅막의 깊이방향 AES 분석의 결과를 나타낸 도면이다. 여기에서, 알루미늄 산질화물막의 산소의 함량은 산화 알루미늄막의 산소에 의해 가리워지기 때문에 AES에 의해 간단히 얻어질 수 없다. 그러나 이는 TEM-EDX에 의해 얻어질 수 있다.
본 실시 형태의 20개의 질화물반도체 레이저 소자를 제1 실시 형태에서 기술된 바와 유사하게 에이징 시험을 행하여, 제1 실시 형태에서 기술된 것과 유사하게 130시간의 에이징 시험을 행한 질화물반도체 레이저 소자는 발진이 중단되지 않고 모두 구동된 것을 확인했다. 이에 따라, 본 발명은 캐비티가, 적어도 6nm, 기껏해 야 20nm의 두께를 갖는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 가질때 효율적으로 동작하는 것을 확인했다.
이때, 캐비티가 1nm 이하의 두께를 갖는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 갖는 것은, 알루미늄 산질화물막의 두께를 제어하는 것이 거의 불가능하고 부분적으로 제공될 수도 없기 때문에, 바람직하지 아않다. 반대로, 캐비티가 두꺼운 두께를 갖는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 가질 경우, 응력이 발생될 가능성을 고려해야 한다. 그러나, 본 발명은 질화 알루미늄막의 두께를 크게 했기 때문에 그 효과가 훼손되지 않는다.
제3 실시 형태
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측 단면에 형성된 코팅막의 구성을 변경한 캐비티를 갖는 것 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 성막실이 1.5sccm의 유량으로 질소 가스를 수용하는 것을 제외하고, 실시 형태 1에 기술된 것과 유사한 조건들이 채용되고, 비록 산소의 함량은 변경되었으나 실시 형태 1에 기술된 것과 같은 6nm 두께의 알루미늄 산질화물막이 성막되고, 이어서 그 위에 실시 형태 1에 기술된 것과 같은 76nm 두께의 산화 알루미늄막이 성막된다.
도8은 상기와 동일한 조건하에 별도로 제공된 알루미늄 산질화물막의 깊이방향 AES 분석의 결과를 나타낸 도면이다. 도8에 나타낸 바와 같이, 깊이 방향으로 균일하게, 알루미늄의 함유량이 33원자%, 산소의 함유량이 11원자%, 질소의 함유량이 56원자%를 각각 포함하고 있다.
본 실시 형태의 20개의 질화물반도체 레이저 소자 역시 제1 실시 형태에서 기술된 것과 유사하게 에이징 시험을 행하고, 제1 실시 형태에서 기술된 것과 유사하게 130시간의 에이징 시험을 행한 20개의 질화물반도체 레이저 소자가 발진의 중단없이 모두 구동된 것을 확인했다. 이에 따라, 본 발명은 캐비티가, 적어도 3원자%, 기껏해야 11원자%의 양으로 산소를 함유하는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 가질 때 효율적으로 동작하는 것을 확인했다.
이때, 캐비티가 적어도 1원자%의 양으로 산소를 함유하는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 갖는 것이 바람직하다. 1원자% 미만의 산소 함량은 산소를 함유하는 효과를 제공하지 않을 수 있다. 또한, 캐비티는 50원자% 이하의 양으로 산소를 함유하는 알루미늄 산질화물막을 포함하는 코팅막으로 코팅된 광출사 단면을 갖는 것이 바람직하다. 50원자% 보다 큰 산소 함량은 비발광 재결합 준위를 초래할 수 있다.
제4 실시 형태
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 질화물반도체 레이저 소자가 460nm의 파장으로 조사하도록 조정되어 있도록 구성되어 있고, 리지 스트라이프가 20μm의 폭을 갖고, 또한 질화물반도체 레이저 소자의 캐비티가 변경된 구성의 코팅막으로 코팅된 광출사측 단면 및 변경된 구성의 막이 제공된 광반사측 단면을 갖는 것 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다. 상기 파장은 AlGaInN 다중 양자웰 활성층의 AlGaInN의 조성비를 변경함으로써 조정된다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 6nm 두께의 알루미늄 산질화막이 제공된 광출사측 단면을 구비한 캐비티를 갖고, 그 위에 83nm 두께의 산화 알루미늄막을 성막하여 반사율을 약 5%로 조정했다. 또한, 캐비티의 광반사측 단면에는 캐비티의 광출사측 단면을 코팅하는 막과 동알한 조건 하에 성막된 두께 6nm의 알루미늄 산질화물막이 제공되고, 상기 알루미늄 산질화물막 상에는 두께 80nm의 산화 알루미늄막이 성막되고, 또한, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티타늄막을 1 페어로 하여 층들에 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시) 한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
본 실시 형태의 20개의 질화물반도체 레이저 소자 역시 제1 실시 형태에서 기술된 것과 유사하게 에이징 시험을 행하고, 제1 실시 형태에서 기술된 것과 유사하게 130시간의 에이징 시험을 행한 20개의 질화물반도체 레이저 소자가 발진의 중단없이 모두 구동된 것을 확인했다.
460nm의 파장의 레이저광이 발진하는 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 조명 디바이스의 여기 광원으로서 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 적어도 370μm 및 470μm 이하의 파장으로 발진하고 적어도 2μm 및 100 μm 이하의 폭을 갖는 리지 스트라이프부를 갖는 질화물반도체 레이저 소자에 적절히 적용될 수 있다.
실시 형태 5
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 캐비티 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 캐비티 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 하고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 캐비티 단면에 두께 6nm의 실리콘 산질화물막이 형성되고 그 위에 77nm의 산화 알루미늄막이 형성되어 있다. 또, 광반사측의 캐비티 단면에는 광출사측의 캐비티 단면의 코팅막과 동일한 조건으로 두께 6nm의 실리콘 산질화물막이 형성되고, 그 실리콘 산질화물막 위에는, 두께 81nm의 산화 실리콘막과 두께 54nm의 산화 티타늄막을 1 페어로 하여 4페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화 실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
상기 캐비티의 광출사측 및 광반사측 단면들상의 성막된 실리콘 산질화물막은, 34원자%, 3원자% 및 63원자%의 양으로 실리콘, 산소 및 질소를 각각 포함한다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 에이징 시험을 행한바, 130 시간의 기간이 경과시 테스트를 행한 레이저 소자의 95%가 중단없이 계속 구동되는 것을 확인했다.
실시 형태 6
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자는, 광출사측의 캐비티 단면에 형성된 코팅막의 구성 및 광반사측의 캐비티 단면에 형성되는 막의 구성을 변경한 이외는, 실시 형태 1의 질화물반도체 레이저 소자와 같은 구성을 갖고 있다.
여기에서, 본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 있어서는, 광출사측의 캐비티 단면에 두께 3nm의 실리콘 산질화물막이 형성되어 있고, 또한 실리콘 산질화물막 위에 두께 81nm의 산화 실리콘막 및 두께 54nm의 산화 티타늄막을 1 페어로 하여 4 페어 적층(산화 실리콘막으로부터 적층 개시)한 후에 최표면에 두께 162nm의 산화실리콘막이 적층된 고반사막이 형성되어 있다.
상기 캐비티의 광출사측 및 광반사측 단면들상에 성막된 실리콘 산질화물막은, 34원자%, 3원자% 및 63원자%의 양으로 실리콘, 산소 및 질소를 각각 포함한다.
본 실시 형태의 질화물반도체 레이저 소자에 대해서도, 실시 형태 1과 같이하여, 에이징 시험을 행한바, 130 시간의 기간 경과시 테스트를 행한 레이저 소자의 93%가 중단없이 계속 구동되는 것을 확인했다.
본 발명은, 예를 들면, 자외 영역으로부터 녹색 영역의 파장의 광을 발진하는 질화물반도체 레이저 소자, 고출력 용도로 사용되는 스트라이프폭이 수십 μm 정도의 브로드 에어리어 형의 질화물반도체 레이저 소자, 또는 자외 영역으로부터 적색 영역의 파장의 광을 발진하는 질화물반도체 발광 다이오드 소자 등에 이용할 수 있다.
본 발명을 상세히 설명했지만, 이는 예시를 위한 것으로, 한정되는 것은 아니며, 발명의 정신과 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정되는 것이 명백히 이해될 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의하면, 신뢰도를 향상시킬 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 질화물 반도체 레이저 소자의 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 광출사부에 코팅막이 형성되어 있는 질화물반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 광출사부는 질화물반도체로 이루어지고, 상기 광출사부에 접하는 코팅막이 상기 광출사부에 인접하여 적층된 산질화물막 및 상기 산질화물막상에 적층된 산화막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산질화물막은, 알루미늄 산질화물막 및 실리콘 산질화물막 중 하나인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산화막이 산화 알루미늄막, 산화 실리콘막, 산화 티타늄막, 산화 하프늄막, 산화 지르코늄막, 산화 니오븀막, 산화 탄탈륨막 및 산화 이트륨막 중 하나인 것을 특징으로 하는, 질화물반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 질화물반도체 발광 소자는 질화물반도체 레이저 소자이고 상기 광출사부는 캐비티의 단면인 것을 특징으로 하는 질화물반도체 발광 소자.
  5. 벽개에 의해 캐비티의 단면을 형성하는 공정; 및
    상기 캐비티의 단면을, 이 캐비티의 단면에 인접하여 적층된 산질화물막 및 이 산질화물막 상에 적층된 산화막으로 이루어지는 코팅막으로 코팅하는 공정을 포함하는, 제4항에 따른 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 산질화물막은, 타겟으로서 산화 알루미늄을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 질화물반도체 레이저 소자의 제조 방법.
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